tema 1 fundamentos de la comunicación de · pdf fileanalógicos y digitales datos...

Comunicación de DatosEscuela Superior de Informática

Tema 1

Fundamentos de la

Comunicación de Datos

COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 2

Terminología (1)

�Transmisor

�Receptor

�MedioMedio guiado

Par trenzado, cable coaxial, fibra óptica

Medio no guiadoAire, agua, vacío


Terminología (2)

�Enlace directoSin dispositivos intermedios

�Punto a puntoEnlace directo

Sólo intervienen dos dispositivos en el enlace

�Enlace múltipleIntervienen más de dos dispositivos en el enlace


Terminología (3)

�SimplexUna dirección

Ej: Radiodifusión

�Semi duplexDos direcciones, pero no simultáneas

Ej: Radioaficionados

�DuplexDos direcciones simultáneas

Ej: Teléfonos


Frecuencia, espectro y ancho

de banda

�Conceptos en el dominio del tiempoSeñal continua

Varía de una forma continua en un margen de tiempo

Señal discretaMantiene constante un nivel y cambia a otro nivel distinto

Señal periódicaRepite un patrón en el tiempo

Señal no periódicaNo repite un patrón en el tiempo


Señales Continuas y Discretas


Señales periódicas


Onda sinusoidad

�Amplitud de pico (A)Máxima intensidad de la señal

Voltios

�Frecuencia (f)Ritmo de cambio de la señal

Hertzios (Hz) o ciclos por segundo

Periodo = tiempo de una repetición (T)

T = 1/f

�Fase (φ)Posición relativa en el tiempo


Distintas ondas sinusoidales en

función de sus parámetros


Longitud de onda

�λ�Distancia entre dos puntos con la misma fase temporal en dos ciclos consecutivos

�Distancia ocupada por un ciclo

�Distancia recorrida por la onda en un período

�Suponiendo que la velocidad de la señal es vλ = v T0λ F0 = v

v = 3*108 m/s (velocidad de la luz en espacio libre)


Conceptos en el Dominio de la

Frecuencia

�La señal periódica se compone de la superposición de varias frecuencias, todas ellas múltiplos de la llamada frecuencia fundamental

�La frecuencia fundamental coincide con la frecuencia de la señal periódica

�Las componentes son ondas sinusoidales

�Se puede demostrar (Fourier) que cualquier señal periódica está construida como suma se señales sinusoidales

�Se pueden representar funciones en el dominio de la frecuencia


Suma de componentes de

frecuencia


Dominio de la Frecuencia

Señal periódica

Señal no periódica:

pulso rectangular


Espectro y Ancho de Banda

�EspectroMargen de frecuencias contenidas en la señal

�Ancho de Banda absolutoAnchura del espectro

�Ancho de Banda efectivoA menudo es el mismo que el Ancho de Banda

Banda de frecuencias que contienen la mayor parte de la energía

�Componente continua (DC)Componente de frecuencia cero


Señal con Componente Continua

)2·3sin()3/1()2sin()/4(1)( ftfttx πππ ++=


Ancho de Banda y

Velocidad Binaria

�Cualquier sistema de transmisión tiene una banda limitada de frecuencias

�Ello limita la velocidad binaria que puede soportar


Onda cuadrada

�Una sucesión de pulsos cuadrados de 0 y 1 se puede ver como la suma de los infinitos múltiplos impares de la frecuencia fundamental

�También es una señal digital binaria a una determinada velocidad en bits por segundo (bps)

∑=k

fktk

ts )2sin(14

)( ππ


Componentes en frecuencia

de una onda cuadrada


Distintos casos

Caso 1. Frecuencia 1 MHz. Anchura bit 0,5 µs

(desde f hasta 5 f), Ancho de banda = 4 MHz

Velocidad de transmisión = 2 Mbps


(desde f hasta 5f), Ancho de banda = 8 MHz



(hasta f hasta 3f) Ancho de banda = 4 MHz


ANCHO DE BANDA (Hz)<= 2�VELOCIDAD (bps)


Efecto del ancho de banda en Efecto del ancho de banda en Efecto del ancho de banda en Efecto del ancho de banda en

las selas selas selas seññññales digitalesales digitalesales digitalesales digitales


Datos

�AnalógicosValores continuos en un intervalo determinado

Ej: sonido, video, ...

�DigitalesValores discretos

Ej: texto, números enteros, ...


Transmisión de Datos

Analógicos y Digitales

�DatosEntidades que portan información

�SeñalesRepresentación eléctrica o electromagnética de datos

�Señalización�Propagación física de señales por el medio adecuado

�TransmisiónComunicación de datos mediante la propagación y proceso de señales


Espectro acústico (analógico)


Señales

�AnalógicasVariable de forma continua

Varios mediosCable, fibra óptica, espacio (aire o vacío)

Ancho de Banda de voz de 100 Hz a 7 KHz

Ancho de Banda telefónico de 300 Hz a 3400 Hz

Ancho de Banda de video 4 MHz

�DigitalesUsan dos componentes continuas

Se convierten datos discretos de varios valores en binario (ASCII)


Datos y señales

Señal analógica Señal digital

Datos analógicos

Hay dos alternativas: la señal ocupa el mismo espectro que los datos analógicos, los datos analógicos se codifican ocupando una porción distinta del espectro

Los datos analógicos se codifican utilizando un codec para generar una cadena de bits

Datos digitales

Los datos digitales se codifican usando un modem para generar señal analógica

Hay dos alternativas: la señal consiste en dos niveles de tensión que representan dos valores binarios, los datos digitales se codifican para producir una señal digital con las propiedades deseadas


Señales analógicas que portan

datos analógicos y digitales


Señales digitales que portan

datos analógicos y digitales


Transmisión analógica

�La señal analógica se puede transmitir sin tener en cuenta el contenido: puede provenir de una señal analógica original (voz) o ser el resultado de pasar por un modem una señal original

�Se atenúa con la distancia

�Se usan amplificadores para reforzar la señal

�También se amplifica el ruido y se acumula

�Se puede tolerar una pequeña distorsión. Ejemplo: la voz, sigue siendo inteligible


Transmisión digital

� Se tiene en cuenta el contenido de la señal

� La integridad de los datos se daña con el ruido, la atenuación, etc.

� Se usan repetidores

� Se produce regeneración Los repetidores reciben la señal

Extraen el patrón de bits

Lo retransmiten

� La atenuación se elimina

� El ruido no se amplifica ni se acumula

� Una señal analógica se puede aprovechar de estas ventajas si se convierte previamente a digital


Ventajas de la transmisión

digital

� Tecnología digitalBajo coste tecnología LSI/VLSI

� Integridad de los datosEl uso de repetidores permite mayores distancias incluso en

líneas de baja calidad

� Utilización de la capacidadSe ha conseguido mayor ancho de banda en enlaces baratos

Mayor grado de multiplexación y más fácil con técnicas digitales

� Seguridad y PrivacidadCifrado

� IntegraciónSe pueden tratar los datos analógicos y digitales de forma

similar, independientemente de cuál sea su origen (voz, datos)


Perturbaciones en la transmisión

�La señal recibida puede diferir de la señal transmitida

�Analógico - degradación de la calidad de la señal

�Digital – Errores de bits

�Causado porAtenuación y distorsión de atenuación

Distorsión de retardo

Ruido


Atenuación

� La intensidad de la señal disminuye con la distancia

� Depende del medio

� La intensidad de la señal recibida:Debe ser suficiente para que se detecte

Debe ser suficientemente mayor que el ruido para que se reciba sin error

Crece con la frecuencia

� Ecualización: amplificar más las frecuencias más altas

� Problema menos grave para las señales digitales


Distorsión de retardo

�Sólo en medios guiados

�La velocidad de propagación en el medio varía con la frecuencia

�Para una señal limitada en banda, la velocidad es mayor cerca de la frecuencia central

�Las componentes de frecuencia llegan al receptor en distintos instantes de tiempo, originando desplazamientos de fase entre las distintas frecuencias


Ruido (1)

� Señales adicionales insertadas entre el transmisor y el receptor

� TérmicoDebido a la agitación térmica de los electrones

Aumenta linealmente con la temperatura absoluta (N0= kT)

Uniformemente distribuido en la frecuencia

Ruido blanco (NBW= kTB)

� IntermodulaciónSeñales que son la suma y la diferencia de frecuencias

originales y sus múltiplos (mf1± nf2)

Se produce por falta de linealidad


Ruido (2)

�DiafoníaUna señal de una línea se mete en otra

�ImpulsivoImpulsos irregulares o picos

Ej: Interferencia electromagnética externa (tormenta)

Corta duración

Gran amplitud


Efecto del ruido en señal digital


Conceptos relacionados con la

capacidad del canal

�Velocidad de datosEn bits por segundo

Velocidad a la cual se pueden transmitir los datos

�Ancho de BandaEn ciclos por segundo (hertzios)

Limitado por el transmisor y el medio

�Ruido, nivel medio a través del camino de transmisión

�Tasa de errores, cambiar 0 por 1 y viceversa


Ancho de Banda de Nyquist(ancho de banda teórico máximo)

Para 2 niveles SIN RUIDOVelocidad binaria

Para M niveles SIN RUIDOVelocidad binaria

1 Baudio = 1 estado señalización/sg

1 Baudio = 1 bps si M=2

La relación entre la velocidad de transmisión C y la velocidad de modulación V es:

)(2)( HzBbpsC =

)(log)(2)( 2 nivelesMHzBbpsC =

MbaudiosVbpsC 2)·log()( =


Capacidad de Shannon (1)

� Para un cierto nivel de ruido, a mayor velocidad, menor período de un bit, mayor tasa de error (se pueden corromper 2 bits en el tiempo en que antes se corrompía 1 bit)

� Relación Señal / Ruido (Signal Noise Ratio, SNR) en dB

� Restricción: no se puede aumentar M cuanto se quiera porque debe cumplirse:

RuidoPotencia

SeñalPotenciaSNRSNRdB

_

_log10)log(10 ==

SNRM +≤ 1


Capacidad de Shannon (2)

� En principio, si se aumenta el ancho de banda B y la potencia de señal S, aumenta la velocidad binaria C.

� Pero:Un aumento del ancho de banda B aumenta el ruido

Un aumento de potencia de señal S aumenta las no linealidades y el ruido de intermodulación

� Por tanto, la velocidad binaria teórica máxima será:

� Es decir,

2

222 ·log·log·2·log)( MBMBMVbpsC ===

)1()·log()( 2 SNRHzBbpsCmáx +=


Ejemplo

�Canal entre 3 MHz y 4 MHz

�Relación señal ruido = 24 dB, SNR=102,4=251

Calcular ancho de bandaRespuesta: B = 1 MHz

�Calcular la velocidad binaria teórica máxima y el número de nivelesRespuesta: SNR = 251

Respuesta: C = 8 Mbps

Respuesta: M = 16 niveles


Relación Eb/N0 (1)

�Eb: energía de señal por bit (Eb=S�Tb=S/R)� siendo S potencia señal, Tb tiempo de un bit, R bits/sg

�N0: densidad de potencia de ruido por Hz

�Se demuestra fácilmente que:

�O bien

kTR

S

N

RS

N

E b ==00

/

6,228log10log100

+−−=

TRS

N

EdBW

dB

b


Relación Eb/N0 (2)

siendo k la constante de Boltzmann, cuyo valor es

y siendo T la temperatura absoluta en grados Kelvin

Ejemplo: Para obtener una relación Eb/N0 = 8,4 dBa una temperatura ambiente de 17 ºC (290 ºK) y una velocidad de transmisión de 2.400 bps, ¿qué potencia de señal recibida se necesita?

Respuesta:

KJk /º10·3803,1 23−=

8,161−=dBWS

tema 1 fundamentos de la comunicación de · pdf fileanalógicos y digitales datos...

Documents