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Área de Ingeniería Temática - Departamento de Informática

Área de Ingeniería Temática Departamento de Informática

Fundamentos de Telemática

Tema 3 Nivel físico

Raquel Blanco Aguirre [email protected]

Curso 2011-2012

http://www.uniovi.es/�


ÍNDICE

1. Teoría de señales y comunicación de datos 2. Perturbaciones en la transmisión 3. Capacidad del canal 4. Esquemas de codificación 5. Medios de transmisión

2 Fundamentos de Telemática: Tema 3 – Nivel físico


1.- TEORÍA DE SEÑALES Y COMUNICACIÓN DE DATOS

• Datos: – Entidades capaces de transportar información

• Analógicos: valores en algún intervalo continuo (ej. El vídeo y la voz)

• Digitales: valores discretos (ej. los textos o los números enteros)

• Señales: – Representaciones eléctricas o electromagnéticas de datos

• Analógicas: varían continuamente • Digital: se usan N niveles de tensión constante (por ejemplo 2

niveles para señales binarias)

• Transmisión: – Comunicación de datos mediante la propagación y el

procesamiento de señales



Métodos de análisis de una señal

• Dominio del tiempo – Variaciones temporales de la

señal – Señales continuas o discretas

• Periodicidad: s(t+T) =s(t) • Parámetros

– Amplitud – Frecuencia – Fase

– Análisis no adecuado para señales complejas

• Dominio de la frecuencia – Descomposición de la señal en

componentes sinusoidales de diferentes frecuencias (análisis de Fourier)

4

(a) Continua; Periódica

(b) Discreta; Periódica

Fundamentos de Telemática: Tema 3 – Nivel físico


Análisis en el dominio de la frecuencia

• Se puede demostrar, usando el análisis de Fourier, que cualquier señal está constituida por componentes sinusoidales (armónicos)

• Cada componente sinusoidal tiene una frecuencia múltiplo de la frecuencia de la señal original

• A medida que aumenta la frecuencia de los armónicos, disminuye su amplitud

• Utilizando el análisis de Fourier se pueden expresar funciones en el dominio de la frecuencia




• Ejemplo




• Espectro: – Conjunto de frecuencias que constituyen una señal

• Ancho de banda absoluto: – Anchura del espectro

• Ancho de banda efectivo: – Banda de frecuencias relativamente estrecha que

contiene la mayor parte de energía – Llamado simplemente ancho de banda



Velocidad de transmisión y ancho de banda

• Cualquier sistema de transmisión sólo puede transferir una banda limitada de frecuencias – A mayor número de componentes transmitidas, mayor

similitud con la señal original

• La velocidad de transmisión y el ancho de banda mantienen la siguiente relación: – Cuanto mayor es el ancho de banda, mayor es la velocidad

con la que se puede transmitir – Cuanto mayo sea la velocidad a la que queremos

transmitir, mayor ancho de banda necesitamos para ello

• Distinciones importantes: – Ancho de banda efectivo y ancho de banda absoluto – Ancho de banda del sistema y ancho de banda de la señal



• Transmisión de las señales analógicas independientemente de su contenido

• Pueden ser datos analógicos o digitales • Se debilita con la distancia • Incluye amplificadores que inyectan energía a

la señal • También amplifica el ruido

9

Transmisión analógica



Transmisión digital

• Depende del contenido de la señal • La atenuación, el ruido y otros aspectos

negativos pueden afectar a la integridad de los datos transmitidos

• Se usan repetidores: – El repetidor recibe una señal – Regenera el patrón de ceros y unos – Los retransmite

• El uso de repetidores permite – Evitar la atenuación – Evitar el efecto acumulativo del ruido



2.- PERTURBACIONES EN LA TRANSMISIÓN

• Puede que la señal que se recibe difiera de la señal transmitida

• Señales analógicas: degradación de la calidad de la señal

• Señales digitales: bits erróneos • Las perturbaciones más significativas son:

– La atenuación y la distorsión de atenuación – La distorsión de retardo – El ruido



Perturbaciones en la transmisión

• Atenuación – La energía de la señal decae con la distancia – Depende del medio – La señal recibida:

• Debe tener suficiente energía para ser detectada • Para ser percibida sin error, debe conservar un nivel

suficientemente mayor que el ruido – La atenuación es una función creciente de la

frecuencia




• Atenuación




• Distorsión de retardo – Diferente velocidad de propagación en función de la

frecuencia • Distorsión intersimbólica

– Sólo se da en los medios guiados

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Señal correcta Señal distorsionada




• Ruido – Señales adicionales que se insertan entre el emisor y

el receptor • Tipos de ruido:

– Ruido térmico – Ruido de intermodulación – Diafonía – Ruido impulsivo




• Ruido térmico – Se debe a la agitación térmica de los electrones – Está presente en todos los dispositivos electrónicos y

medios de transmisión – No puede eliminarse – Depende de la temperatura – Ruido térmico presente en un ancho de banda de B

Hercios es (en watios) N = KTB

• donde: – N = Densidad de potencia de ruido en watios – K = Cte. de Boltzmann = 1,3803 x 10-23 J/K – T = Temperatura (absoluta), en grados Kelvin




• Ruido de intermodulación – Señales a frecuencias que sean suma o diferencia de

las dos frecuencias originales que comparten el mismo medio

• Diafonía – Acoplamiento entre las líneas que transportan las

señales • Ruido impulsivo

– Pulsos o picos irregulares – De corta duración – De amplitud grande




• Efecto del ruido sobre una señal digital




• Decibelios y potencia de la señal – Parámetro importante para determinar el rendimiento de

un sistema de transmisión – Se mide en decibelios (dB) para expresar la relación entre

dos niveles de señal (p.ej., potencia, voltaje o corriente) o de una señal en dos puntos distintos

NdB = 10 log10(P2/P1) • donde NdB es el número de decibelios, P1 es el nivel de

potencia de entrada y P2 es el nivel de potencia de salida. – Es una medida relativa, no absoluta. – El valor en dB es negativo: señal atenuada (pérdida de

potencia). P.ej.: si P2 = 0,5P1 NdB = 10 log10(0,5 P1/P1) = 10 log10(0,5) = -3 dB

– El valor en dB es positivo: señal amplificada (aumento de potencia). P.ej.: si P2 = 2P1

NdB = 10 log10(2 P1/P1) = 10 log10(2) = 3 dB




• Relación señal-ruido (SNR) – Relación entre la potencia de una señal y la potencia

contenida en el ruido presente en un punto concreto de la transmisión

– Suele medirse en el receptor – Un valor elevado de la relación señal-ruido implica

una alta calidad de la señal serán necesarios menos repetidores intermedios

• donde

– S es la potencia de la señal – N es la potencia del ruido

20

NSSNRdB 10log10=



3.- CAPACIDAD DEL CANAL

• Capacidad del canal: – Tasa máxima de información que se puede enviar

por la línea – Se mide en bits/seg (bps)

• Capacidad del canal sin ruido: criterio de Nyquist

• Capacidad el canal con ruido térmico: teorema de Shannon



Capacidad del canal

• Criterio de Nyquist – Señal binaria: C = 2·B bps – Señal con M valores: C = 2·B·log2 M bps

• donde B es el ancho de banda en Hz del medio y M es el número de niveles de señal

• Teorema de Shannon C=B·log2(1+SNR)

• donde B es el ancho de banda en Hz del medio y SNR es la relación señal-ruido



4.- ESQUEMAS DE CODIFICACIÓN

• Información analógica y digital puede ser codificada mediante señales analógicas y digitales.

• Elección de un tipo de modulación (codificación): – Requisitos exigidos – Medio de transmisión – Recursos disponibles

• Optimizar características de la transmisión: – Aprovechar el ancho de banda – Sincronización emisor-receptor – Inmunidad frente al ruido e interferencias – Disminuir la complejidad y abaratar costes



Esquemas de codificación

• Interpretación de la señal – El receptor debe conocer:

• La duración de cada bit: cuándo comienza y cuándo acaba cada uno

• El nivel para cada bit – Factores que determinan el éxito o el fracaso del

receptor al interpretar la señal de entrada: • La relación señal/ruido • La velocidad de transmisión de datos • El ancho de banda




• Comparación de las técnicas de codificación – Espectro de la señal:

• La ausencia de componentes a altas frecuencias reduce el ancho de banda requerido

• Concentración de la potencia transmitida en la parte central del ancho de banda

– Sincronización entre receptor y transmisor: • Señal de reloj por separado • Sincronización mediante la propia señal transmitida

– Detección de errores: • Se puede incorporar en el esquema de codificación




• Comparación de las técnicas de codificación – Inmunidad al ruido e interferencias:

• Algunos códigos exhiben un comportamiento superior a otros en presencia de ruido

– Coste y complejidad: • Cuanto mayor es la velocidad de elementos de señal

para una velocidad de transmisión dada, mayor es el coste

• Algunos códigos implican mayor velocidad de elementos de señalización que de transmisión de datos



Datos digitales – Señales digitales

• Señal digital: Secuencia de pulsos discretos y discontinuos (elementos de señal)

• Los datos binarios se transmiten codificando cada bit de datos en elementos de señal

• Diferentes alternativas: – Non Return to Zero (NRZ)

• NRZ-L, NRZ-I – Binario multinivel

• Bipolar AMI – Códigos bifase

• Manchester, Manchester diferencial – Técnicas de “Scrambling”

• B8ZS




• NRZ – La forma más sencilla de codificar es asignando a

cada símbolo (bit) un nivel de tensión – El nivel de tensión se mantiene constante durante la

duración del bit: • No hay transiciones, es decir, no hay retorno al

nivel cero de tensión – NRZ-L (Non Return to Zero – Level)

0: Nivel alto de tensión 1: Nivel bajo de tensión

– NRZI (Non Return to Zero Invert on Ones) 0: No hay transición al comienzo del intervalo 1: Transición al comienzo del intervalo




• NRZ

29

Codificación diferencial




• Codificación diferencial – Los datos se representan por los cambios que se

producen, no por los niveles que se establecen – Más seguro en la detección de transición que en la

detección de nivel – En un sistema complicado de transmisión, no es

difícil perder la polaridad de la señal




• Binario multinivel – Usan más de dos niveles de señal – Bipolar-AMI: (Alternate Mark Inversion)

0: No hay señal 1: Pulso positivo o negativo, polaridad alternante

• No habrá problemas de sincronización en el caso de que haya una cadena larga de 1

• Una cadena larga de ceros, sigue siendo un problema • Forma sencilla de detectar errores




• Códigos bifase – Manchester:

• Transición en mitad del intervalo de duración del bit • La transición sirve como procedimiento de sincronización y

de transmisión de datos: 0: Transición de bajo a alto en mitad del intervalo 1: Transición de alto a bajo en mitad del intervalo

– Manchester Diferencial: • La transmisión a mitad del intervalo se utiliza tan sólo para

proporcionar sincronización: 0: Transición al principio del intervalo del bit 1: Ausencia de transición al principio del intervalo del bit

• Es un esquema de codificación diferencial




• Códigos bifase

33

Cadena de bits

Codificación Manchester diferencial

Codificación binaria

Codificación Manchester

Transición indica un 0 Ausencia de transición indica un 1




• Técnicas de Scrambling – Utilizar algún procedimiento o técnica de

“scrambling” para reemplazar las secuencias de bits que den lugar a niveles de tensión constante

– La secuencia reemplazada: • Debe proporcionar suficiente número de transiciones

para que el reloj se mantenga sincronizado • Debe ser reconocida por el receptor y sustituida por la

secuencia original • Debe tener la misma longitud que la original

– Objetivos: • Evitar las secuencias largas que correspondan a

señales de tensión nula • Tener cierta capacidad para detectar errores




• Técnicas de Scrambling – B8ZS (Bipolar With 8-Zeros Substitution)

• Se basa en un AMI bipolar. • Se sustituyen los grupos de 8 ceros por un patrón:

– 000+-0-+ : si el último valor de tensión fue positivo

– 000-+0+- : si el último valor de tensión fue negativo

• Se fuerzan dos violaciones del código AMI • Probabilidad muy baja de haber sido causa por el

ruido u otros defectos en la transmisión • El receptor identificará ese patrón y lo interpretará

convenientemente como un octeto todo ceros




• Técnicas de Scrambling

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B = Señal bipolar válida

V = Violación bipolar



• Los datos se codifican mediante un señal llamada moduladora

• Señal modulada modifica los parámetros de la señal portadora

• Técnicas: – Desplazamiento de amplitud (ASK) – Desplazamiento de frecuencia (FSK) – Desplazamiento de fase (PSK)

Proceso de

Modulación Señal portadora

Señal moduladora Señal modulada

Datos digitales – Señales analógicas



• Desplazamiento de amplitud (ASK) – Los valores binarios se representan mediante dos amplitudes

diferentes de la portadora • Desplazamiento de frecuencia (FSK)

– Los valores se representan mediante frecuencias diferentes próximas a la frecuencia de la portadora

• Desplazamiento de fase (PSK) – La fase de la señal portadora se desplaza para representar

los datos

s tA f t binarioA f t binario( )

• cos( )• cos( )=

2 12 0

1

2

ππ

s tA f t binario

binarioc( )

• cos( )=

2 10 0

π

s tA f t binarioA f t binario

c

c( )

• cos( )• cos( )=

+

2 12 0π ππ




• Desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK) – Se puede conseguir una utilización más eficaz del ancho de

banda, si cada elemento de señalización representa a más de un bit:

• Desplazamientos de fase correspondientes a múltiplos de π/2 (90º)

• Cada elemento de señal representa dos bits


39

s t

A f t binario

A f t binario

A f t binario

A f t binario

c

c

c

c

( )

• cos( )

• cos( )

• cos( )

• cos( )

=

+

+

+

+

24

11

234

10

254

00

274

01

ππ

ππ

ππ

ππ



(a) Desplazamiento de amplitud (ASK)

(b) Desplazamiento de frecuencia (FSK)

(c) Desplazamiento de fase (PSK)

Información digital

Señales analógicas




Datos analógicos – Señales digitales

• Digitalización: – Transformación de datos analógicos en señales

digitales – Técnicas:

• Modulación por codificación de impulsos (PCM) • Modulación delta (DM)




• Modulación por codificación de impulsos

42

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0000 (0)

0001 (1)

0010 (2)

0011 (3)

0100 (4)

0101 (5)

0110 (6)

0111 (7)

1000 (8)

1001 (9)

1010 (10)

1011 (11)

1100 (12)

1101 (13)

1110 (14)

1111 (15)

0000 (0)

0001 (1)

0010 (2)

0011 (3)

0100 (4)

0101 (5)

0110 (6)

0111 (7)

1000 (8)

1001 (9)

1010 (10)

1011 (11)

1100 (12)

1101 (13)

1110 (14)

1111 (15)

CODIFICACIÓN Binario (decimal) 1000 1111 1100 0011 0001 1000 1111 1100 0011 0000...




• Modulación delta – La entrada analógica se aproxima mediante una

función escalera – En cada intervalo de muestreo sube o baja un nivel

de cuantización (δ) – Comportamiento binario:

• En cada instante de muestreo la función sube o baja en cada intervalo de muestreo




• Modulación delta

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Amplitud de señal

Entrada analógica

Función escalera

Ruido de sobrecarga en la pendiente

Ruido de cuantización

Tamaño del

escalón

Periodo de muestreo Tiempo

Salida de la modulación

delta



Datos analógicos – Señales analógicas

• Razones para la transmisión de señales analógicas mediante modulación: – Una frecuencia mayor permite una transmisión más

efectiva – Permite la multiplexación por división en frecuencias

• Tipos de modulación: – En amplitud (AM) – En frecuencias (FM) – En fase (PM)



Datos analógicos – Señales analógicas

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Portadora

Señal sinusoidal moduladora

Onda de amplitud modulada (AM)

Onda modulada en fase (PM)

Onda de frecuencia modulada (FM)



5.- MEDIOS DE TRANSMISION

• Sistema por el que viaja la información transmitida, representada mediante ondas electromagnéticas

• Medios guiados: – Señal confinada en un medio sólido – Velocidad de transmisión depende de: distancia, tipo

de enlace • Medios no guiados:

– Señal no confinada en un medio sólido – Señal generada por un antena – Velocidad de transmisión depende del ancho de

banda de la señal emitida por la antena



Medios de transmisión

• Medios guiados: – Pares trenzados – Cable coaxial – Fibra óptica

• Medios no guiados: – Microondas – Infrarrojos



Espectro electromagnético

Fundamentos de Telemática: Tema 3 – Nivel físico 49

Frecuencia (hertzios)

Telefonía y potencia Generadores por rotación Instrumentos musicales Micrófonos

Radio Receptores de radio y TV Tubos electrónicos Circuitos integrados

Microondas Radar Antenas de microondas Magnetrones

Infrarrojos Láseres Misiles guiados Medidas de distancias

Luz visible

Par trenzado

Cable coaxial

Radio AM Radio FM Trasmisiónvía satélite y terrestre

Fibra óptica

Longitud de onda (metros)

ELF = Frecuencias extremadamente bajas VF = Frecuencias de voz VLF = Frecuencias muy bajas LF = Frecuencias bajas

MF = Frecuencias medias HF = Frecuencias altas VHF= Frecuencias muy altas

UHF = Frecuencias ultra altas SHF = Frecuencias super altas EHF = Frecuencias extremadamente altas


Pares trenzados

• Formado por 2 hilos conductores de cobre – Cada hilo se envuelve en un aislante – Los hilos se trenzan de forma conjunta

• Cada par constituye un enlace de comunicación

• Generalmente se encapsulan varios pares trenzados en una cubierta protectora


longitud de

trenzado


Pares trenzados

• Características: – Transmisión analógica:

• Amplificadores cada 5 ó 6 Km – Transmisión digital:

• Señales analógicas o digitales • Repetidores cada 2 ó 3 Km

– Distancia limitada – Ancho de banda limitado – Velocidad de transmisión limitada (100 Mbps) – Susceptible a interferencias y ruido



Pares trenzados

• Aplicaciones: – Telefonía: entre el abonado y la central local (bucle

de abonado) – Redes LAN

• Ventajas: – Barato – Sencillo de manejar

• Inconvenientes: – Velocidad de transmisión de datos limitada – Rango de frecuencias reducido



Pares trenzados

• Pares trenzados sin apantallar (UTP) – Muy sensibles a interferencias (externas y de otros

pares) – Habitualmente utilizado en telefonía



Pares trenzados

• Pares trenzados apantallados (STP) – Cada par se envuelve en una malla metálica – El conjunto del cable se cubre por otra malla – Se reduce la diafonía, interferencias y atenuación – Más caro que UTP – Más rígido y difícil de manipular



Pares trenzados

• Pares trenzados con pantalla global (FTP) – Cada par no está apantallado – El conjunto del cable se cubre por una malla para

reducir las interferencias – Propiedades de transmisión parecidas a UTP – Precio intermedio entre UTP y STP



Pares trenzados

• Categorías de pares trenzados – Definidas por ISO – Cada categoría garantiza parámetros de transmisión (por

ejemplo, la atenuación) para un determinado rango de frecuencias.

– A mayor categoría mayor número de vueltas en sus conductores


Categoría Ancho de Banda Tipo de Cable 3 16 MHz UTP 4 20 MHz UTP 5 100 MHz UTP/FTP 6 200 MHz UTP/FTP


Cable coaxial

• Formado por dos conductores cilíndricos y concéntricos, entre los que se coloca algún tipo de material dieléctrico.

• Rodeados por una cubierta protectora • El conductor exterior forma una pantalla de

protección



Cable coaxial

• Características: – Poco sensible a interferencias externas y a diafonía – Soporta mayores frecuencias que el par trenzado – Limitaciones: ruido térmico y ruido de

intermodulación – Repetidores cada menos km que el par trenzado

• Aplicaciones: – Transmisión de datos a alta velocidad a grandes

distancias – Distribución de televisión (antena, tv por cable) – Telefonía a larga distancia – Redes LAN



Fibra óptica

• Fibra flexible, extremadamente fina, capaz de conducir energía óptica

• Formada por tres partes: núcleo, revestimiento y cubierta • Núcleo de cristal • Diodo emisor o láser


Ángulo de reflexión

Ángulo de incidencia La luz que incide con un ángulo

menor que el ángulo crítico se absorbe en la cubierta

Núcleo

Cubierta

Revestimiento


Fibra óptica

• Beneficios: – Mayor velocidad de transmisión – Menor tamaño y peso – Menor atenuación – Inmunidad frente a interferencias electromagnéticas – Mayor separación entre repetidores (decenas de km)

• Aplicaciones: – Transmisión a larga distancia – Transmisión metropolitana – Bucles de abonado – Redes LAN



Fibra óptica

• Características de la transmisión – Cuando la luz pasa de propagarse de un medio a

otro sufre efectos de reflexión (rebota en el cambio del medio), y de refracción (cambia de dirección)

– La transmisión por la fibra óptica se basa en la diferencia de índice de refracción entre el núcleo y la cubierta

– Índice de refracción del núcleo > núcleo de refracción de la cubierta

– Actúa como una guía de ondas para frecuencias desde 1014 hasta 1015Hz



Fibra óptica

• Tipos de fibras



Transmisión inalámbrica

• Transmisión y recepción mediante antenas • Configuración direccional:

– Se concentra en un haz – Se requiere un alineamiento perfecto

• Configuración omnidireccional: – La señal se expande en todas direcciones – Puede ser recibida por varias antenas



Transmisión inalámbrica

• Antena: – Conductor eléctrico empleado para radiar o recibir

energía electromagnética – Transmisión:

• La antena convierte la energía eléctrica de radiofrecuencia del transmisor en energía electromagnética

• Esa energía electromagnética se radia al entorno circundante

– Recepción: • La energía electromagnética captada por la antena se

convierte en energía eléctrica de radiofrecuencia • Esa energía eléctrica se envía al receptor

– Suele utilizarse la misma antena para transmitir y recibir



Microondas terrestres

• Uso de antena parabólica • Haz enfocado y muy estrecho • Antenas emisora y receptora deben estar muy bien

alineadas • Distancia entre antenas (en Km):

• donde

– h es la altura de la antena en metros – K es ¾

• Atenuación con la distancia: L(dB) = 10·log(4πd/λ)2

• donde: – d es la distancia – λ es la longitud de onda de la señal


d K h= 714. •


Microondas terrestres

• Aplicaciones: – Transmisión a larga distancias:

• Menos repetidores que para cable coaxial • Problema: las antenas tienen que estar alineadas • Uso frecuente transmisión de video y voz

– Enlaces punto a punto en distancias cortas: • Circuitos cerrados de televisión • Interconexión de redes LAN • Transmisión entre edificios



Microondas por satélite

• Satélite se comporta como estación repetidora • El satélite recibe en una frecuencia (frecuencia

ascendente), amplifica o repite la señal y la retransmite en otra frecuencia (frecuencia descendente)

• Frecuencia ascendente < Frecuencia descendente

• Rango de frecuencias óptimo entre 1 y 10 GHz • Aplicaciones:

– Difusión de TV – Transmisión telefónica a larga distancia – Redes privadas



• Enlace punto a punto:

• Enlace de difusión:

Microondas por satélite



Infrarrojos

• Modulación de la luz infrarroja no coherente • Alineación de transmisores/receptores o

reflexión directa • No pueden atravesar obstáculos • Ventaja:

– Rapidez de instalación (no se necesitan permisos) • Desventaja:

– Imposibilidad de establecer enlaces en medios abiertos (cambios climatológicos actúan como obstáculos)

• Aplicaciones: – Televisión por control remoto


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