Práctica 3: Capa Física

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1 75.43 Introducción a los Sistemas Distribuidos Práctica 3: Capa Física Resumen En los enlaces como Ethernet, Wi-fi o líneas seriales que integran las redes de computadoras, se utilizan esquemas de codificación que traducen los bits de datos en una señal digital o analógica que se transmite por el medio (par trenzado, fibra óptica, etc). Las distintas codificaciones existentes tienen varios objetivos, como ser: facilitar la sincronización entre emisor y receptor, adaptarse a las características del medio de transmisión, complejidad e inmunidad al ruido. En esta práctica se estudiarán varios esquemas de codificación y sus propiedades, empleando el software de simulación matemática Scilab, junto con el Data Communications Scilab Toolbox desarrollado en la materia, que puede descargarse de SourceForge. El toolbox implementa la capa física, con codificaciones digitales como NRZL, AMI y Manchester, y analógicas como BPSK y QAM. También se ejercitarán los teoremas de Nyquist y Shannon y las características de distintos medios de transmisión. 1. Multiple Choice 1. Se transmite una tira de bits con ceros y unos alternados, con una velocidad de transmisión de 10 Mbps. Bajo estas condiciones, indique si las siguentes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) La codificación Manchester genera una señal cuadrada de período igual a 0.2 us. b) Con codificación PSK de 4 símbolos como QPSK, el tiempo de baudio será de 0.2 us y en la señal todos los símbolos serán iguales. c) Con codificación Manchester Diferencial, y suponiendo que el nivel alto se representa con +1V y el bajo con -1V, el valor medio de la señal es 0V. d) La codificación HDB3 es una codificación digital de dos niveles que garantiza que nunca habrán más de tres ceros consecutivos. e) Si el medio de transmisión es un cable coaxil y se emplea 802.3, se utilizará codificación Manchester. 2. La siguiente imagen corresponde a una codificación... a) PSK. b) FSK. c) QAM. d) AMI.

2 3. Medios de transmisión. Indique V o F: a) El cable UTP Cat5 tiene menor atenuación que el UTP Cat3 gracias al revestimiento de metal que recubre cada par trenzado. b) Para transmitir datos a través del aire en la zona infrarroja del espectro (300 GHz) es necesario contar con una licencia gubernamental. c) Las señales digitales sólo pueden transmitirse a través de medios guiados, como p. ej. la fibra óptica. d) El ancho de banda del par trenzado disminuye con la distancia. e) Los protocolos que transmiten a través del aire en el infrarrojo del espectro no necesitan línea de vista. f ) No se puede transmitir datos a través de un medio guiado empleando la zona del espectro correspondiente a la luz visible. 4. Fibras Opticas. Indique V o F: a) Las fibras ópticas multimodo tienen mayor ancho de banda que las monomodo. b) El fenómeno de dispersión modal se produce sólo en las fibras ópticas multimodo, pero no en las monomodo. c) En las fibras monomodo el núcleo tiene mayor espesor que en las multimodo. d) Es más costoso fabricar una fibra monomodo que una fibra multimodo. 5. De acuerdo con el teorema de Nyquist, la velocidad de transmisión máxima en un canal sin ruido (en bps) para un determinado ancho de banda (en Hz)... a) Es la mitad del ancho de banda. b) Es la mitad de la máxima frecuencia de la señal. c) Es el doble de la máxima frecuencia de la señal. d) Es infinita. e) Ninguna de las anteriores. 2. Codificaciones digitales En este punto y en el siguiente emplearemos el software Scilab y el Data Communications Scilab Toolbox. Cuando se pide graficar señales con el software, no es necesario que las dibuje en el informe. Para los siguientes ejercicios, considerar una línea de comunicaciones digital con un data rate de 10 Kbps.

3 1. Se transmitirá la secuencia [ ]. Obtenga la señal a transmitir codificada en: NRZL, AMI, HDB3, Manchester, Manchester Diferencial. Grafique las señales en el tiempo y obtenga conclusiones respecto a las ventajas y desventajas de cada esquema. 2. Empleando las señales NRZL y AMI obtenidas en el punto anterior, agregue 8 db de ruido y grafique las señales resultantes. Cuál de ellas cree que es más inmune al ruido? A qué se debe? 3. A partir de una secuencia de bits al azar, obtenga la señal a transmitir en: NRZL, AMI, HDB3, Manchester, Manchester Diferencial, y muestre en un mismo gráfico el espectro en frecuencia de todos los esquemas. Obtenga conclusiones. 4. Elabore una tabla comparativa sintética entre los esquemas anteriores, calificando: sincronización, ancho de banda, complejidad, componente continua, inmunidad al ruido. 3. Codificaciones analógicas Considerar ahora un canal de comunicación inalámbrico que emplea dos antenas y trabaja con una frecuencia de portadora de 600 KHz, con un ancho de banda de 400 KHz (es decir, el rango de frecuencias es [400 KHz-800 KHz]). 1. Dada la secuencia [ ], codifiquela en BPSK y 8PSK con un data rate de 300 kbps. Grafique las señales en el tiempo y obtenga conclusiones respecto a las ventajas y desventajas de cada esquema. Complete la siguiente tabla. Codificación f c Data Rate t bit t baud BPSK 600 KHz 300 Kbps 8PSK 600 KHz 300 Kbps 2. Complete la siguiente tabla general, expresando t bit y t baud en función de las variables f y DR. Codificación f c Data Rate t bit t baud BPSK f DR QAM f DR 8PSK f DR 3. A partir de una secuencia de 1000 bits al azar, obtenga la señal a transmitir en: BPSK, QPSK y 8QAM, con un data rate de 300 kbps. Muestre en un mismo gráfico el espectro en frecuencia de los 3 esquemas. Cuál requiere menor ancho de banda? 4. Suponiendo que este canal es libre de ruido, (a) Puede transmitirse por BPSK a 600 kbps? (b) Cuál es la máxima velocidad de transmisión empleando BPSK? (c) De que forma puede incrementarse la velocidad de transmisión? Existe algún límite? 5. Si consideramos ahora que el canal tiene un ruido tal que el SNR es de 10 db, Cuál es la máxima velocidad de transmisión empleando BPSK impuesta por el límite de Shannon?

4 Entrega: La práctica es individual. Cada alumno entregará un informe individual con el desarrollo de todos los puntos anteriores al finalizar la clase. La asistencia a la clase se verifica con la entrega de la práctica. Los alumnos ausentes deberán desarrollar la práctica en su casa y entregarla el siguiente viernes. Funciones del toolbox: datos=rand data(length) Genera un vector de datos binarios aleatorios signal=c nrzl(datos, DR, amplitud) Codifica un vector de datos en NRZL, con un data rate DR y una determinada amplitud. Por defecto, DR=1 y amplitud=1. signal=c nrzi(datos, DR, amplitud) signal=c ami(datos, DR, amplitud) signal=c b8zs(datos, DR, amplitud) signal=c hdb3(datos, DR, amplitud) signal=c manchester(datos, DR, amplitud) signal=c manchester diff(datos, DR, amplitud) signal=c bpsk(datos, DR, amplitud) Codifica un vector de datos en BPSK, con un data rate DR y una determinada amplitud y frecuencia de portadora. Por defecto, DR=1, amplitud=1 y fc=1. signal=c qpsk(datos, DR, amplitud) signal=c 8psk(datos, DR, amplitud) signal=c 8qam(datos, DR, amplitud) signal2=add noise(signal, db) Agrega un cierto nivel de ruido a una señal plot time(signal) Grafica una señal en el tiempo plot spec(signal1, signal2,...) Grafica el espectro en frecuencia de 1 o más señales datos=d nrzl(signal) Decodifica una señal NRZL. datos=d nrzi(signal) datos=d ami(signal) datos=d b8zs(signal) datos=d hdb3(signal) datos=d manchester(signal) datos=d manchester diff(signal) datos=d bpsk(signal) datos=d qpsk(signal) datos=d 8psk(signal) datos=d 8qam(signal)

5 Referencias [1] Data and Computer Communications, W. Stallings, 5ta Edición, Cap. 4 - Data Encoding [2] Redes de Computadoras, A. S. Tanenbaum, 4ta Edición, Cap.2 - Capa Física [3] (GNU/Linux), [4] (Windows 2000/XP/Vista, Marcar las Development Tools al instalarlo). [5]

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