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Tema 3Transmisión de datos
María del Carmen Romero [email protected]
Despacho G1.47 – 1ª planta L3http://www.dte.us.es/personal/mcromero
Curso 2004/2005ARC1
Atribución-NoComercial-LicenciarIgual 2.5
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María del Carmen Romero Ternero [email protected] 2
ÍndiceIntroducciónConceptos básicos y terminología
DefinicionesClasificación de las transmisionesRepresentación de señales
Perturbaciones en la transmisiónMedios de transmisiónTransmisión de datosMultiplexaciónInterfaz RS-232
María del Carmen Romero Ternero [email protected] 3
IntroducciónLa energía para transmitir datos puede ser eléctrica, ondas de radio, luminosa, etc
Cada tipo tendrá sus propiedades y requisitos de transmisiónPodrá utilizar diferentes medios físicos de transmisión (cobre, aire, vidrio...)
Transmisor necesita:Hardware especial para transformar datos en energíaUna conexión hardware con el medio de transmisión utilizado
Receptor necesita:Hardware especial para transformar energía en datosUna conexión hardware con el medio de transmisión utilizado
Transmisor ReceptorMedios de TxDATOS DATOS
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Conceptos básicos y terminologíaCanal: medio de transmisión al que se le acoplan un transmisor y un receptor y, por tanto, tiene asociado un sentido de transmisión
Analógico: información suministrada al transmisor es analógicaDigital: información suministrada al transmisor es digitalEl tipo de canal lo imponen los equipos, no el medio
Circuito: canal en cada sentido de transmisiónEnlace: circuito con controladores de los equipos terminales de datos (camino de transmisión entre Txor y Rxor)Enlace directo: enlace en el que la señal se propaga sin usar dispositivos intermedios que no sean amplificadores o repetidoresConfiguración o enlace punto a punto: enlace directo entre dos dispositivos que comparten un medio de transmisiónConfiguración multipunto: el medio es compartido por más de 2 dispositivos
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Conceptos básicos y terminologíaSímbolo o elemento de señalización:
Aquella parte de la señal que ocupa el intervalo más corto correspondiente a un código de señalización.
Digital: un pulso de tensión de amplitud constanteAnalógico: un pulso de frecuencia, fase y amplitud constantes
Velocidad en símbolos (Vs) o velocidad de modulación (Vm):Es el número máximo de símbolos que se pueden transmitir en un segundo.Se calcula como: nº símbolos/1segSe mide en baudios.Se asocia a la línea de transmisión.
Velocidad de transmisión serie o régimen binario (Vt o R):Es el número máximo de elementos binarios que pueden transmitirse por unidad de tiempo.Se calcula como: nº de bits en un periodo/periodoSe mide en bps (bit/s).Se asocia al circuito de datos.
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Conceptos básicos y terminologíaUnidades de medida
1.000.000.000.000.000.000.000.000 bitsYottabits (Yb)1024
1.000.000.000.000.000.000.000 bitsZettabits (Zb)1021
1.000.000.000.000.000.000 bitsExabits (Eb)1018
1.000.000.000.000.000 bitsPetabits (Pb)1015
1.000.000.000.000 bitsTerabits (Tb)1012
1.000.000.000 bitsGibabits (Gb)109
1.000.000 bits Megabits (Mb)106
1.000 bitsKilobits (Kb)103
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Clasificación de las transmisionesSegún el sentido de la transmisión:
Símplex (simple)
Half-duplex (semi-dúplex)
Full-duplex (dúplex)
A B
A B
A B
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Clasificación de las transmisiones (II)
Tipos de comunicaciones
Paralela
Serie
Bus
E/S paralela
Asíncrona(2 relojes)
Síncrona(1 solo reloj)
Heterosincronizada(2 líneas: datos y reloj)
Autosincronizada(1 línea: datos+reloj)
Orientada al bit
Orientada al carácter
Orientada al carácter
Txor Rxor
Txor Rxor
Txor Rxor
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Transmisión paralelaTodos los bits de un dato se transmiten a la vezSon necesarias tantas líneas como nº de bits contenga el dato a TxTipos:
BusLíneas de direcciones, datos, control y alimentaciónReglas estrictas de comunicacionesElementos muy acoplados (CPU y memoria)Distancias muy pequeñas (típicamente <1m)Ejemplo: bus de datos entre CPU y memoria
E/S paralelaMenor número de líneasMenor dependencia entre elementosCable plano o manguera multiconductoraEjemplo: impresora
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Transmisión serieSe transmiten los bits secuencialmente
Problema: cómo reconoce el receptor que tiene un bit válido para leer es necesario conocer el reloj con el que se generó la secuencia de bitsTipos:
AsíncronaSíncrona
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Transmisión serie asíncronaSólo se transmiten los datos; Txor y Rxor tienen su propio relojLa señal permanece a 1 mientras no se transmiteSe delimita el envío de 1 carácter (5-10bits) con 1 bit de comienzo (START) y 1 , 1.5 ó 2 bits de parada (STOP)Txor y Rxor deben estar de acuerdo previamente
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Transmisión serie síncronaLa señal de reloj debe transmitirse:
En una línea separada (heterosincronizada)Codificando dicha señal con los datos que se Tx (autosincronizada)
Los datos se delimitan por una serie de caracteres o bitsPuede ser:
Orientada al carácter: se trata el bloque de datos como una secuencia de caracteres (8 bits)
Orientada al bit: se trata el bloque de datos como una secuencia de bits (flag de inicio de bloque-datos-flag fin de bloque)
Emisor Receptor...... ...carácter
Emisor Receptor...... ...Flag inicio bloque Flag fin bloque
Datos
Flag inicio bloque
Datos
Flag fin bloque
Txor Rxor
Txor Rxor
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Transmisión serie vs. paralelaVentajas de la transmisión serie:
Número de líneas bastante menorMenor coste, sobre todo cuando aumentan las distancias
Ventajas de la transmisión paralela:Mayor velocidadMayor simplicidad
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Representación de señalesUna misma señal puede ser representada de 2 formas:
En el dominio del tiempo s(t) representación cartesianaEn el dominio de la frecuencia S(f) representación espectral
Ambas representaciones implican una misma realidad física.Todas las señales son funciones reales y, por tanto, las transiciones son continuas en el tiempo (aunque puedan ser muy rápidas).
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Representación de señales. Ejemplos
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Análisis de FourierCualquier señal está constituida por componentes sinusoidales de distintas frecuencias:
Señales periódicas (suma finita):s(t)=C0+C1sin(2πf1t+ϕ1)+ C2sin(2πf2t+ϕ2)+...+ Cnsin(2πfnt+ϕn)
Señales no periódicas (suma infinita):S(f)=∫s(t)e-j2 π ftdt S(f)=∫s(t)ej2π ftdt
Cuantos más sumandos se consideren, más se parecerá la señal s(t) a la señal que queremos representar.
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Análisis de Fourier. Ejemplo
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Espectro y ancho de bandaEspectro de frecuencias (frecuency spectrum)
Conjunto de frecuencias que constituyen una determinada señalAncho de banda absoluto
Anchura del espectro de frecuencias completoSe mide en Hz (hercios) o s-1
Ancho de banda relativoAnchura del espectro de frecuencias donde se concentra la mayor parte de la energía de la señalSe mide en Hz (hercios) o s-1
Ancho de banda absoluto
Ancho de banda relativo
Frecuencia (Hz)
Amplitud (V)
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Ancho de banda y canalSe puede hacer una representación espectral de la señal a transmitir y del canal por donde se va a transmitirSi ambos espectros coinciden, la señal se puede transmitir tal cual por ese canal, si no coinciden, hay que transformar (modular) la señal antes de transmitirla
Canal telefónico
Hz
Hz
300 3400
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Relación entre Vt y AB del canalSupongamos la señalcorrespondiente a la secuencia1010101...Su desarrollo en serie de Fourier es:
s(t)= A x 4 x Σ sen(2πkf1t)
Limitando el ancho de banda a las 4 primeras componentes:
-A
A
0
Ampli
tud de
la se
ñal
periodo=T=1/f1
Tiempo
K=1 K impar
∞
π k
(4/π) [sen(2πf1t)+(1/3)sen(2 π(3f1)t)+ (1/5)sen(2 π(5f1)t) + (1/7)sen(2 π(7f1)t)]
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Relación entre Vt y AB del canal (II)Vt para el caso de esa señal cuadrada: Vt = 2/T = 2 f1 bpsSi f1 = 1 MHz:
necesitamos AB = 6 MHz en el canalVt = 2 Mbps
Si f1 = 2 MHz:necesitamos un AB = 12 MHz en el canalVt sería de 4 Mbps AB efectivo
4 componentes espectrales(f1=1MHz)
Frecuencia (MHz)
Amplitud (V)
1 3 5 7 9 11 13
AB efectivo4 componentes espectrales
(f1=2MHz)
Frecuencia (MHz)
Amplitud (V)
2 226 2610 1814
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Relación entre Vt y AB del canal (III)Suponemos que ABcanal = 12MHz, podemos (a) o (b):
(a) Mantener la velocidad de transmisión:Se mantiene la frecuencia de la señal (f1)Por el canal cabrían 7 armónicos en vez de 4Misma velocidad y mayor ancho de banda mayor calidad de la señal
(b) mantener la calidad de la señal:Se mantiene el nº de ármonicos Se aumenta la frecuencia de la señal (f1)Misma calidad y mayor ancho de banda mayor Vt
Cuanto mayor es el ABcanal, mayor puede ser la Vt de la señal
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Relación entre Vt y AB del canal (IV)
Ancho de banda 4000 Hz
Ancho de banda 2500 Hz
Ancho de banda 1700 Hz
Ancho de banda 1300 Hz
Ancho de banda 900 Hz
Ancho de banda 500 Hz
Pulsos después de la transmisión:
Pulsos antes de ser transmitidos:Razón de bits: 2000 bps
Bits: 0 1 0 0 0 0 1 0 0
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Relación Vs - AB y Vs - VtSe ha demostrado que:
Vs = N x AB [baudios]donde N es una constante que puede variar entre: (peor caso) 1 ≤ N ≤ 2 (mejor caso)AB es el ancho de banda del canalEn el caso ideal Vs = 2 x ABComo regla práctica Vs = AB
Si al codificar la información en una señal analógica 1 símbolo representa a n bits, podemos decir que:
Vt = n x Vs [bps]
Vs está limitada por el AB del canal, pero no la VtVt está limitada por el ruido del canal (Shannon)
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Perturbaciones en la transmisiónLas señales son alteradas durante la transmisión.Estas alteraciones provocan:
Degradación de calidad en señales analógicas.Errores en señales digitales.
Las perturbaciones más significativas son:AtenuaciónDistorsión de retardoDesvanecimiento o fadingRebotes en los cables o ecosRuidos:
Diafonía TérmicoDe intermodulaciónImpulsivo
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Unidad de medida de potenciaDecibelio: unidad logarítmica que expresa la relación entre dos magnitudes (medida relativa):dB’s = 10 log P1/P2
Se justifica:Debido a que la energía decae de forma logarítmicaLas ganancias y pérdidas se pueden calcular con sumas y restas
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AtenuaciónPérdida de potencia de la señal a medida que se propaga por el medio, causada por las características físicas del medio.
Medios guiados: pérdida de energía logarítmica (dB/Km).Medios no guiados: función de las condiciones atmosféricas.Se utilizan amplificadores o repetidores, de modo que:
La señal tenga suficiente potencia para que el receptor la detecte e interprete adecuadamente.La señal conserve un nivel suficientemente mayor que el ruido para ser recibida sin error.
No todas las componentes espectrales se atenúan igual pero, en general, existe una frecuencia de corte a partir de la cual:
Las frecuencias inferiores no presentan distorsión lineal de amplitud ni faseLas frecuencias superiores se atenúan muy rápidamente
AdB=PRx10 logPTx
AdB=ARx20 logATx
AdB < 0 si se atenúaAdB > 0 si se amplifica
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Distorsión de retardoPropia de los medios guiadosSe debe a que la velocidad de propagación no es la misma para todas las frecuencias algunos armónicos llegan retrasados respecto a otrosProvoca interferencia entre símbolosDepende del medio y de la anchura de los pulsos
Cuanto más pequeños sean los pulsos, se consigue más velocidad de transmisión, pero el efecto de la distorsión puede ser más grave
Se soluciona con técnicas de ecualización
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Desvanecimiento o fadingPropio de las transmisiones por radioSe refiere a la disminución del cociente señal/ruido
Generalmente se restablece en el Rxor con un control automático de ganancia, a menos que la relación sea tan pequeña que no se pueda restablecer la señalEs causada por condiciones atmosféricas
SNRdB=Potenciaseñal10 logPotenciaruido
SNRdB=Amplitudseñal20 logAmplitudruido
= 10 log SN
SNR = Signal-to-Noise Ratio
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Rebotes en los cables o ecosSe produce cuando en un circuito se produce un cambio en las características eléctricas de los conductores y parte de la ondatransmitida se refleja, interfiriendo con la señal que viene en sentido contrario o incluso con ella misma después de varias reflexiones
Solución: supresores de eco, que adaptan la impedancia del cablepara que absorba la energía (resistencias conectadas a extremos del cable)
Txor Rxor
1er eco 2º eco
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Ruido térmicoDepende de la temperaturaProducido por el movimiento de los electrones en la línea de transmisiónDistribución uniforme en frecuencia (ruido blanco)No se puede eliminar:
Limita las prestacionesEs responsable de errores de bits aislados
Su potencia es proporcional a la temperaturaDensidad de potencia de ruido:N0 = kT w/Hz– K: Constante de Boltzmann = 1,3803 10-23 Julios/ºk– T: Temperatura en grados kelvinPor tanto, el ruido térmico presente en un ancho de banda B Hz:
N (w) = kTBN (dbw) = 10 log k + 10 log T + 10 log B = -228,6 dbw + 10 log T + 10 log B
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Otros ruidosDiafonía: acoplamiento eléctrico no deseado entre señales en un medio detransmisión, debido a la inducción electromagnética.
Ruido de intermodulación: producido cuando se envía por el medio más de una señal y hay componentes espectrales coincidentes entre ellas.
Depende de la distancia en frecuencia de las señalesSuele deberse al mal funcionamiento de los sistemas de transmisión
Ruido impulsivo: pulsos o picos irregulares de corta duración y de amplitud relativamente grande.
De comportamiento aleatorioOriginado por perturbaciones electromagnéticas, tormentas atmosféricas, fallos o defectos en los sistemas de comunicación.No se puede evitarSuele generar ráfagas de bits erróneos, mayores cuanto mayor Vt
f
A
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Capacidad de un canal sin ruidosNyquist demostró que se puede reconstruir una señal de ancho de banda W Hz, filtrando con paso bajo de frecuencia de corte W Hz y muestreando a 2W.Para 2 niveles de tensión: C = 2W [bps]Si en vez de señal binaria tenemos una serie de pulsos con M niveles posibles, entonces se considera la capacidad como la máxima cantidad de información que se puede transmitir por el canal de ancho de banda W:
Ejemplo: canal telefónico (3.100 Hz)Usando símbolos de 2 niveles: C = 2 x 3.100 = 6.200 bpsUsando símbolos de 8 niveles: C = 2 x 3.100 x log2 8 = 18.600 bps
Por tanto, aumentando el número de niveles, podemos aumentar indefinidamente la capacidad de un canal, siempre que no haya ruido
Nota: loga b = (log b)/(log a)
C = 2Wlog2 M [bps]
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SNRIndica la razón de la potencia de la señal (Signal) respecto a la potencia de la señal de ruido (Noise)La relación S/N debe permanecer a un determinado nivel para mantener la señal de datos separada de la señal de ruidoAl amplificar la señal, también se amplifica el ruido, por lo que la elección de la distancia entre los amplificadores es una decisión importanteCuanto mayor S/N, mejor es el canalSNRdB = 10log S/N
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Capacidad de un canal con ruidosLa cantidad de ruido se mide por la relación S/N.Shannon y Hartley demostraron que la capacidad de un canal con ruidos venía dada por:
donde S y N son la potencia en watiosEjemplo: canal telefónico con SNR de 30 dB:30dB = 10 log S/N log S/N = 3 103 = S/NC= 3.100 log2(1+1.000)= 30,898 kbps
C = Wlog2 (1+S/N) [bps]
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Capacidad de una canal con ruidos (II)Teorema de Shannon: si la velocidad de transmisión de un canal es menor que C, es posible encontrar un código de señal adecuadopara una transmisión con una probabilidad de error tan pequeña como se quiera.
El teorema anterior sólo considera ruido blanco, no considera elruido impulsivo, la atenuación ni la distorsión de retardo, por lo que en la práctica se consiguen razones mucho menores.
Una medida de la eficiencia de una transmisión digital es el parámetro C/W [bps/Hz]
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Medios de transmisión
Medios físicos
Guiados
No Guiados
Par trenzado
Coaxial
Fibra óptica
Radio
Microondas
Satélite
Infrarrojo
Guiados: existe un soporte material que guía la señal (cable)No guiados: no existe tal soporteEn ambos casos se transmiten ondas electromagnéticasElección del medio:
Coste de los equiposDistancia a cubrirVelocidad o AB requerido
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Espectro electromagnético para las telecomunicaciones
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Características de transmisión de medios guiados
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Par trenzadoDos cables de cobre embutidos en un aislanteTrenzados para reducir interferencias (diafonía)Es el medio de transmisión más usadoSe agrupan para formar mangueras (4 pares para LAN)Se usa tanto para transmisión de señales analógicas como digitales.
Analógica – Amplificadores cada 5-6 kmCat5 y 5e: 100 MHzCat6: 200 MHzCat7: 475 MHz
Digital – Repetidores cada 2-3 kmCat5e y superiores: GbpsCat7: 10 Gbps
El AB depende del grosor del cable y de la distancia a cubrir
María del Carmen Romero Ternero [email protected] 41
Par trenzado (II)
+ ++ ++ ++ +120 ΩApantallado global o FTP (Foil shielded
Twister Pair)
+++ + ++100 ΩNo apantallado o UTP (Unshielded
Twisted Pair)
+ + ++ + +++ + +150 ΩApantallado o STP(Shielded Twisted
Pair)
Inmunidad a interferencias emCoste Facilidad
instalaciónRigidezImpedanciaTipo
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Aplicaciones de par trenzado (TIA/EIA)Categoría 3 Categoría 5e Categoría 6 Categoría 7
1.5 Mbps IBM 327025 Mbps Arcnet4.0 Mbps Token-Ring10 Mbps 10BaseT16 Mbps Token-Ring25 Mbps UNI ATM52 Mbps UNI ATM100BaseT4100 VG AnyLANBanda base para vozInterfaz BRI de RDSIInterfaz PRI de RDSIPortadoras T1/E1 (1.544 Mbps)RS-232DRS-422Banda base para vídeo
Idem Cat3 25 Mbps ATM52 Mbps ATM100BaseTX155 Mbps ATM622 Mbps ATM1000BaseT(4)
Idem Cat3 Idem Cat5e1000BaseTX1244 Mbps ATM
Idem Cat3Idem Cat5eIdem Cat62.5 Gbps ATM10 Gbps EthernetBanda base para vídeo y CATV
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CoaxialAlambre de cobre formado por núcleo y malla
Buena combinación de AB e inmunidad al ruidoSeñales analógicas: AB de hasta 400 MHz con amplificadores cada pocos kmsSeñales digitales: Vt de hasta 1-2Gbps con un repetidor cada km
Dos clases:Cable de 50 Ω para transmisión digital o coaxial de banda baseCable de 75 Ω para transmisión analógica o coaxial de banda ancha
Usos: TV, telefonía de larga distancia, LAN, conexión de periféricos a corta distancia...
María del Carmen Romero Ternero [email protected] 44
Estándares de coaxialSe dividen según sus clasificaciones de radio de gobierno (RG).Cada RG implica unas especificaciones físicas:
Grosor del cable del conductor internoGrosor y tipo de aislante interiorConstrucción del blindajeTamaño y tipo de cubierta exterior
Tipos más frecuentes:RG-8, RG-9, RG-11: Ethernet de cable gruesoRG-58: Ethernet de cable finoRG-59: TV
María del Carmen Romero Ternero [email protected] 45
Fibra ópticaFabricada de plástico o vidrioTransmite señales en forma de luzEs inmune al ruido electromagnéticoNo presenta problemas de puesta a tierraAnchura del espectro entre 25.000 y 30.000 GHzLa velocidad de datos y el uso del AB en cables de FO no están limitados por el medio, sino por la tecnología disponible de generación y recepción de la señalComponentes de un sistema de transmisión óptico:
Fuente de luz (LED, láser semiconductor)Medio de transmisiónDetector (fotodiodo)
María del Carmen Romero Ternero [email protected] 46
Fibra óptica. Tipos
Tipos (según modos de propagación):Multimodo: hay múltiples rayos de luz de la fuente que se mueven por el núcleo con modos diferentes.Monomodo: sólo permite que exista un modo. Se consigue reduciendo el diámetro de la fibra.
Índices de refracción diferentes
Reflexión totalAire
Sílice
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Fibra óptica. Tipos
María del Carmen Romero Ternero [email protected] 48
Fibra óptica. ConexionesEmpalme mecánico
Empalme pegado
Empalme fundido
Pérdidas del 10-20%
Pérdidas del 10%
Pérdidas mínimas
María del Carmen Romero Ternero [email protected] 49
Fibra óptica. AtenuaciónLa luz se atenúa en la fibra de distinta forma dependiendo de la longitud de onda de la luz.Hay tres bandas de λ para las comunicaciones:
María del Carmen Romero Ternero [email protected] 50
Fibra óptica. DispersiónEs el fenómeno por el cual la longitud de los pulsos de luz transmitidos por una fibra aumentan al propagarse.Su magnitud depende de la longitud de ondaHay que evitar que se mezclen:
Incrementando la distancia entre los pulsos (se disminuye la velocidad).Que los pulsos sean proporcionales a la inversa del coseno hiperbólico. Estos pulsos se llaman solitones.
María del Carmen Romero Ternero [email protected] 51
Cable de cobre vs. Fibra ópticaAB superiorRepetidor cada 30kmInmune a interferencias electromagnéticas y efectos corrosivos ambientalesMás flexible y ligera:
1000 pares trenzados de 1km de longitud: 8000Kg2 fibras tienen más capacidad y pesa 100Kg
Difícil de intervenir por escuchasEs unidireccional:
2 fibras2 bandas de frecuencia
AB menorRepetidor cada 5kmNo inmune a interferencias electromagnéticas ni a los efectos corrosivos ambientalesTecnologías más familiarInterfaces más baratasTecnología más barataMayor facilidad de instalación y mantenimientoEs menos frágil
María del Carmen Romero Ternero [email protected] 52
RadioLas señales de radio son omnidireccionales (no necesaria alineación)Un emisor y uno o varios receptoresBandas de frecuencia:
LF, MF, HF y VHF
Propiedades: Fáciles de generarPueden viajar largas distanciasAtraviesan paredes de edificios sin problemasSon absorbidas por la lluviaSujetas a interferencia por motores y otros equipos eléctricos
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Radio (II)Sus propiedades dependen de la frecuencia:
A bajas frecuencias cruzan bien los obstáculos, pero la potencia baja drásticamente con la distanciaA altas frecuencias tienden a viajar en línea recta y rebotar en obstáculosDependiendo de la frecuencia tienen 5 formas de propagarse: superficial, troposférica, ionosférica, línea de visión y espacial
Su alcance depende de:Potencia de emisiónSensibilidad en el receptorCondiciones atmosféricasRelieve del terreno
María del Carmen Romero Ternero [email protected] 54
Microondas terrestresFrecuencias muy altas: 1 -100 GHzLongitud de onda muy pequeña
Es absorbida por la lluviaNo atraviesa bien edificios
Ondas más direccionales que las de radioSe utilizan antenas parabólicasTxor y Rxor se tienen que “ver”
Cuanto más altas son las antenas, más distancia puede cubrir:Con torres a 100 m de altura, las repetidoras pueden estar espaciadas 80Km
Más barato que la FONo necesita derecho de paso
María del Carmen Romero Ternero [email protected] 55
Comunicación vía SatéliteTipo particular de transmisiones microondas en la que las estaciones son satélites que están orbitando la Tierra.Amplia cobertura.Rango de GHz.Para la comunicación se usan dos bandas de frecuencia:
Canal ascendente: desde Tierra a satéliteCanal descendente: desde satélite a Tierra
Los satélites utilizan transpondedoresUn transpondedor recibe una señal microondas desde la Tierra, la amplifica y la retransmite de regreso a una frecuencia diferente
Satélites geoestacionarios (36.000km)
María del Carmen Romero Ternero [email protected] 56
InfrarrojosTransmisores y receptores que modulan luz infrarroja no coherente (no tiene una frecuencia única de luz sino que posee cierto ancho en el espectro)Transmisor y receptor deben estar alineadosNo pueden atravesar paredesNo necesita permisos o licencias de usoEs de corto alcance
María del Carmen Romero Ternero [email protected] 57
Transmisión de datosHay que tener en cuenta:
Naturaleza de los datosDatos ANALÓGICOS: toma cualquier valor dentro de un intervaloDatos DIGITALES: toma sólo determinados valores posibles dentro de un intervalo
Propagación de la señal que lleva los datosSeñal ANALÓGICA: onda electromagnética que varía continuamenteSeñal DIGITAL: secuencia de pulsos de tensión discretos y discontinuos. Puede ser unipolar (1 nivel de tensión), polar (2 niveles de tensión) o bipolar (3 niveles de tensión)
En la Tx de datos hay 4 combinaciones posibles:Dato analógico – Señal analógicaDato digital – Señal analógicaDato analógico – Señal digitalDato digital – Señal digital
María del Carmen Romero Ternero [email protected] 58
Transmisión de datos (II)Dato analógico – Señal analógica
Si coincide el ancho de banda ambos, se envían los datos tal cual, si no, hay que modular los datos
Dato digital – Señal analógicaEn Txor se modula la señal analógica para que lleve los datos digitales y en Rxor se demodula (MODEM)
Dato analógico – Señal digitalEn Txor se codifican los datos analógicos en digitales y en Rxor se decodifican (CODEC)
Dato digital – Señal digitalSi se dispone de dos niveles de tensión, se envían los datos directamente. Si se dispone de más niveles se convierten antes de enviar.
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CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales digitalesEl Transmisor debe conocer:
El tiempo empleado en enviar un bit: si la tasa de bits es de X bps, la duración de un bit es 1/X segundosLa velocidad de modulación (depende del esquema de codificación elegido)
El Receptor debe conocer:La duración de cada bitComienzo y fin de cada bitNiveles de tensión utilizados para representar cada bit
Tipos de codificación:Unipolar NRZ, Polar NRZ, Unipolar RZ, Bipolar RZ, Manchester NRZ
María del Carmen Romero Ternero [email protected] 60
Formatos de codificación digital
Polar NRZ
Unipolar NRZ(Not Return to Zero)
Cinta perforada
Unipolar RZ
Bipolar RZ
Manchester NRZ
1 ≡ nivel alto (A voltios)0 ≡ nivel bajo (cero voltios)
1 ≡ nivel alto (A voltios)0 ≡ nivel bajo (-A voltios)
1 ≡ transición al principio y mitad del bit0 ≡ no hay transición (0 voltios)
1 ≡ niveles alternantes A, -A voltios0 ≡ no hay transición (0 voltios)
0 ≡ transición alto-bajo en mitad del bit1 ≡ transición bajo-alto en mitad del bit(de acuerdo con IEEE 802.3)
Tiempo de 1 bit Tiempo de 1 elemento de señalización = ½ Tiempo de 1 bit
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CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales analógicasUna señal analógica se basa en la transmisión de una señal continua (señal portadora) con una frecuencia centrada en una zona compatible con el medio de transmisión y de tipo Acos(2πfct+φ)Los datos digitales se transmiten modulando la señal portadora.Modulación: Variación de cierto parámetro de una señal en función de otra.
Señal portadoraSeñal moduladoraSeñal modulada
Tipos de modulación (tasa de bits = tasa de baudios)ASK: modulación de amplitudFSK: modulación de frecuenciaPSK: modulación de fase
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CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales analógicasASK: modulación o desplazamiento en amplitud
A1cos(2Πfct + ϕ) ≡ 1 binarioA2cos(2Πfct + ϕ) ≡ 0 binario
s(t)= ABASK= (1+r)·Vs
Vs = velocidad en símbolos o tasa de baudiosr = factor filtrado línea (0 ≤ r ≤ 1)
Amplitud
fc
Ancho de banda mínimo = Vs
fc – Vs/2 fc + Vs/2
Frecuencia
A1
A2
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CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales analógicasFSK: modulación o desplazamiento en frecuencia
Acos(2Πfc1t + ϕ) ≡ 1 binarioAcos(2Πfc0t + ϕ) ≡ 0 binario
s(t)=
ABFSK= (fc1- fc0) + (1+r)Vs
fc1= frecuencia de la portadora para el 1 binariofc0 = frecuencia de la portadora para el 0 binario
Típicamente, fc1 y fc0 corresponden a desplazamientos de igual magnitud pero en sentidos opuestos de la portadora
Vs = velocidad en símbolos o tasa de baudiosr = factor filtrado línea (0≤r≤1)
ABFSK = (fc1- fc0) + (1+r)VsVs/2 Vs/2
Amplitud
Frecuencia
fc1- fc0
fc0 fc1
Más resistente a los ruidos que ASK
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CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales analógicasPSK: modulación o desplazamiento en fase
Acos(2Πfct + Π) ≡ 1 binarioAcos(2Πfct) ≡ 0 binario
s(t)=
ABPSK= (1+r)·Vs Vs = velocidad en símbolos o tasa de baudiosr = factor filtrado línea (0≤r≤ 1)
Amplitud
fc
Ancho de banda mínimo = Vs
fc – Vs/2 fc + Vs/2
Frecuencia
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CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales analógicasOtras modulaciones (tasa baudios < tasa bits):
Modulación MPSK (modulación en múltiples fases):(BPSK Si Vs=2400 baudios (n=1), Vbps=2400 bps)QPSK Si Vs=2400 baudios (n=2), Vbps=4800 bps8PSK Si Vs=2400 baudios (n=3), Vbps=7200 bps16PSK Si Vs=2400 baudios (n=4), Vbps=9600 bps
...
Recuerde que la relación entre la tasa de baudios y la tasa en bps venía dada por:
Vbps= n·Vs
Ancho de banda para modulaciones multinivel: AB = Vs·(1+r)/n
Vs = velocidad en símbolos o tasa de baudiosr = factor filtrado línea (0≤r≤ 1)n= nº de bits por cada símbolo
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Constelaciones PSK
PSK, BSK o 2PSK
QPSK o4PSK
8PSK
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CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales analógicas
Otras modulaciones (cont.)Modulación QAM (modulación en fase y amplitud):
4QAM (4 fases y una amplitud)8QAM (4 fases y dos amplitudes) 16QAM (hay varios tipos: 3 amplitudes y 12 fases, 4 amplitudes y 8 fases, 2 amplitudes y 8 fases)32QAM64QAM ... 8QAM
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CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales analógicas
Tasa de baudios – Tasa de bits
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CODIFICACIÓN DE DATOS Datos analógicos usando Señales digitales
Teorema del muestreo:“Si se muestrea s(t) a intervalos regulares de tiempo, con una frecuencia mayor del doble de la frecuencia significativa más alta de s(t) (fmax), entonces las muestras obtenidas contienen toda la información de la señal original”. fs≥ 2fmax Ts≤ 1/2fmax
Tipos de “Modulación”:Modulación PCM: Modulación por codificación de impulsos
Usa PAM (Modulación por amplitud de pulsos)Modulación Delta
La señal analógica se aproxima mediante una función escalera que en cada intervalo de muestreo sube o baja un nivel de cuantización
Datos analógicos MUESTREO CUANTIFICACIÓN CODIFICACIÓN Señal digital
Proceso de digitalización
“Modulación”CODEC
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Datos analógicos usando Señales digitalesModulación PCM
(8 bits en signo-magnitud)
- Muestreo natural- Muestreo plano
PCM
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Datos analógicos usando Señales digitalesModulación PCMEjemplo:
Los datos de voz se limitan a frecuencias < 4000 Hz para caracterizar una señal de voz se requieren 8000 muestras/segPara convertir muestras PAM a digital, se les debe asignar un código digital a cada una de ellasSi se usan 256 niveles diferentes se requieren 8 bits por muestra8000 muestras/seg x 8 bits/muestra = 64 Kbps se necesita para una señal de voz
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Datos analógicos usando Señales digitalesModulación Delta
Por cada intervalo de muestreo, la señal analógica de entrada se compara con el valor más reciente de la función escalera:
si el valor > función escalera, se genera un 1si el valor ≤ función escalera, se genera un 0
δ, Ruido de cuantización(variaciones lentas de la señal)δ, Ruido de sobrecarga en la
pendiente (variaciones rápidas de la señal)
Más sencillo de implementar y mejor SNR para una misma Vt que PCM
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CODIFICACIÓN DE DATOS Datos analógicos usando Señales analógicas
La modulación consiste en variar la amplitud, frecuencia o fase de la portadora en función de f(t) :
Modulación en amplitud:AM (Modulación en Amplitud) ABAM= 2·B
Modulación angular:FM (Modulación en frecuencia) ABFM= 10·B
PM (Modulación en fase) ABAM= 10·B
B = ancho de banda de la señal original
Datos analógicos f(t) MODULADOR g(t) Señal analógica
Señal portadoracos 2πfct
Señal moduladora Señal modulada
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Datos analógicos usando Señales analógicasSeñal Portadora, Moduladora y Modulada
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CODIFICACIÓN DE DATOS Datos analógicos usando Señales analógicas
AM
BWm =Ancho de banda de la moduladora (audio)BWt = Ancho de banda total (radio)fc = frecuencia de la portadora
BWm =Ancho de banda de la moduladora (audio)BWt = Ancho de banda total (radio)fc = frecuencia de la portadora FM y PM
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Multiplexión o multiplexaciónEs el conjunto de técnicas que permite la transmisión simultánea de múltiples señales (canales) a través de un único enlace de datosEn toda transmisión multiplexada se tiene un multiplexor (en Txor) y un demultiplexor (en Rxor)
Hay tres técnicas de multiplexión:FDM (Multiplexión por División en Frecuencias)WDM (Multiplexión por División de Onda)TDM (Multiplexión por División en el Tiempo)
MULT
IPLE
XOR
DEMU
LTIP
LEXO
R
1 camino3 canales
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Multiplexión. FDMMultiplexión por División en FrecuenciasGeneralmente para señales analógicasSe puede aplicar cuando el AB de un enlace es mayor que los anchos de banda combinados de la señal a transmitirSe usan distintas frecuencias portadoras para transmitir (que no deben interferir con las frecuencias de los datos originales)Se usan bandas de seguridad
Frecuencia (Hz)Ancho de banda del enlace de transmisión
Canal 1 Canal 2 Canal 3 Canal 4 Canal 5
Bandas de seguridad
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Multiplexión. FDM. Dominio temporal y espectral
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Multiplexión. WDMMultiplexión por División de OndaConceptualmente igual que FDM, pero la multiplexación y demultiplexación involucran señales luminosas a través de fibra óptica (bandas de longitudes de ondas)
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Multiplexión. TDMMultiplexión por División en el TiempoGeneralmente para señales digitalesSe puede aplicar cuando la capacidad de tasa de datos de la transmisión es mayor que la tasa de datos necesaria requerida por los dispositivos transmisores y receptoresSe divide el enlace en el tiempo y no en frecuencia
Tipos:Síncrona: el multiplexor siempre asigna exactamente la misma ranura de tiempo para cada dispositivo, independientemente de que los dispositivos tengan o no que transmitir.Asíncrona o estadística: el multiplexor usa reserva dinámica bajo demanda de las ranuras. Con un enlace de igual velocidad, esta multiplexión puede dar más servicios que la síncrona.
...Tiempo (s)
Canal 1 Canal 2 Canal 3 Canal 1 Canal 2 Canal 3 ...
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Multiplexión. TDM. TiposTDM Síncrona TDM Asíncrona
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Interfaz RS-232Nombres oficiales: ANSI/TIA-232F o ITU-T V.24Se compone de varias especificaciones:
mecánica: ISO 2110eléctrica: V.28funcional y procedural: V.24
Describe las características mecánicas, eléctricas, funcionales y procedimentales que permiten el intercambio de información binaria entre un DTE y un DCE, con transmisión serieModos half-duplex y full-duplexPermite transmisión síncrona y asíncrona
ComputadoraConector DB25 macho
Conector DB25 hembra
Cabledel interfaz
Línea de teléfono
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DTE y DCEDTE (Data Terminal Equipment)
Emisor o receptor de datos.Terminales, computadores, fax...
DCE (Data terminal Circuits Equipment)Equipo que transforma la información para ser enviada por la línea.Módem
Fuente o colector de datos
Controlador decomunicaciones
Fuente o colector de datos
Controlador decomunicacionesDCE DCE
Línea de transmisión
Circuitos de datos
Enlace de datos
DTE DTE
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INTERFAZ RS-232Características mecánicasEspecifica el conector a utilizarConector DB-25 (síncrona y asíncrona) y conector DB-9 (asíncrona)
1 pulgada = 23 mm
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INTERFAZ RS-232Características eléctricasEl estándar define:
Velocidad máxima: 20 kbps (típicas:300, 1200, 2400, 4800, 9600 y 19200 bps)Distancia máxima: 15 mcódigo NRZ-LTransmisión no balanceada
Referencias a 0VLimitación de corriente a 0.5 ACapacidad máxima 2500 pF
1 lógico = [-3,-15] voltios0 lógico = [15,3] voltios
“0”
“1”
+15
-15
+5
-5
Tx
“0”
“1”
+25
-25
+3-3
Rx
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INTERFAZ RS-232Características funcionalesSe describen las funciones de cada uno de los circuitos de intercambio, así como la posición de esos circuitos en el conector (pin)Líneas de datos
TxD y RxDLíneas de control de flujo
Request to send (RTS)Clear to send (CTS)Data Carrier Detected (CD ó DCD)
Líneas de establecimiento de conexiónData Terminal Ready (DTR)Data Set Ready (DSR)Ring Indicator (RI)
Líneas de referenciaMasa (GND)Masa de protección (SGH)
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INTERFAZ RS-232Características funcionales. Conector DB15 (DTE)
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INTERFAZ RS-232Características procedimentalesEspecifican la secuencia de eventos que se debe producir en la transmisión de datos, basándose en las características funcionales del interfaz. Ejemplo de llamada:
[Fuente: Stallings]
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BibliografíaBehrouz A. Forouzan, “Transmisión de datos y redes de comunicaciones”, 2ª edición, McGrawHill, 2002.William Stallings, “Comunicaciones y Redes de Computadores”, 6ªedición, Prentice Hall, 2000.James Truvole, “LAN wiring”, 2ª edición, MacGrawHill, 2000.Andrew S. Tanenbaum, “Redes de Computadoras”, 3a edición,Prentice Hall, 1997.ANSI/TIA-232-F (R2002), “Interface Between Data Terminal Equipment and Data Circuit-Terminating Equipment Employing Serial Binary Data Interchange”, 1997.