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Codificación de datosMedios de transmisión

Codificación de datos y medios de transmisión

Juan Manuel Orduña Huertas

Redes de Transmisión de Datos - Curso 2011/2012

Juan Manuel Orduña Huertas RTD - Tema 2

Codificación de datosMedios de transmisión

Índice

1 Codificación de datosModulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

2 Medios de transmisiónMedios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

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Codificación de datosMedios de transmisión

Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Motivación

Banda base = No modificar el espectro original de la señal

Señales con espectro de amplitudes de B infinito.Si todas las señales se transmitieran en banda base seinterferirían entre ellas.La inductancia y capacitancia existentes en las líneas detransmisión afectan más a las señales en banda base.Teoría de antenas: antena ' longitud de onda λ. Vozhumana→ f = 3 kHz,λ = c/f .

λ =3 108

3 103 = 1 105 = 100 Km. (1)

Multiplexación en Frecuencia: Si canal de ancho de bandaB, dividir en n canales de ancho de banda B/n.Espectro electromagnético muy amplio.

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Codificación de datosMedios de transmisión

Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Definiciones

Modulación: Transmisión de una señal a la frecuenciadeseada, pero variando alguna característica de la señal (osea, modulando la señal) de forma proporcional al mensaje oseñal que queremos transmitir.

Señal portadora: Seña periódica encargada de"transportar"la información a transmitir, y cuya frecuenciaes la frecuencia de transmisión deseada.Señal moduladora: Señal que representa el mensaje quedeseamos transmitir.Modulación: Modificación de algún parámetro de unaseñal por otra.Señal modulada: Señal resultante de la modulación deuna señal portadora por una señal modulada.

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Clasificación

Tipo de señal: portadora y moduladora pueden seranalógica o digital.Parámetro de la portadora que se modifica: amplitud,frecuencia y fase.

Moduladora Analógica Moduladora Digital

AM (Amplitude Modulation) ASK (Amplitude Shift Keying)P. Analógica FM (Frequency Modulation) FSK (Frequency Shit Keying)

PM (Phase Modulation) PSK (Phase Shift Keying)PAM (Pulse Amplitude Modulation) NRZ (Non Return to Zero)PDM (Pulse Duration Modulation) RZ (Return to Zero)

Port. Digital PPM (Pulse Position Modulation) BifasePCM (Pulse Codification Modulation) Bipolar

Modulación Delta

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Índice

1 Codificación de datosModulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

2 Medios de transmisiónMedios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Amplitude Shift Keying

UASK(t) = A[1 ± V

A

]cos(2πfpt) = A [1 ± m] cos(2πfpt)

(2)

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Modulación por Desplazamiento en Frecuencia (FSK)

UFSK(t) =

{A cos(2πf1t + Θp) f1 = fp + ∆fp ⇔ ”1”A cos(2πf2t + Θp) f2 = fp −∆fp ⇔ ”0”

(3)

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

MFSK: MFSK Múltiple

UMFSK(t) = A cos(2πfi t) 1 ≤ i ≤ M (4)fi = fc + (2i − 1−M)fdfc = la frecuencia de la portadorafd = la diferencia mínima de frecuencias entrecualquier tono y la frecuencia portadoraM = número de elementos de señalización diferentes(4, 8,16, etc.) = 2L

L = número de bits por elemento de señalización

0 1 1 1

Time

Figure 5.9 MFSK Frequency Use (M = 4)

Freq

uenc

y

0 0Data

1 1 11 0 1 10 0 0 0 0 1 1

fc Wdfc + fdfc – fd

fc + 3 fd

fc – 3 fd

Ts

T

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Modulación por Desplazamiento de Fase (PSK)

UBPSK(t) =

{A cos(2πfpt + π) ⇔ ”0”A cos(2πfpt) ⇔ ”1”

(5)

B = 2wm = 2Vtrans

2= Vtrans (6)

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BPSK: Diagrama Constelación

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

BPSK: Modulador

Ancho de banda

s(t) = (sen(wmt)) · (sen(wpt))

=12

cos(wp − wm)t +12

cos(wp + wm)t

(7)

B = 2wm = 2Vtrans

2= Vtrans (8)

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

QPSK: PSK Cuaternario

UQPSK(t) =

A cos(2πfpt + 45o) ⇔ ”11”A cos(2πfpt + 135o) ⇔ ”10”A cos(2πfpt + 225o) ⇔ ”00”A cos(2πfpt + 315o) ⇔ ”01”

(9)

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

QPSK: Ancho de banda

s(t) = (sen(wmt)) · (sen(wpt))

=12

cos(wp − wm)t +12

cos(wp + wm)t

B = wp + wm − (wp − wm) = 2wm = Vtrans

wmQPSK = 1/2wmBPSK ⇒ B = 1/2Vtrans (10)

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Diagrama constelación QPSK

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Modulación 8-BPSK

wm8−BPSK = 1/3wmBPSK ⇒ B = 1/3Vtrans

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Modulación 16-BPSK

wm16−BPSK = 1/4wmBPSK ⇒ B = 1/4Vtrans

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Modulación 8-QAM

wm8−QAM = 1/3wmBPSK ⇒ B = 1/3Vtrans

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Modulación 16-QAM

wm16−QAM = 1/4wmBPSK ⇒ B = 1/4Vtrans

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Teorema de Muestreo

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Índice

1 Codificación de datosModulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

2 Medios de transmisiónMedios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Modulación por amplitud de pulso (PAM)

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Modulación por duración de pulso (PWM)

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Modulación por posición de pulso (PPM)

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Modulación PCM

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Cuantificación

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Índice

1 Codificación de datosModulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

2 Medios de transmisiónMedios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Técnicas de recodificación

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Técnicas de inserción de bits

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Índice

1 Codificación de datosModulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

2 Medios de transmisiónMedios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Concepto de espectro expandido

Input data

Spreadingcode

Spreadingcode

Channelencoder Modulator Channel De-

modulatorChanneldecoder

Output data

Pseudonoisegenerator

Figure 9.1 General Model of Spread Spectrum Digital Communication System

Pseudonoisegenerator

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Espectro expandido por salto de frecuencias: FHSS

Figure 9.2 Frequency Hopping Example

f1

5

f2

8

f3

3

f4

7

f5

1

f6

4

f7

6

f8

2

Energy

Frequency

(a) Channel assignment

f1

f2

f3

f4

f5

f6

f7

f8

Frequency

Time

(b) Channel use

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FHSS lento

Time

Figure 9.4 Slow Frequency Hop Spread Spectrum Using MFSK (M = 4, k = 2)

Input binary data

MFSKsymbol

Ts

T

Tc

Wd

Ws

Wd

Wd

Wd

Freq

uenc

y

0 1

00 11 01 10 00 PN sequence

1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1

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FHSS rápido

Time

Figure 9.5 Fast Frequency Hop Spread Spectrum Using MFSK (M = 4, k = 2)

Ts

Tc

T

Wd

Ws

Wd

Wd

Wd

Freq

uenc

y

Input binary data

MFSKsymbol

0 1

00 11 01 10 00 10 00 11 10 00 10 11 11 01 00 01 10 11 01 10 PN sequence

1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1

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Acceso Múltiple por División de Código: CDMA

User A

Code Message "1101" Encoded

User B

User C

Figure 9.10 CDMA Example

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Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Table 9.1 CDMA Example

(a) User's codes

User A 1 –1 –1 1 –1 1User B 1 1 –1 –1 1 1User C 1 1 –1 1 1 –1

(b) Transmission from A

Transmit (data bit = 1) 1 –1 –1 1 –1 1Receiver codeword 1 –1 –1 1 –1 1Multiplication 1 1 1 1 1 1 = 6

Transmit (data bit = 0) –1 1 1 –1 1 –1Receiver codeword 1 –1 –1 1 –1 1Multiplication –1 –1 –1 –1 –1 –1 = –6

(c) Transmission from B, receiver attempts to recover A's transmission

Transmit (data bit = 1) 1 1 –1 –1 1 1Receiver codeword 1 –1 –1 1 –1 1Multiplication 1 –1 1 –1 –1 1 = 0

(d) Transmission from C, receiver attempts to recover B's transmission

Transmit (data bit = 1) 1 1 –1 1 1 –1Receiver codeword 1 1 –1 –1 1 1Multiplication 1 1 1 –1 1 –1 = 2

(e) Transmission from B and C, receiver attempts to recover B's transmission

B (data bit = 1) 1 1 –1 –1 1 1C (data bit = 1) 1 1 –1 1 1 –1Combined signal 2 2 –2 0 2 0Receiver codeword 1 1 –1 –1 1 1Multiplication 2 2 2 0 2 0 = 8

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Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Espectro electromagnético

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Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Índice

1 Codificación de datosModulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

2 Medios de transmisiónMedios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

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Cable de par trenzado

Es de los más utilizadosDos hilos aislados trenzados entre sí a modo de hélice.Ventajas: Barato, sencillo de utilizarDesventajas: Baja velocidad de transmisión, distanciascortasA menudo se agrupan en cablesA menudo ya están instalados en el edificio

AplicacionesRed telefónica (la última milla) bucle de abonadoRed telefónica privadaRedes de área local (10 y 100 Mbps)

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Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Clasificación según el recubrimiento

Par trenzado no apantallado (UTP)Hilo telefónico normalEl más baratoEl más fácil de instalarPuede sufrir interferencias electromagnéticas

Par trenzado apantallado (STP)Cubierta metálica que aísla de interferenciasMás caroMás difícil de manejar (más grueso, más rígido)

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Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Cables de telefonía

Características de los hilos de cobre para telefonía

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Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Ejemplos de cables de pares trenzados

Cables trenzados apantallados y no apantallados

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Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Categorías en cables de cobre

Distintas categorías de cable UTPTipo Frec. máx. (aplicación)Categoría 1 4 khz (voz)telefónico)Categoría 2 (Datos hasta 4 Mbps)Categoría 3 16 Mhz (Datos hasta 10 Mbps)Categoría 4 20 Mhz (Datos hasta 16 Mbps)Categoría 5 100 Mhz (Fast Ethernet)Categoría 5e 100 Mhz (Gigabit Ethernet)Categoría 6 250 Mhz (Gigabit Ethernet)Categoría 7 600 Mhz (10-Gigabit Ethernet)

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Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Cable coaxial

Cable coaxial

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Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Aplicaciones del cable coaxial

Distribución de la televisiónTelefonía de larga distancia (Puede llevar hasta 10.000canales de voz, pero se va sustituyendo por la fibra óptica)Redes locales de 10 MbpsEnlaces de computador a corta distancia

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Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Cable coaxial: Características de la transmisión

AnalógicaAmplificadores cada pocos Km.Distancia depende de la frecuenciaVálido hasta 500 MHz

DigitalRepetidores cada KmA menos distancia si se quiere más bps

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Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Fibra óptica

CaracterísticasGran capacidad (Gbps)Tamaño y peso pequeñosPoca atenuaciónAislamiento electromagnéticoMayor distancia entre repetidores (10 Km)

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Codificación de datosMedios de transmisión

Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Fibra óptica: Componentes

Medio de transmisión:Emisor de luz: LED o diodo laserDetector: fotodiodo

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Codificación de datosMedios de transmisión

Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Sección de una fibra optica

Sección de un cable de fibra óptica

Conectores de fibra óptica

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Codificación de datosMedios de transmisión

Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Interior de la fibra óptica

Interior de la fibra óptica

Interior de la fibra óptica

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Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Fibra óptica: Funcionamiento

La transmisión de la luz por la refracción producida en elinterfaz del núcleo de la fibra con el recubrimientoLas refracciones hacen que haya muchos caminos ópticosentre la entrada y la salida, de modo que la ondaresultante de un pulso se vuelve más anchaLas fibras monomodo, son tan finas (9µm) que no hay másque un rayo de luz, con lo cual la dispersión es casi nula.Pero es muy caraUna versión intermedia es la fibra multimodo de índicegradual. La refracción gradual compensa las distintasdistancias recorridas.

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Codificación de datosMedios de transmisión

Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Fibra óptica: tipos

Fibra óptica

Tres tipos de fibras

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Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Índice

1 Codificación de datosModulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

2 Medios de transmisiónMedios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

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Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Medios inalámbricos

La mayoría de aparatos móviles permiten la conexióninalámbrica.Se utilizan mucho las frecuencias más altas del espectroya que si tomamos la ecuación λf = c y despejamos f yderivamos respecto de λ obtenemos:

dfdλ

= − cλ2

o despejando f y poniéndolo como incrementos tenemos:

4f =c4λλ2

lo cual indica que para ondas muy cortas la banda defrecuencia que se abarca con una pequeña variación de λes muy grande.

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Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Radiodifusión

Las ondas de radio son omnidireccionales, penetran en losedificios y son fáciles de generar.Las propiedades dependen de la frecuencia:

A bajas frecuencias cruzan cualquier obstáculo pero supotencia se reduce proporcionalmente a 1/r2 en el aireA frecuencias altas viajan en línea recta y rebotan en losobstáculos

Como viajan a largas distancias, la interferencia estáreglamentada severamente.

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Apéndice Lecturas recomendadas

Bibliografía I

Andrew S. Tanenbaum, “Redes de Computadores”, Ed.Prentice Hall, 4a. ed., 2003

William Stallings, Çomunicaciones y Redes decomputadores", Ed. Prentice-Hall, 7a. Edición, 2004

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