Ingeniería Eléctrica Sistemas de Comunicaciones
Técnicas de Multiplexión TDM y FDM
Cabudare, Septiembre2016
Autores: Jesús A. Rodríguez Ernesto Sandoval
… Multiplexación: Es la combinación de dos o más canales de información en un solo medio de transmisión usando un dispositivo llamado multiplexor. El proceso inverso se conoce como demultiplexación. Un concepto muy similar es el de control de acceso al medio.
Multiplexación por división de tiempo Es una técnica que permite la transmisión de señales digitales y cuya idea consiste en ocupar un canal (normalmente de gran capacidad) de trasmisión a partir de distintas fuentes, de esta manera se
Canal de comunicación Es el medio de transmisión por el que viajan las señales portadoras de la información que pretenden intercambiar emisor y receptor. Es frecuente referenciarlo también como canal de datos.
Medio de transmisión Constituye el canal que permite la transmisión de información entre dos terminales en un sistema de transmisión. Las transmisiones se realizan habitualmente empleando ondas electromagnéticas que se propagan a través del canal. A veces el canal es un medio físico y otras veces no, ya que las ondas electromagnéticas son susceptibles de ser transmitidas por el vacío.
Multiplexor Se utiliza como dispositivo que puede recibir varias entradas y transmitirlas por un medio de transmisión compartido. Para ello lo que hace es dividir el medio de transmisión en múltiples canales, para que varios nodos puedan comunicarse al mismo tiempo.
Ernesto Sandoval
Multiplexación por División de Tiempo (TDM) Es una técnica que permite la transmisión de señales digitales y cuya idea consiste en ocupar un canal (normalmente de gran capacidad) de trasmisión a partir de distintas fuentes, de esta manera se logra un mejor aprovechamiento del medio de trasmisión. El Acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) es una de las técnicas de TDM más difundidas. La multiplexación por división de tiempo (MDT) o (TDM), del inglés Time Division Multiplexing, es el tipo de multiplexación más utilizado en la actualidad, especialmente en los sistemas de transmisión digitales. En ella, el ancho de banda total del medio de transmisión es asignado a cada canal durante una fracción del tiempo total (intervalo de tiempo). En la imagen siguiente se representa, esquematizada de forma muy simple, un conjunto multiplexor-demultiplexor para ilustrar como se realiza la multiplexación-desmultiplexación por división de tiempo. En este circuito, las entradas de seis canales llegan a los denominados interruptores de canal, los cuales se cierran de forma secuencial,
controlados por una señal de reloj, de manera que cada canal es conectado al medio de transmisión durante un tiempo determinado por la duración de los impulsos de reloj.
En el extremo distante, el desmultiplexor realiza la función inversa, esto es, conecta el medio de transmisión, secuencialmente, con la salida de cada uno de los seis canales mediante interruptores controlados por el reloj del demultiplexor. Este reloj del extremo receptor funciona de forma sincronizada con el del multiplexor del extremo emisor mediante señales de temporización que son transmitidas a través del propio medio de transmisión o por un camino.
Acceso múltiple por división de tiempo El Acceso múltiple por división de tiempo (Time Division Multiple Access o TDMA, del inglés) es una técnica de multiplexación que distribuye las unidades de información en ranuras ("slots") alternas de tiempo, proveyendo acceso múltiple a un reducido número de frecuencias. También se podría decir que es un proceso digital que se puede aplicar cuando la capacidad de la tasa de datos de la transmisión es mayor que la tasa de datos necesaria requerida por los dispositivos emisores y receptores. En este caso, múltiples transmisiones pueden ocupar un único enlace subdividiéndole y entrelazándose las porciones. Esta técnica de multiplexación se emplea en infinidad de protocolos, sola o en combinación de otras, pero en lenguaje popular el término suele referirse al estándar D-AMPS de telefonía celular empleado en América.
TDM (Multiplexaje por división de tiempo) • Es un sistema de transmisión en el cual un numero de comunicaciones están multiplexados en una portadora al asignar a cada comunicación un especio especifico de tiempo. • El proceso se lleva a cabo "intercalando" las muestras de diferentes señales para que estas se puedan transmitir en forma secuencial por el mismo canal. • TDM tiene como objetivo multiplexar "n" canales PCM; según el estándar que se escoja (ETSI o ANSI), para lograr lo que se denomina un PCM de 1er orden (E1 o T1), para esto se genera un conjunto de 16 tramas PCM numeradas de la 0 a la 15, que es el ciclo completo TDM.
Estructura europea (ETSI) • Usando un sistema TDM, un número de comunicaciones puede ser combinado en una portadora. Cada comunicación esta representada por una serie de muestras, cada una de las cuales se representa en forma de código digital. • En Europa ha sido estandarizado y aceptado por la UIT un sistema TDM de 32 canales. • Cada canal tiene 8 bits. Al conjunto de los 32 canales se le llama trama (Frame) y tiene 256 bits. • Una llamada es asignada a un canal en una trama, esto significa que se pueden enviar 8 bits en cada trama. • Como una señal de voz es muestreada cada 125µs debido al Teorema de Nyquist (Ts=1/(4kHz*2)), la muestra de un usuario es realizada en 8 bits cada 125s. Por lo tanto la duración del canal es de: (125s/32)= 3.906s La asignación de los canales en la trama es: Canal 0: Sincronización de la trama (alineación). Canal 16: Señalización. Canal 1-15 y 17-31: Voz/Datos.
Ernesto Sandoval
Acceso múltiple por división de tiempo e IEEE 802.20 IEEE 802.20 o Mobile Broadband Wireless Access (MBWA) es una especificación de la asociación estándar del Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) para redes de acceso a Internet para redes móviles.
Diferencia entre Acceso múltiple por división de tiempo e IEEE 802.20
La multiplexación por división de tiempo (Time Division Multiple Access o TDM) es una técnica que permite la transmisión de señales digitales y cuya idea consiste en ocupar un canal (normalmente de gran capacidad) de transmisión a partir de distintas fuentes, de esta manera se logra un mejor aprovechamiento del medio de transmisión. IEEE 802.20 o Mobile Broadband Wireless Access (MBWA) es una especificación de la asociación estándar del Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) para redes de acceso a Internet para redes móviles.
Similitudes entre Acceso múltiple por división de tiempo e IEEE 802.20 tienen 1 cosa en común (en Unionpedia): Control de acceso al medio. Acceso múltiple por división de Control de Acceso al Medio En informática y telecomunicaciones, el control de acceso al medio tiempo e IEEE es el conjunto de mecanismos y protocolos a través de los cuales 802.20 varios "interlocutores" (dispositivos en una red, como ordenadores, teléfonos móviles, etc.) se ponen de acuerdo para compartir un medio de transmisión común (por lo general, un cable eléctrico u óptico o, en comunicaciones inalámbricas, el rango de frecuencias asignado a su sistema).
Comparación de Acceso múltiple por división de tiempo e IEEE 802.20
Acceso múltiple por división de tiempo tiene 17 relaciones, mientras IEEE 802.20 tiene 19. Como tienen en común 1, el índice Jaccard es 2.78% = 1 / (17 + 19).
Ernesto Sandoval
Características del TDM • • • • •
Se utiliza con modulaciones digitales. Tecnología simple y muy probada e implementada. Adecuada para la conmutación de paquetes. Requiere una sincronización estricta entre emisor y receptor. Requiere el Time advance.
Ventajas de TDM • • • • •
Esto usa unos enlaces solos. Esto no requiere al portador preciso que empareja a ambos en el final de los enlaces. El uso de la capacidad es alto. Cada uno para ampliar el número de usuarios en un sistema en un coste bajo. No hay ninguna necesidad de incluir la identificación de la corriente de tráfico en cada paquete.
Desventajas de TDM • La sensibilidad frente a otro problema de usuario es alta • El coste inicial es alto • La complejidad técnica es más • El problema del ruido para la comunicación análoga tiene el mayor efecto.
Multiplexación por División de Tiempo (TDM) Aplicación de TDM Acceso múltiple por división de tiempo (TDM) Es un tipo de digital o (raramente) analógica multiplexación en la que dos o más señales o flujos de bits se transfieren al parecer, al mismo tiempo como sub-canales en un canal de comunicación, pero son físicamente por turnos en el canal. El dominio del tiempo se divide en varios periódicos ranuras de tiempo de longitud fija, uno para cada sub-canal. Un byte muestra o bloque de datos de un sub-canal se transmite en horario 1, sub-canal 2 en horario 2, entre otros. Una TDM marco consiste en un horario por sub-canal. Después del último sub-canal el ciclo comienza de nuevo con un nuevo marco, a partir de la segunda muestra, un byte o bloque de datos de sub-canal 1, entre otros. Ejemplos de aplicación • El jerarquía digital plesiocrona (PDH) del sistema, también conocido como el PCM sistema, para la transmisión digital de varias llamadas telefónicas a través del cable de cobre los mismos cuatro hilos (T-carrier o E-carrier) O un cable de fibra en el circuito de red de conmutación telefónica digital • El SDH y de red óptica síncrona (SONET) estándares de redes de transmisión, que han sobrepasado PDH. • El RIFF (WAV) entrelaza estándar de audio izquierdo y derecho señales estéreo en función de cada muestra • El canal de la división izquierda-derecha en el uso de estereoscópico vasos de cristal líquido del obturador TDM puede ser extendido en el tiempo de acceso múltiple por división (TDMA) Régimen, donde las estaciones conectados en el mismo medio físico, por ejemplo, que comparten la misma frecuencia canal, se puede comunicar. Ejemplos de aplicación incluyen: El GSM sistema telefónico TDM en comparación con el modo de comunicación de paquetes En su forma primaria, se utiliza para la TDM modo de circuito comunicación con un número fijo de canales y ancho de banda constante por canal. Ancho de banda de reserva distingue de multiplexación por división de tiempo de multiplexación estadística tal como en modo paquete comunicación (también conocido como estadística del tiempo-dominio de multiplexación, Ver más abajo) es decir, el tiempo de las franjas horarias son recurrentes en un orden fijo y pre-asignado a los canales, en lugar de lo previsto sobre una base paquete por paquete. Multiplexación estadística de dominio de tiempo similar, pero no debe ser considerada como la multiplexación mismo que por división de tiempo.
Multiplexación por División de Tiempo (TDM) La multiplexación por división en frecuencia es una técnica que consiste en dividir mediante filtros el espectro de frecuencias del canal de transmisión y desplazar la señal a transmitir dentro del margen del espectro correspondiente mediante modulaciones, de tal forma que cada usuario tiene posesión exclusiva de su banda de frecuencias (llamadas subcanales). En el extremo de la línea, el multiplexor encargado de recibir los datos realiza la demodulación la señal, obteniendo separadamente cada uno de los subcanales. Esta operación se realiza de manera transparente a los usuarios de la línea. Se emplea este tipo de multiplexación para usuarios telefónicos, radio, TV que requieren el uso continuo del canal.
Este proceso es posible cuando la anchura de banda del medio de transmisión excede de la anchura de banda de las señales a transmitir. Se pueden transmitir varias señales simultáneamente si cada una se modula con una portadora de frecuencia diferente, y las frecuencias de las portadoras están lo suficientemente separadas como para que no se produzcan interferencias. Cada subcanal se separa por unas bandas de guarda para prevenir posibles interferencias por solapamiento. La señal que se transmite a través del medio es analógica, aunque las señales de entrada pueden ser analógicas o digitales. En el primer caso se utilizan las modulaciones AM, FM y PM para producir una señal analógica centrada en la frecuencia deseada. En el caso de señales digitales se utilizan ASK, FSK, PSK y DPSK.
En el extremo receptor, la señal compuesta se pasa a través de filtros, cada uno centrado en una de las diferentes portadoras. De este modo la señal se divide otra vez y cada componente se demodula para recuperar la señal. La técnica de MDF presenta cierto grado de normalización. Una norma de gran uso es la correspondiente a 12 canales de voz, cada uno de 4.000 Hz (3.100 para el usuario y el resto para la banda de guarda) multiplexado en la banda de 60-108 Khz. A esta unidad se le llama grupo. Muchos proveedores de servicios portadores ofrecen a sus clientes una línea alquilada de 48 a 56 Kbps, basada en un grupo. Se pueden multiplexar cinco grupos (60 canales de voz) para formar un supergrupo. La siguiente unidad es el grupo maestro, que está constituido por cinco supergrupos (de acuerdo con las normas del UIT) o por diez grupos (de acuerdo a Bell System).
Multiplexación por División en Frecuencia (MDF) Técnicas de Multiplexación Es la técnica que permite la transmisión simultánea de varias señales al mismo tiempo. Estas señales van guiadas por canales que comparten el mismo medio de transmisión. Su principal objetivo es minimizar la cantidad de líneas de transmisión físicas requeridas y maximizar el uso del ancho de banda de los medios. Así mismo, conlleva la reducción de los costos de transmisión.
¿Cómo funciona? En general el multiplexado, es el proceso de combinar transmisiones precedentes de más de una fuente y transmitirlas por medio de un solo sistema, como por ejemplo, un cable metálico o una fibra óptica, o por medio de un canal de radio frecuencia. Las señales entran en un equipo llamado MUX (multiplexador) que ubican todas las señales sobre una misma vía, logrando así, enviar múltiples señales por un mismo medio. Para recuperar la señal en el receptor esta pasa por un de-modulador y luego se envía al de-multiplexor en donde se regeneran las señales originales de banda base.
A manera de visualizar mejor la estructura básica general en que se basa este sistema de transmisión se muestra la siguiente figura:
Jesús Rodríguez
Multiplexación por División en Frecuencia (MDF)
El multiplexado por división de frecuencia es un método analógico de combinar dos o mas fuentes analógicas que ocupaban originalmente la misma banda de frecuencia, de tal manera que los canales no interfieran entre si. Las señales de inteligencia modulan sub-portadoras que luego se suman, y la señal compuesta se usa para modular la portadora. La modulación permite a la señal de información ser mas compatible con el medio. Es el proceso de hacer que una señal de banda base analógica de voz o vídeo, modifique a otra señal de mas alta frecuencia, lo que se conoce como portadora. La señal del modulador en conjunto con la banda base modifica a la portadora en una forma única. En FDMA, el acceso al medio se realiza dividiendo el espectro disponible en canales, que corresponden a distintos rangos de frecuencia, asignando estos canales a los distintos usuarios y comunicaciones a realizar, sin interferirse entre sí. Los usuarios pueden compartir el acceso a estos distintos canales por diferentes métodos como TDMA, CDMA o SDMA, siendo estos protocolos usados indistintamente en los diferentes niveles del modelo OSI.
Jesús Rodríguez
Multiplexación por División en Frecuencia (MDF) Se presenta el siguiente modelo de banda única lateral con portadora suprimida y multiplexador por división de frecuencias, como ejemplo ilustrativo:
Proceso de multiplexación por división de frecuencias con banda lateral única con portadora suprimida.
En el esquema que se presenta se muestran las etapas básicas de una banda lateral única con portadora suprimida y multiplexador por división de frecuencia, se tiene en un principio una señal de banda base (señales originales de voz, vídeo o señales digitales), esta señal de banda base de 0 a 10Khz pasa por un modulador balanceado de mayor frecuencia que permite crear una señal portadora de 100Khz en el rango de frecuencia aceptado por el medio para su transmisión, en este caso permite llevar los 10Khz de cada banda base en un espacio determinado y único entre el rango de frecuencia permitido por el medio, que en este caso es de 100Khz a 130Khz (un ancho de frecuencia de 30Khz para el medio de transmisión). La salida del modulador balanceado es una forma de onda con portadora suprimida y doble banda lateral, con ancho de banda (BW) de 20Khz cada una, la onda pasa por un filtro pasa banda (BPF) donde se convierte a una señal compatible al medio ocupando la banda de frecuencias de 100 a 110Khz, bloqueando la banda lateral inferior, dando como resultado para cada ancho de banda 10Khz en un ancho de frecuencia único.
Jesús Rodríguez
Multiplexación por División en Frecuencia (MDF) En resumen para el canal 2: Las señales del canal modulan una portadora de 110 kHz en un modulador balanceado, y vuelven a producir una forma de onda DSBSC, que se convierte a SSBSC pasándola por un filtro pasa banda sintonizado para pasar sólo las frecuencias de banda lateral superior. Así, la salida del BPF ocupa una banda de frecuencias de 110 a 120 kHz en la salida del multiplexor. De igual forma para el resto de los canales. Una vez estas señales entran a la linea de transmisión deben pasar por un proceso de de-multiplexación con el cual se busca devolver las señales a su canal con su respectiva banda base, que no es mas que la señal (vídeo o voz) original. Como se muestra en la imagen.
Proceso de de-multiplexación por división de frecuencia de una señal de banda lateral única con portadora suprimida Para este proceso se necesita en cada linea de transmisión un filtro pasa banda que se encargara de filtrar la banda deseada al canal correspondiente, una vez la señal sea filtrada esta debe pasar por un de-modulador cuya principal función es eliminar la señal portadora para devolver al canal correspondiente su frecuencia original, en este caso de 0 - 10Khz.
Jesús Rodríguez
Multiplexación por División en Frecuencia (MDF) Resumen del funcionamiento general La forma de funcionamiento es la siguiente: se convierte cada fuente de varias que originalmente ocupaban el mismo espectro de frecuencias, a una banda distinta de frecuencias, y se transmite en forma simultánea por un solo medio de transmisión. Así se pueden transmitir muchos canales de banda relativamente angosta por un solo sistema de transmisión de banda ancha. El FDM es un esquema análogo de multiplexado; la información que entra a un sistema FDM es analógica y permanece analógica durante toda su transmisión y demultiplexación de la señal transmitida hasta devolverla a su origen.
Multiplexado y de-multiplexado de una señal analógica de banda lateral única con portadora suprimida.
Uso Un ejemplo de FDM es la banda comercial de AM, que ocupa un espectro de frecuencias de 535 a 1605 kHz. Si se transmitiera el audio de cada estación con el espectro original de frecuencias, sería imposible separar una estación de las demás. En lugar de ello, cada estación modula por amplitud una frecuencia distinta de portadora, y produce una señal de doble banda lateral. Hay muchas aplicaciones de FDM, por ejemplo, la FM comercial y las emisoras de televisión, así como los sistemas de telecomunicaciones de alto volumen. Dentro de cualquiera de las bandas de transmisión comercial, las transmisiones de cada estación son independientes de las demás.
Jesús Rodríguez
Multiplexación por División en Frecuencia (MDF) Principales características •
Las portadoras se separan mediante bandas de resguardo para evitar solapamiento de comunicaciones. Tecnología muy experimentada y fácil de implementar. Gestión de recursos rígida y poco apta para flujos de tránsito variable. Requiere duplexor de antena para transmisión dúplex. Se asignan canales individuales a cada usuario. Los canales son asignados de acuerdo a la demanda.
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Cada señal de entrada se modula con una frecuencia portadora distinta. El conjunto de todas las señales de entrada se transmite por un enlace radio. Necesidad de establecer bandas de guarda para evitar interferencias. Ancho de banda útil (medio) mayor que el ancho de banda necesario para transmitir las señales de entrada. La señal de entrada y salida es analógica.
Ventajas de TDM • Aquí el usuario puede ser añadido al sistema por simplemente añadiendo otro par de modulador de transmisor y receptor domodulators. • El sistema de FDM apoya el flujo de dúplex total de información que es requerido por la mayor parte de la aplicación. • El problema del ruido para la comunicación análoga tiene menos el efecto.
Desventajas de TDM • • •
En el sistema FDM, el coste inicial es alto. Este puede incluir el cable entre los dos finales y los conectors asociados para el cable. En el sistema FDM, un problema para un usuario puede afectar a veces a otros. En el sistema FDM, cada usuario requiere una frecuencia de portador precisa.
Autores: Jesús A. Rodríguez Ernesto Sandoval