Curso 2004/2005 ARC1
Tema 3 Transmisión de datos
María del Carmen Romero Ternero mcromero@dte.us.es Despacho G1.47 – 1ª planta L3 http://www.dte.us.es/personal/mcromero
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Índice
Introducción Conceptos básicos y terminología
Definiciones Clasificación de las transmisiones Representación de señales
Perturbaciones en la transmisión Medios de transmisión Transmisión de datos Multiplexación Interfaz RS-232
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Introducción
La energía para transmitir datos puede ser eléctrica, ondas de radio, luminosa, etc
Transmisor necesita:
Cada tipo tendrá sus propiedades y requisitos de transmisión Podrá utilizar diferentes medios físicos de transmisión (cobre, aire, vidrio...) Hardware especial para transformar datos en energía Una conexión hardware con el medio de transmisión utilizado
Receptor necesita:
Hardware especial para transformar energía en datos Una conexión hardware con el medio de transmisión utilizado
DATOS
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Transmisor
Medios de Tx
Receptor
DATOS
3
Conceptos básicos y terminología
Canal: 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 analógica Digital: información suministrada al transmisor es digital El tipo de canal lo imponen los equipos, no el medio
Circuito: canal en cada sentido de transmisión Enlace: 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 repetidores Configuración o enlace punto a punto: enlace directo entre dos dispositivos que comparten un medio de transmisión Configuración multipunto: el medio es compartido por más de 2 dispositivos
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Conceptos básicos y terminología
Símbolo o elemento de señalización:
Aquella parte de la señal que ocupa el intervalo más corto correspondiente a un código de señalización.
Velocidad en símbolos (Vs) o velocidad de modulación (Vm):
Digital: un pulso de tensión de amplitud constante Analógico: un pulso de frecuencia, fase y amplitud constantes
Es el número máximo de símbolos que se pueden transmitir en un segundo. Se calcula como: nº símbolos/1seg Se 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/periodo Se mide en bps (bit/s). Se asocia al circuito de datos.
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Conceptos básicos y terminología Unidades de medida 103
Kilobits (Kb)
106
Megabits (Mb) 1.000.000 bits
109
Gibabits (Gb)
1.000.000.000 bits
1012
Terabits (Tb)
1.000.000.000.000 bits
1015
Petabits (Pb)
1.000.000.000.000.000 bits
1018
Exabits (Eb)
1.000.000.000.000.000.000 bits
1021
Zettabits (Zb)
1.000.000.000.000.000.000.000 bits
1024
Yottabits (Yb)
1.000.000.000.000.000.000.000.000 bits
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1.000 bits
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Clasificación de las transmisiones
Según el sentido de la transmisión:
Símplex (simple) A
Half-duplex (semi-dúplex) A
B
B
Full-duplex (dúplex) A
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B
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Clasificación de las transmisiones (II) Bus Paralela E/S paralela Asíncrona (2 relojes)
Txor
Rxor
Heterosincronizada (2 líneas: datos y reloj)
Tipos de comunicaciones
Txor
Serie Síncrona (1 solo reloj)
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Rxor
Autosincronizada (1 línea: datos+reloj) Txor
Orientada al carácter
Orientada al bit Orientada al carácter
Rxor
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Transmisión paralela
Todos los bits de un dato se transmiten a la vez Son necesarias tantas líneas como nº de bits contenga el dato a Tx Tipos:
Bus
Líneas de direcciones, datos, control y alimentación Reglas estrictas de comunicaciones Elementos muy acoplados (CPU y memoria) Distancias muy pequeñas (típicamente <1m) Ejemplo: bus de datos entre CPU y memoria
E/S paralela
Menor número de líneas Menor dependencia entre elementos Cable plano o manguera multiconductora Ejemplo: impresora
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Transmisión serie
Se transmiten los bits secuencialmente
Problema: cómo reconoce el receptor que tiene un bit válido para leer Ö es necesario conocer el reloj con el que se generó la secuencia de bits Tipos:
Asíncrona Síncrona
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Transmisión serie asíncrona
Sólo se transmiten los datos; Txor y Rxor tienen su propio reloj La señal permanece a 1 mientras no se transmite Se 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 síncrona
La señal de reloj debe transmitirse:
Txor
Rxor
En una línea separada (heterosincronizada) Codificando dicha señal con los datos que se Tx (autosincronizada)
Txor
Rxor
Los datos se delimitan por una serie de caracteres o bits Puede ser:
Orientada al carácter: se trata el bloque de datos como una secuencia de caracteres (8 bits) carácter
Emisor
...
...
...
Receptor
Orientada al bit: se trata el bloque de datos como una secuencia de bits (flag de inicio de bloque-datos-flag fin de bloque) Flag inicio bloque Flag fin bloque
Emisor
...
... Datos
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Flag inicio bloque Flag fin bloque
...
Receptor
Datos 12
Transmisión serie vs. paralela
Ventajas de la transmisión serie:
Número de líneas bastante menor Menor coste, sobre todo cuando aumentan las distancias
Ventajas de la transmisión paralela:
Mayor velocidad Mayor simplicidad
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Representación de señales
Una misma señal puede ser representada de 2 formas:
En el dominio del tiempo s(t) Ö representación cartesiana En el dominio de la frecuencia S(f) Ö 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 Fourier
Cualquier 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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16
AnĂĄlisis de Fourier. Ejemplo
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Espectro y ancho de banda
Espectro de frecuencias (frecuency spectrum)
Ancho de banda absoluto
Conjunto de frecuencias que constituyen una determinada señal Anchura del espectro de frecuencias completo Se mide en Hz (hercios) o s-1
Ancho de banda relativo
Anchura del espectro de frecuencias donde se concentra la mayor parte de la energía de la señal Amplitud (V) -1 Se mide en Hz (hercios) o s
Ancho de banda absoluto
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Frecuencia (Hz)
Ancho de banda relativo 18
Ancho de banda y canal
Se puede hacer una representación espectral de la señal a transmitir y del canal por donde se va a transmitir Si 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
300
3400
Hz
Hz María del Carmen Romero Ternero mcromero@dte.us.es
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Relación entre Vt y AB del canal
Supongamos la señal correspondiente a la secuencia 1010101... Su desarrollo en serie de Fourier es:
Σ
K=1 K impar
0
Tiempo
-A
∞
s(t)= A x 4 x π
A Amplitud de la señal
periodo=T=1/f1
sen(2πkf1t) k
Limitando el ancho de banda a las 4 primeras componentes:
(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)] María del Carmen Romero Ternero mcromero@dte.us.es
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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 bps Si f1 = 1 MHz: Amplitud (V)
Æ necesitamos AB = 6 MHz en el canal
Æ Vt = 2 Mbps
Si f1 = 2 MHz:
1
Æ necesitamos un AB = 12 MHz en el canal
Æ Vt sería de 4 Mbps
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6
5
7
9 11 13
Frecuencia (MHz)
AB efectivo 4 componentes espectrales (f1=1MHz)
Amplitud (V)
2
3
10
14
AB efectivo 4 componentes espectrales (f1=2MHz)
18
22
26
Frecuencia (MHz)
21
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 4 Misma velocidad y mayor ancho de banda Æ 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 Æ mayor Vt
Cuanto mayor es el ABcanal, mayor puede ser la Vt de la señal María del Carmen Romero Ternero mcromero@dte.us.es
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Relación entre Vt y AB del canal (IV) Bits: 0 1 0 0 0 0 1 0 0 Pulsos antes de ser transmitidos: Razón de bits: 2000 bps Pulsos después de la transmisión: Ancho de banda 500 Hz
Ancho de banda 900 Hz
Ancho de banda 1300 Hz
Ancho de banda 1700 Hz
Ancho de banda 2500 Hz
Ancho de banda 4000 Hz María del Carmen Romero Ternero mcromero@dte.us.es
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Relación Vs - AB y Vs - Vt
Se ha demostrado que:
Vs = N x AB [baudios]
Si al codificar la información en una señal analógica 1 símbolo representa a n bits, podemos decir que:
donde N es una constante que puede variar entre: (peor caso) 1 ≤ N ≤ 2 (mejor caso) AB es el ancho de banda del canal En el caso ideal Vs = 2 x AB Como regla práctica Vs = AB
Vt = n x Vs [bps]
Vs está limitada por el AB del canal, pero no la Vt Vt está limitada por el ruido del canal (Shannon)
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Perturbaciones en la transmisión
Las señales son alteradas durante la transmisión. Estas alteraciones provocan:
Degradación de calidad en señales analógicas. Errores en señales digitales.
Las perturbaciones más significativas son:
Atenuación Distorsión de retardo Desvanecimiento o fading Rebotes en los cables o ecos Ruidos:
Diafonía Térmico De intermodulación Impulsivo
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Unidad de medida de potencia
Decibelio: 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 logarítmica Las ganancias y pérdidas se pueden calcular con sumas y restas
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Atenuación
Pérdida de potencia de la señal a medida que se propaga por el medio, causada por las características físicas del medio. AdB= 10 log
PTx
AdB= 20 log
ARx ATx
AdB < 0 si se atenúa AdB > 0 si se amplifica
Medios guiados: pérdida de energía logarítmica (dB/Km). Medios no guiados: función de las condiciones atmosféricas. Se utilizan amplificadores o repetidores, de modo que:
PRx
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 fase Las frecuencias superiores se atenúan muy rápidamente
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Distorsión de retardo
Propia de los medios guiados Se debe a que la velocidad de propagación no es la misma para todas las frecuencias Æ algunos armónicos llegan retrasados respecto a otros Provoca interferencia entre símbolos Depende 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 fading
Propio de las transmisiones por radio Se refiere a la disminución del cociente señal/ruido SNRdB= 10 log
Potenciaseñal Potenciaruido
= 10 log
S N
SNRdB= 20 log
Amplitudseñal Amplitudruido
SNR = Signal-to-Noise Ratio
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 señal Es causada por condiciones atmosféricas
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Rebotes en los cables o ecos
Se produce cuando en un circuito se produce un cambio en las características eléctricas de los conductores y parte de la onda transmitida 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 cable para que absorba la energía (resistencias conectadas a extremos del cable) 1er eco
Txor
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2º eco
Rxor
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Ruido térmico
Depende de la temperatura Producido por el movimiento de los electrones en la línea de transmisión Distribución uniforme en frecuencia (ruido blanco) No se puede eliminar:
Limita las prestaciones Es responsable de errores de bits aislados
Su potencia es proporcional a la temperatura Densidad de potencia de ruido: N0 = kT w/Hz – K: Constante de Boltzmann = 1,3803 10-23 Julios/ºk – T: Temperatura en grados kelvin Por tanto, el ruido térmico presente en un ancho de banda B Hz: N (w) = kTB N (dbw) = 10 log k + 10 log T + 10 log B = -228,6 dbw + 10 log T + 10 log B
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Otros ruidos
Diafonía: acoplamiento eléctrico no deseado entre señales en un medio de transmisión, 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. A
Depende de la distancia en frecuencia de las señales Suele deberse al mal funcionamiento de los sistemas de transmisión
f
Ruido impulsivo: pulsos o picos irregulares de corta duración y de amplitud relativamente grande.
De comportamiento aleatorio Originado por perturbaciones electromagnéticas, tormentas atmosféricas, fallos o defectos en los sistemas de comunicación. No se puede evitar Suele generar ráfagas de bits erróneos, mayores cuanto mayor Vt
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Capacidad de un canal sin ruidos
Nyquist 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: C = 2Wlog2 M [bps]
Ejemplo: canal telefónico (3.100 Hz)
Usando símbolos de 2 niveles: C = 2 x 3.100 = 6.200 bps Usando 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
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Nota: loga b = (log b)/(log a)
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SNR
Indica 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 ruido Al amplificar la señal, también se amplifica el ruido, por lo que la elección de la distancia entre los amplificadores es una decisión importante Cuanto mayor S/N, mejor es el canal SNRdB = 10log S/N
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Capacidad de un canal con ruidos
La 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: C = Wlog2 (1+S/N) [bps]
donde S y N son la potencia en watios
Ejemplo: canal telefónico con SNR de 30 dB: 30dB = 10 log S/N Æ log S/N = 3 Æ 103 = S/N C= 3.100 log2(1+1.000)= 30,898 kbps
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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 adecuado para una transmisión con una probabilidad de error tan pequeña como se quiera. El teorema anterior sólo considera ruido blanco, no considera el ruido 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 Par trenzado Guiados
Coaxial Fibra óptica
Medios físicos
Radio No Guiados
Microondas Satélite Infrarrojo
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Guiados: existe un soporte material que guía la señal (cable) No guiados: no existe tal soporte En ambos casos se transmiten ondas electromagnéticas Elección del medio:
Coste de los equipos Distancia a cubrir Velocidad o AB requerido
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Espectro electromagnĂŠtico para las telecomunicaciones
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Características de transmisión de medios guiados
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Par trenzado
Dos cables de cobre embutidos en un aislante Trenzados para reducir interferencias (diafonía) Es el medio de transmisión más usado Se agrupan para formar mangueras (4 pares para LAN) Se usa tanto para transmisión de señales analógicas como digitales.
Analógica – Amplificadores cada 5-6 km
Digital – Repetidores cada 2-3 km
Cat5 y 5e: 100 MHz Cat6: 200 MHz Cat7: 475 MHz Cat5e y superiores: Gbps Cat7: 10 Gbps
El AB depende del grosor del cable y de la distancia a cubrir
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Par trenzado (II) Tipo
Impedancia
Rigidez
Facilidad instalación
Coste
Inmunidad a interferencias em
Apantallado o STP (Shielded Twisted Pair)
150 Ω
+++
+
+++
+++
No apantallado o UTP (Unshielded Twisted Pair)
100 Ω
+
+++
+
+
Apantallado global o FTP (Foil shielded Twister Pair)
120 Ω
++
++
++
++
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Aplicaciones de par trenzado (TIA/EIA) Categoría 3 1.5 Mbps IBM 3270 25 Mbps Arcnet 4.0 Mbps Token-Ring 10 Mbps 10BaseT 16 Mbps Token-Ring 25 Mbps UNI ATM 52 Mbps UNI ATM 100BaseT4 100 VG AnyLAN Banda base para voz Interfaz BRI de RDSI Interfaz PRI de RDSI Portadoras T1/E1 (1.544 Mbps) RS-232D RS-422 Banda base para vídeo María del Carmen Romero Ternero mcromero@dte.us.es
Categoría 5e Idem Cat3 25 Mbps ATM 52 Mbps ATM 100BaseTX 155 Mbps ATM 622 Mbps ATM 1000BaseT(4)
Categoría 6
Categoría 7
Idem Cat3 Idem Cat5e 1000BaseTX 1244 Mbps ATM
Idem Cat3 Idem Cat5e Idem Cat6 2.5 Gbps ATM 10 Gbps Ethernet Banda base para vídeo y CATV
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Coaxial
Alambre de cobre formado por núcleo y malla
Buena combinación de AB e inmunidad al ruido
Dos clases:
Señales analógicas: AB de hasta 400 MHz con amplificadores cada pocos kms Señales digitales: Vt de hasta 1-2Gbps con un repetidor cada km Cable de 50 Ω para transmisión digital o coaxial de banda base Cable de 75 Ω para transmisión analógica o coaxial de banda ancha
Usos: TV, telefonía de larga distancia, LAN, conexión de periféricos a corta distancia...
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Estándares de coaxial
Se dividen según sus clasificaciones de radio de gobierno (RG). Cada RG implica unas especificaciones físicas:
Grosor del cable del conductor interno Grosor y tipo de aislante interior Construcción del blindaje Tamaño y tipo de cubierta exterior
Tipos más frecuentes:
RG-8, RG-9, RG-11: Ethernet de cable grueso RG-58: Ethernet de cable fino RG-59: TV
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Fibra óptica
Fabricada de plástico o vidrio Transmite señales en forma de luz Es inmune al ruido electromagnético No presenta problemas de puesta a tierra Anchura del espectro entre 25.000 y 30.000 GHz La 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 señal Componentes de un sistema de transmisión óptico:
Fuente de luz (LED, láser semiconductor) Medio de transmisión Detector (fotodiodo)
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Fibra óptica. Tipos Reflexión total Índices de refracción diferentes
Aire
Sílice
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.
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Fibra 贸ptica. Tipos
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Fibra óptica. Conexiones
Empalme mecánico Pérdidas del 10-20%
Empalme pegado Pérdidas del 10%
Empalme fundido Pérdidas mínimas
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Fibra óptica. Atenuación
La 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:
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Fibra óptica. Dispersión
Es 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 onda Hay 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.
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Cable de cobre vs. Fibra óptica
AB menor Repetidor cada 5km No inmune a interferencias electromagnéticas ni a los efectos corrosivos ambientales Tecnologías más familiar Interfaces más baratas Tecnología más barata Mayor facilidad de instalación y mantenimiento Es menos frágil
AB superior Repetidor cada 30km Inmune a interferencias electromagnéticas y efectos corrosivos ambientales Más flexible y ligera:
Difícil de intervenir por escuchas Es unidireccional:
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1000 pares trenzados de 1km de longitud: 8000Kg 2 fibras tienen más capacidad y pesa 100Kg
2 fibras 2 bandas de frecuencia
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Radio
Las señales de radio son omnidireccionales (no necesaria alineación) Un emisor y uno o varios receptores Bandas de frecuencia: LF, MF, HF y VHF Propiedades: Fáciles de generar Pueden viajar largas distancias Atraviesan paredes de edificios sin problemas Son absorbidas por la lluvia Sujetas 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 distancia A altas frecuencias tienden a viajar en línea recta y rebotar en obstáculos Dependiendo de la frecuencia tienen 5 formas de propagarse: superficial, troposférica, ionosférica, línea de visión y espacial Su alcance depende de: Potencia de emisión Sensibilidad en el receptor Condiciones atmosféricas Relieve del terreno
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Microondas terrestres
Frecuencias muy altas: 1 -100 GHz Longitud de onda muy pequeña
Ondas más direccionales que las de radio
Se utilizan antenas parabólicas Txor y Rxor se tienen que “ver”
Cuanto más altas son las antenas, más distancia puede cubrir:
Es absorbida por la lluvia No atraviesa bien edificios
Con torres a 100 m de altura, las repetidoras pueden estar espaciadas 80Km
Más barato que la FO No necesita derecho de paso
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Comunicación vía Satélite
Tipo 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:
Los satélites utilizan transpondedores
Canal ascendente: desde Tierra a satélite Canal descendente: desde satélite a Tierra Un transpondedor recibe una señal microondas desde la Tierra, la amplifica y la retransmite de regreso a una frecuencia diferente
Satélites geoestacionarios (36.000km)
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Infrarrojos
Transmisores 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 alineados No pueden atravesar paredes No necesita permisos o licencias de uso Es de corto alcance
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Transmisión de datos Hay que tener en cuenta: Naturaleza de los datos
Propagación de la señal que lleva los datos
Datos ANALÓGICOS: toma cualquier valor dentro de un intervalo Datos DIGITALES: toma sólo determinados valores posibles dentro de un intervalo Señal ANALÓGICA: onda electromagnética que varía continuamente Señal 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 analógica Dato digital – Señal analógica Dato analógico – Señal digital Dato digital – Señal digital
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Transmisión de datos (II)
Dato analógico – Señal analógica
Dato digital – Señal analógica
En Txor se modula la señal analógica para que lleve los datos digitales y en Rxor se demodula (MODEM)
Dato analógico – Señal digital
Si coincide el ancho de banda ambos, se envían los datos tal cual, si no, hay que modular los datos
En Txor se codifican los datos analógicos en digitales y en Rxor se decodifican (CODEC)
Dato digital – Señal digital
Si 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 digitales
El Transmisor debe conocer:
El Receptor 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 segundos La velocidad de modulación (depende del esquema de codificación elegido) La duración de cada bit Comienzo y fin de cada bit Niveles de tensión utilizados para representar cada bit
Tipos de codificación:
Unipolar NRZ, Polar NRZ, Unipolar RZ, Bipolar RZ, Manchester NRZ
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Formatos de codificación digital Cinta perforada 1 ≡ nivel alto (A voltios) 0 ≡ nivel bajo (cero voltios)
Unipolar NRZ (Not Return to Zero) Polar NRZ
1 ≡ nivel alto (A voltios) 0 ≡ nivel bajo (-A voltios)
Unipolar RZ
1 ≡ transición al principio y mitad del bit 0 ≡ no hay transición (0 voltios)
Bipolar RZ
1 ≡ niveles alternantes A, -A voltios 0 ≡ no hay transición (0 voltios) 0 ≡ transición alto-bajo en mitad del bit 1 ≡ transición bajo-alto en mitad del bit
Manchester NRZ María del Carmen Romero Ternero mcromero@dte.us.es
(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 analógicas
Una 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 portadora Señal moduladora Señal modulada
Tipos de modulación (tasa de bits = tasa de baudios)
ASK: modulación de amplitud FSK: modulación de frecuencia PSK: modulación de fase
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CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales analógicas
s(t)=
ASK: modulación o desplazamiento en amplitud A1cos(2Πfct + ϕ) ≡ 1 binario A2cos(2Πfct + ϕ) ≡ 0 binario
ABASK= (1+r)·Vs Vs = velocidad en símbolos o tasa de baudios r = factor filtrado línea (0 ≤ r ≤ 1)
Amplitud
A1
Ancho de banda mínimo = Vs
A2
Frecuencia
fc – Vs/2
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fc
fc + Vs/2
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CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales analógicas
s(t)=
FSK: modulación o desplazamiento en frecuencia Acos(2Πfc1t + ϕ) ≡ 1 binario Acos(2Πfc0t + ϕ) ≡ 0 binario
ABFSK= (fc1- fc0) + (1+r)Vs
fc1= frecuencia de la portadora para el 1 binario fc0 = 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 baudios r = factor filtrado línea (0≤r≤1)
Amplitud
ABFSK = (fc1- fc0) + (1+r)Vs fc1- fc0
Vs/2
Vs/2
Frecuencia
fc0
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Más resistente a los ruidos que ASK
fc1
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CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales analógicas
PSK: modulación o desplazamiento en fase s(t)=
Acos(2Πfct + Π) Acos(2Πfct)
ABPSK= (1+r)·Vs
≡ 1 binario ≡ 0 binario Vs = velocidad en símbolos o tasa de baudios r = factor filtrado línea (0≤r≤ 1)
Amplitud Ancho de banda mínimo = Vs
Frecuencia
fc – Vs/2
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fc
fc + Vs/2
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CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales analógicas
Otras modulaciones (tasa baudios < tasa bits):
Modulación MPSK (modulación en múltiples fases):
(BPSK Ö Si Vs=2400 baudios (n=1), Vbps=2400 bps) QPSK Ö Si Vs=2400 baudios (n=2), Vbps=4800 bps 8PSK Ö Si Vs=2400 baudios (n=3), Vbps=7200 bps 16PSK Ö Si Vs=2400 baudios (n=4), Vbps=9600 bps
...
Vs = velocidad en símbolos o tasa de baudios r = factor filtrado línea (0≤r≤ 1) n= nº de bits por cada símbolo
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:
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AB = Vs·(1+r)/n 65
Constelaciones PSK
QPSK o 4PSK
PSK, BSK o 2PSK
8PSK MarĂa del Carmen Romero Ternero mcromero@dte.us.es
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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) 32QAM 8QAM 64QAM ...
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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 Proceso de digitalización Datos analógicos Æ MUESTREO Æ CUANTIFICACIÓN Æ CODIFICACIÓN Æ Señal digital “Modulación” CODEC
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 Æ 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
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Datos anal贸gicos usando Se帽ales digitales Modulaci贸n PCM
(8 bits en signo-magnitud)
-
Muestreo natural
-
Muestreo plano
PCM Mar铆a del Carmen Romero Ternero mcromero@dte.us.es
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Datos analógicos usando Señales digitales Modulación PCM
Ejemplo:
Los datos de voz se limitan a frecuencias < 4000 Hz Æ para caracterizar una señal de voz se requieren 8000 muestras/seg Para convertir muestras PAM a digital, se les debe asignar un código digital a cada una de ellas Si se usan 256 niveles diferentes Æ se requieren 8 bits por muestra 8000 muestras/seg x 8 bits/muestra = 64 Kbps se necesita para una señal de voz
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Datos analógicos usando Señales digitales Modulación Delta
Por cada intervalo de muestreo, la señal analógica de entrada se compara con el valor más reciente de la función escalera:
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si el valor > función escalera, se genera un 1 si el valor ≤ función escalera, se genera un 0
Çδ, ÇRuido de cuantización (variaciones lentas de la señal) Èδ, ÇRuido 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 Datos analógicos f(t)Æ MODULADOR Æ g(t) Señal analógica Señal moduladora
Señal portadora cos 2πfct
Señal modulada
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
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B = ancho de banda de la señal original
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Datos analógicos usando Señales analógicas Señal Portadora, Moduladora y Modulada
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CODIFICACIÓN DE DATOS Datos analógicos usando Señales analógicas BWm =Ancho de banda de la moduladora (audio) BWt = Ancho de banda total (radio) fc = frecuencia de la portadora
AM
BWm =Ancho de banda de la moduladora (audio) BWt = Ancho de banda total (radio) FM fc = frecuencia de la portadora
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y PM
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Multiplexión o multiplexación En toda transmisión multiplexada se tiene un multiplexor (en Txor) y un demultiplexor (en Rxor) MULTIPLEXOR
Es el conjunto de técnicas que permite la transmisión simultánea de múltiples señales (canales) a través de un único enlace de datos
1 camino 3 canales
DEMULTIPLEXOR
Hay tres técnicas de multiplexión:
FDM (Multiplexión por División en Frecuencias)
WDM (Multiplexión por División de Onda)
TDM (Multiplexión por División en el Tiempo)
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Multiplexión. FDM
Multiplexión por División en Frecuencias
Generalmente para señales analógicas
Se puede aplicar cuando el AB de un enlace es mayor que los anchos de banda combinados de la señal a transmitir Se usan distintas frecuencias portadoras para transmitir (que no deben interferir con las frecuencias de los datos originales) Se usan bandas de seguridad Bandas de seguridad
Canal 1
Canal 2
Canal 3
Canal 4
Canal 5
Frecuencia (Hz) Ancho de banda del enlace de transmisión
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Multiplexi贸n. FDM. Dominio temporal y espectral
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Multiplexión. WDM
Multiplexión por División de Onda Conceptualmente 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. TDM
Multiplexión por División en el Tiempo
Generalmente para señales digitales
Se 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 receptores Se divide el enlace en el tiempo y no en frecuencia Canal 1
Canal 2
Canal 3
...
Canal 1
Canal 2
Canal 3
... Tiempo (s)
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.
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Multiplexión. TDM. Tipos TDM Síncrona
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TDM Asíncrona
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Interfaz RS-232
Nombres oficiales: ANSI/TIA-232F o ITU-T V.24
Se compone de varias especificaciones:
mecánica: ISO 2110
eléctrica: V.28
funcional 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 serie
Modos half-duplex y full-duplex
Permite transmisión síncrona y asíncrona Computadora
Conector DB25 hembra Conector DB25 macho
Línea de teléfono
Cable del interfaz
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DTE y DCE
DTE (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 Línea de transmisión
DTE
DTE Fuente o colector de datos
Controlador de comunicaciones
DCE
DCE
Controlador de comunicaciones
Fuente o colector de datos
Circuitos de datos Enlace de datos
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INTERFAZ RS-232 Características mecánicas
Especifica el conector a utilizar
Conector DB-25 (síncrona y asíncrona) y conector DB-9 (asíncrona)
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1 pulgada = 23 mm 84
INTERFAZ RS-232 Características eléctricas
El estándar define:
Velocidad máxima: 20 kbps (típicas:300, 1200, 2400, 4800, 9600 y 19200 bps)
Distancia máxima: 15 m
código NRZ-L
Transmisión no balanceada
Referencias a 0V
Limitación de corriente a 0.5 A Capacidad máxima 2500 pF
+25
+5 -5
1 lógico = [-3,-15] voltios
0 lógico = [15,3] voltios
“0”
+15
-15
“0” “1”
+3 -3
“1”
Tx -25
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INTERFAZ RS-232 Características funcionales
Se 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 RxD
Líneas de control de flujo
Request to send (RTS)
Clear to send (CTS)
Data Carrier Detected (CD ó DCD)
Líneas de establecimiento de conexión
Data Terminal Ready (DTR)
Data Set Ready (DSR)
Ring Indicator (RI)
Líneas de referencia
Masa (GND)
Masa de protección (SGH)
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INTERFAZ RS-232 Características funcionales.
Conector DB15 (DTE)
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INTERFAZ RS-232 Características procedimentales
Especifican la secuencia de eventos que se debe producir en la transmisión de datos, basándose en las características funcionales del interfaz. Ejemplo de llamada:
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[Fuente: Stallings] 88
Bibliografía
Behrouz A. Forouzan, “Transmisión de datos y redes de comunicaciones”, 2ª edición, McGrawHill, 2002. William Stallings, “Comunicaciones y Redes de Computadores”, 6ª edición, 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.
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