CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE COMUNICACIONES DE DATOS

Transcripción

1 CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE COMUNICACIONES DE DATOS Comunicación de datos es la transmisión de información digital, normalmente en forma binaria, (bits: unos y ceros). Los 1s y 0s pueden provenir de voz codificada, datos o imágenes codificadas, etc.; esto es, señales digitales que pueden ser generadas por un computador o por cualquier otro tipo de dispositivo digital. Una red de comunicación de datos puede ser tan simple como dos computadores conectados o tan compleja que involucre a miles de computadores y terminales. Las comunicaciones de datos se han expandiendo vertiginosamente, y son cada vez más los usuarios que emplean sistemas de comunicaciones basados en computadores.

2 ESQUEMA DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN DE DATOS EQUIPO TERMINAL DE DATOS CODEC / MODEM CODEC / MODEM EQUIPO TERMINAL DE DATOS

3 ESQUEMA DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN DE DATOS: DTE (Data Terminal Equipment o Equipo Terminal de Datos): Incluye al terminal fuente o destino de datos y al controlador de comunicaciones Terminal fuente o destino de datos: PC, terminal, impresora, cinta magnética, etc. Constituye la fuente o destino final de los datos. Controlador de Comunicaciones: Permite el manejo adecuado de los datos estableciendo formatos, protocolos, etc. Interfaz: Punto en el cual un equipo se conecta a otro. Ej. RS232E, V35, X21, etc. Para conectar el DTE al DCE requerimos del concurso de un interfaz.

4 ESQUEMA DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN DE DATOS: DCE (Data Circuit-Terminating Equipment o Equipo de Terminación del Circuito de Datos): Tiene como función adaptar la información a transmitirse al medio de transmisión, mediante ciertas modificaciones de la misma, así pues el DCE lo puede constituir: CODEC, si la transmisión se realiza en banda base, en cuyo caso no hay traslación de frecuencias y la señal a transmitirse sigue siendo de naturaleza digital, aunque el espectro de la señal se puede modificar en cuestión de forma. MODEM, si la transmisión se realiza usando una portadora modulada, en cuyo caso la señal a transmitirse es analógica, y el espectro se traslada.

5 CÓDIGOS PARA REPRESENTAR LA INFORMACIÓN Para la transmisión de datos es usual representar la información (sea ésta: números, letras del alfabeto, símbolos u otros tipos de datos) como grupos de bits de longitud uniforme establecida o caracteres. Un código de a bits puede tener 2ª caracteres diferentes. Código ASCII normal ASCII (American National Standard Code for Information Interchange). Desarrollado por ANSI, código más usado por los terminales de computadora. Tiene 8 bits por carácter: 7 bits de datos, con un octavo bit de paridad, de manera que en total se tiene 128 posibles caracteres. El bit del extremo derecho es el bit 1 (LSB), siendo el primero en transmitirse en una transmisión serial; y, el del extremo izquierdo es el bit 8 (bit de paridad). Ej: A= o 41H Dispone de varios caracteres para control, ej: ESC: escape, ETB: fin de bloque de transmisión, ETX: fin de texto, etc.

6 Código ASCII Una versión modificada de ASCII, denominada ASCII extendido reemplaza el bit de paridad con un octavo bit de datos, en cuyo caso se tienen 256 diferentes caracteres, en los que se incluyen caracteres de otros idiomas, marcas de acentuación, caracteres científicos y gráficos. Es necesario que entre los equipos que se establece comunicación, todos usen el mismo código o haya conversión de código previamente.

7 Control de Paridad Uno de los aspectos fundamentales en la transmisión de datos es reconocer cuando ocurren errores en la transmisión; así pues cuando el transmisor envía un 1L y el receptor recibe un 0L se ha producido errores en la transmisión. La forma más elemental para detectar errores en una transmisión es mediante la adición de un bit de paridad, el cual constituye un bit auxiliar añadido a los bits de datos y que permite controlar si el caracter se recibió sin errores. El Bit de paridad es calculado evaluando el número de 1s presentes en el caracter. Así se pueden tener dos alternativas:

8 Control de Paridad Paridad Par: Si el número total de 1s de un caracter es un número impar, el bit de paridad es un 1L, de tal manera que el número total de 1s de todo el carácter (datos + paridad) sea un número PAR. Si por el contrario el número de 1s es par, el bit de paridad será un 0L, de manera que el número total de 1s sea nuevamente PAR. Paridad Impar: Similar al control de paridad par, pero en este caso el número de 1s de un caracter, incluido el de paridad, debe ser impar. Para la detección de errores se compara la paridad recibida con la paridad local que se calcula en el receptor. Si éstas son iguales NO se produjo error en la transmisión. Si éstas difieren, SI se produjo error. Si el número de bits errados es par, no se detectan estos errores mediante el chequeo del bit de paridad.

9 TRANSMISIÓN DE DATOS SERIAL Y PARALELA Transmisión Serial Los bits que constituyen un caracter son enviados uno a continuación de otro, a una determinada frecuencia de reloj, requiriendo de una sola vía de comunicación para la transmisión. Minimiza los costos de transmisión (una sola vía). Se utiliza en general para comunicaciones de larga distancia. Su desventaja principal es la reducida velocidad de transmisión, pues cada caracter debe ser desmembrado bit a bit para la transmisión y luego reconstituido en el receptor. Utilizada comúnmente para comunicación entre un host y terminales remotos. La mayoría de los sistemas de comunicaciones, debido a que realizan comunicaciones a gran distancia, son del tipo serial.

10 TRANSMISIÓN DE DATOS SERIAL Y PARALELA Transmisión Paralela Los bits que conforman un caracter se transmiten simultáneamente, por tanto se requerirán tantas vías de comunicación como bits tenga el caracter. Permite conseguir mayores velocidades de transmisión. Los costos de transmisión se incrementan, pues se requiere de una infraestructura más compleja. Adecuada para cortas distancias, como por ejemplo entre el computador y la impresora. El sincronismo en un sistema de comunicación en paralelo complica su implementación práctica. Generalmente las comunicaciones en paralelo utilizan 8 vías para enviar caracteres de 8 bits de datos (byte) simultáneamente.

11 TRANSMISIÓN ASINCRÓNICA Y SINCRÓNICA DE LA INFORMACIÓN Existen dos métodos comunes hoy en día para realizar una transmisión de información digital. Su diferencia radica en la forma como se establece la referencia de tiempo común (sincronismo) entre el transmisor y el receptor, a fin de poder interpretar correctamente la información que está siendo transmitida.

12 TRANSMISIÓN ASINCRÓNICA DE LA INFORMACIÓN Transmisión Asincrónica o Start-Stop Asíncrono significa que transmisor y receptor tienen sus propios relojes, de igual frecuencia, pero independientes. No existe una señal de sincronismo enviándose entre Tx y Rx, es decir no existe una coordinación temporal estricta entre el Tx y Rx. La estrategia de este método para solucionar el problema de la sincronización consiste en NO enviar cadenas de bits largas e ininterrumpidas. Los datos son transmitidos un CARACTER a la vez y cada caracter debe consistir de un número reducido de bits dependiendo del código utilizado. La sincronización debe mantenerse solamente dentro de cada caracter, el receptor tiene la oportunidad de resincronizarse al inicio de cada nuevo caracter. En este modo de transmisión el tiempo transcurrido entre el envío de un caracter y el siguiente es aleatorio, por lo que la eficiencia disminuye debido al tiempo que transcurre entre caracteres.

13 Transmisión Asincrónica o Start-Stop

14 Transmisión Asincrónica o Start- Stop Cuando se realiza una transmisión asincrónica de un caracter, se empieza enviando un bit de inicio (start), el cual es un 0L, seguido entonces por los bits de datos propiamente, a los que se puede adicionar o no un bit de control de paridad; y, se termina enviando el o los bits de parada (1, 1.5 o 2), el cual es un 1L que lleva a la línea al estado de reposo. Es decir el transmisor avisa al receptor que va a llegar un carácter con el bit de inicio de éste, y la finalización de dicho carácter con el o los bit(s) de parada. En el estado de reposo, el receptor espera por una transición de 1 a 0 para reconocer el inicio del siguiente caracter y luego muestrea (lee) la señal entrante correspondiente a ese caracter a intervalos Tb, tantas veces cuantos bits tenga el caracter asincrónico que está siendo leído, quedando luego a la espera de la siguiente transición de 1 a 0.

15 Transmisión Asincrónica o Start-Stop

16 Transmisión Asincrónica o Start- Stop No se envía reloj o señales de sincronización con los datos, sino que el transmisor y el receptor tienen en una transmisión asincrónica relojes internos que se sincronizan en cada caracter que está siendo enviado a partir del bit de inicio. Es decir que cuando el bit de inicio llega al Rx, éste dispara su reloj interno y se mantiene esperando por la lectura de los bits que vienen luego (datos+paridad). Transmisor y receptor deben trabajar a la misma velocidad de transmisión. Este modo de transmisión es utilizado en general para bajas velocidades de transmisión.

17 Transmisión Sincrónica Los caracteres en una transmisión sincrónica son transmitidos uno tras otro de una manera secuencial y sin pausas entre caracteres. Los caracteres a ser transmitidos no incluyen bits de inicio y de parada, pero en su lugar la sincronización es provista o bien usando caracteres de sincronismo o bien usando señales de reloj, prefiriéndose la primera alternativa. La transmisión sincrónica de datos generalmente involucra el envío de largos bloques de caracteres; y, se envían caracteres especiales de sincronismo al inicio de este bloque de datos. Estos caracteres de sincronismo constituyen una serie específica de bits que el dispositivo receptor puede usar para ajustarse a la velocidad exacta del transmisor.

18 Transmisión Sincrónica

19 Transmisión Sincrónica Además de los datos y de la sincronización, es necesario incluir: caracteres de comienzo y de final del bloque de datos, caracteres para corrección de errores y control, etc. Toda esta estructura se denomina trama. Entre tramas, se mantiene activo el canal con la transmisión continua de caracteres especiales. De no utilizarse estos caracteres deberán enviarse dos o más caracteres de sincronismo. El modo de transmisión sincrónica se utiliza para transmitir grandes bloques de datos o para tener elevadas velocidades de transmisión. La eficiencia en una transmisión sincrónica es significativamente mayor a la del modo asincrónico

20 Transmisión Sincrónica

21 Eficiencia de Transmisión ( ): Es la relación entre el número de bits de datos o información propiamente transmitidos con respecto al número de bits totales transmitidos = # de bits de datos / # total de bits transmitidos En una transmisión asincrónica, al introducir en cada caracter bits de inicio y de parada, disminuye su eficiencia. Se podría aumentar la eficiencia de la transmisión asincrónica enviando caracteres de mayor longitud, pero con ello se eleva la probabilidad de error de sincronismo o temporización. La transmisión sincrónica es ventajosa, sobre todo cuando se envían largos bloques de datos, pues la eficiencia de transmisión es directamente proporcional al tamaño del bloque de caracteres que está siendo transmitido.

22 Eficiencia de Transmisión ( ): Una transmisión asincrónica con 1 bit de inicio, 1 bit de paridad y 1 bit de parada; velocidad de transmisión de 2Kbps. 800 bits de datos 1100 bits totales = % Una transmisión sincrónica con 1 caracter de sincronismo, 2 de inicio y fin de bloque y 1 caracter para control de errores, adicionales a los 100 caracteres. 100*8 104* %

23 MODOS DE EXPLOTACIÓN DEL CANAL DE TRANSMISIÓN En comunicaciones de datos se tienen 3 modos de transmisión: Simplex, Half Duplex, Full Duplex; y, adicionalmente se habla de un cuarto modo Full Full Duplex que es una variante del modo Full Duplex. Simplex (SX) La comunicación se efectúa en un solo sentido, sin posibilidad de hacerlo en sentido opuesto. Así, un dispositivo será el encargado específicamente de transmitir datos y el otro de recibirlos. Un sistema de comunicaciones de un aeropuerto, que informa la llegada y salida de los aviones es un ejemplo de comunicación simplex. El Host está permanentemente actualizando la información en los terminales.

24 MODOS DE EXPLOTACIÓN DEL CANAL DE TRANSMISIÓN Half Duplex (HDX) o Semiduplex La comunicación puede efectuarse en los dos sentidos pero no al mismo tiempo. Así, solamente un dispositivo transmite datos a un tiempo dado; y, generalmente ocurre una pausa entre el tiempo que terminó de enviar los datos el un dispositivo y el tiempo en que responde el otro; esto reduce la eficiencia del sistema. Una comunicación entre un terminal bancario y su correspondiente Host es una comunicación half duplex.

25 MODOS DE EXPLOTACIÓN DEL CANAL DE TRANSMISIÓN Full Duplex (FDX) La comunicación se efectúa en los 2 sentidos de manera simultánea, es decir que ambos dispositivos en comunicación tienen la capacidad de recibir y transmitir datos al mismo tiempo. Una comunicación entre dos computadores puede ser un ejemplo de este tipo de comunicación.

26 TRANSMISIÓN MUTINIVEL En los sistemas de transmisión digital se utilizan señales multinivel, es decir señales de más de 2 niveles. En este escenario se transmiten símbolos, donde cada símbolo corresponde a una grupo de bits, y a cada símbolo diferente se le asigna un nivel de señal distinto para su transmisión. El objetivo de una transmisión multinivel es reducir requerimientos de ancho de banda.

27 TRANSMISIÓN MULTINIVEL Cuando se transmiten símbolos, aparece el concepto de velocidad de símbolo o velocidad de señal, que es la razón del número de símbolos que se transmiten por unidad de tiempo (segundo). Un símbolo es la agrupación de m bits.

28 VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN, VELOCIDAD DE SEÑAL y VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN Velocidad de señal: (Vs) Expresada en símbolos por segundo o baudios, constituye la velocidad de transferencia de la información en baudios o el número de símbolos que se transmiten por el canal en la unidad de tiempo. Otras denominaciones para la velocidad de señal son: tasa de símbolos (symbol rate), tasa de baudio (baud rate. Una vez que los bits se agrupan en símbolos para la transmisión, a cada uno de estos símbolos se le asigna un nivel de señal para efectos de la transmisión. A una señal de esta naturaleza digital se denomina señal multinivel.

29 Velocidad de señal: (Vs) El objetivo de trabajar con señales multinivel es disminuir los requerimientos en ancho de banda para la transmisión.[1]. Sea M el número de niveles, un nivel puede transportar m bits, con m = log2 M, por tanto el tiempo o período de símbolo, Ts, es: Ts = m Tb La velocidad de señal se relaciona con la velocidad de transmisión de la forma: Vs = 1/ Ts = 1/mTb = Vt/m = Vt/ log2 M (símbolos/seg o baudios) Vt = log2 M * Vs [1] Para una señal binaria el primer cruce por cero del espectro se da a 1/Tb. El espectro de una señal multinivel mantiene la forma del espectro de una señal binaria, pero los cruces por cero del espectro se dan ahora a múltiplos de 1/Ts.

30 VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN, VELOCIDAD DE SEÑAL y VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN Velocidad de transmisión: (Vt) Expresada en bits por segundo, bps (bits per second), constituye la velocidad a la que se transfiere la información o el número de bits que se transmiten por unidad de tiempo. A la velocidad de transmisión también suele denominarse: velocidad binaria, velocidad numérica, tasa de bit (o bit rate). Si el tiempo de duración de un bit (período de bit) es Tb segundos, la velocidad de transmisión será el inverso del período de bit, esto es: Vt = 1/Tb (bps)

31 BER (BIT ERROR RATE) TASA DE BITS ERRADOS (BER) Tasa a la cual los errores ocurren, donde un error corresponde a la recepción de un 1 cuando un 0 fue transmitido y viceversa. Corresponde el BER entonces a la proporción de bits errados respecto a los bits transmitidos en un determinado intervalo de tiempo, así: BER = Número de bits errados/ Número de bits transmitidos Así, si se tiene un bit errado en una transmisión de 1000 bits promedio, el BER es10-³.

32 ALTERACIONES DE LA SEÑAL Ruido Constituyen señales indeseables que se introducen a lo largo del trayecto de transmisión. Se considera como ruido a aquella señal fortuita e impredecible que altera la señal deseada, generado por causas internas y externas al sistema. Constituye uno de los principales factores que limitan el desempeño de un sistema de comunicaciones.

33 Ruido Ruido generado por causas externas Es el ruido generado fuera del dispositivo o medio de transmisión. Las fuentes principales de ruido externo son: a.1) Ruido generado por el hombre o ruido industrial, más intenso en áreas metropolitanas pobladas e industriales- ruido generado por las luces fluorescentes, los conmutadores en los motores eléctricos, etc. Con incidencia marcada en el rango de frecuencias menores a 500 MHz.

34 Ruido a.2) Ruido generado por la naturaleza a.2.1) Ruido atmosférico: generado por disturbios eléctricos originados en la atmósfera terrestre, con incidencia para frecuencias por debajo de 20 MHz. a.2.2) Ruido extraterrestre o espacial: Originado fuera de la atmósfera de la tierra, a veces llamado ruido generado por el espacio profundo. Con incidencia en el rango de frecuencias entre 8 MHz y 1.5 GHz. Dentro del cual se tiene al ruido solar causado por el sol y al ruido cósmico causado por otras estrellas.

35 Ruido Ruido generado por causas internas Generado dentro del dispositivo o medio de transmisión. Dentro de esta categoría de ruido se tiene esencialmente al ruido térmico o también denominado ruido blanco o de Johnson, el cual se genera por el movimiento aleatorio de los electrones en un conductor o sistema electrónico debido a la temperatura, siendo por tanto función de la temperatura. La densidad de potencia No del ruido blanco es constante para una temperatura dada, esto es: No = KT (watts/hz) Donde K es la constante de Boltzman 1.38x10-23 J/ K y T es la temperatura absoluta. Dado que la densidad espectral de potencia es constante y tiene todas las componentes de frecuencia en igual proporción, se suele llamar a este ruido como ruido blanco, por analogía con la luz blanca.

36 Ruido Térmico La potencia de dicho ruido, N, presente en un ancho de banda de AB (Hz) es directamente proporcional a la temperatura y al ancho de banda (AB) en consideración, así: N = KT AB ( watt) Donde K es la constante de Boltzman 1.38x10²³ J/ K y T es la temperatura absoluta ( K).

37 EL CANAL DE TRANSMISIÓN: ANCHO DE BANDA, S/N y CAPACIDAD Ancho de Banda Una de las características fundamentales de un canal de transmisión es su ancho de banda, pues éste determina la capacidad del canal para permitir el paso (más fielmente) de un rango de frecuencias, estableciéndose una relación de proporción directa entre el ancho de banda del canal y su capacidad para transmitir los datos. Todos los canales de transmisión en la práctica tienen un ancho de banda limitado y su costo depende del mismo. Dado un canal con un determinado ancho de banda, se deberá usarlo de la forma más eficiente, esto es tratando de lograr la máxima velocidad para un límite de tasa de error (BER, Bit Error Rate).

38 EL CANAL DE TRANSMISIÓN: ANCHO DE BANDA, S/N y CAPACIDAD Relación Señal a Ruido (S/N) Como se indicó en la sección anterior existen varias anomalías (ruido, interferencia y distorsión) que contaminan a una señal que viaja por un determinado canal de transmisión. Estas anomalías afectan a la velocidad de transmisión de los datos, dentro de ellas la más crítica es el ruido. A un nivel de potencia de ruido dado, N constante, mientras mayor es la velocidad de transmisión de los datos más alta es la tasa de bits errados (BER). La potencia de la señal, S, es determinante en la velocidad de transmisión, así, dada una determinada relación S/N, la máxima velocidad de transmisión a la que se puede transmitir dicha señal dependerá del valor de S/N.

39 EL CANAL DE TRANSMISIÓN: ANCHO DE BANDA, S/N y CAPACIDAD Teorema de Hartley Shannon Este teorema establece que la capacidad (máxima velocidad de transmisión) de un canal ruidoso depende de la relación S/N y del ancho de banda AB del canal, de acuerdo a: C = AB log2 (1 + S/N) [bps] Donde: S/N = Relación señal a ruido numérica AB = ancho de banda del canal N = potencia de ruido blanco. Shannon estableció que si se transmite a una velocidad de transmisión menor que la capacidad del canal, teóricamente es posible usar un código de control de errores adecuado para conseguir una transmisión libre de errores a través del canal.

40 EL CANAL DE TRANSMISIÓN: ANCHO DE BANDA, S/N y CAPACIDAD Ejemplo: Si se usa el canal telefónico para transmitir datos vía módem, donde una relación S/N típica es de 30dB, la máxima tasa de transmisión permisible será: AB 4KHz S/N = 30 db = 1000 C = 4 x 10³ log2 (1+1000) 40 Kbps

41 Relación de Nyquist En un canal ideal sin ruido (S/N = ), de determinado ancho de banda, la capacidad del canal teórica es, es decir que no habría límite en la máxima velocidad de transmisión. Sin embargo, en estas condiciones el límite es impuesto por las características de la señal, más concretamente por el ancho de banda de la señal. Una formulación de esta limitación la constituye la denominada relación o tasa de Nyquist. Caso binario: Dada una señal binaria con un ancho de banda AB, según Nyquist, la máxima velocidad de transmisión que se puede lograr con dicha señal es 2AB. Esto es: Vt máx = 2AB [bps]

42 Relación de Nyquist Caso multinivel: Si se usan señales de más de 2 niveles, cada elemento de señal (símbolo) puede transportar más de un bit. Ej. Con 4 niveles se puede representar 2 bits por símbolo. Con una señal multinivel, de M niveles, la formulación de Nyquist llega a ser: Vtmáx = 2AB log2 M [bps] Donde: M = número de niveles de la señal, M = 2m. m = número de bits por símbolo. Aumentando M se puede incrementar la velocidad de transmisión, pero el ruido y otras alteraciones en el canal de transmisión limitan en la práctica el valor de M.

43 Eficiencia espectral o densidad de información: ( ) Mide que tan eficientemente se utiliza un determinado ancho de banda disponible para transmitir por él información y está dada por la relación Vt/AB, esto es, la eficiencia espectral mide los bps por hertz que se transmiten. = Vt/AB [bps/hz]

44 ENERGÍA DE LA SEÑAL POR BIT / DENSIDAD DE POTENCIA DE RUIDO POR HERTZ [Eb/No] Este parámetro permitirá también relacionar la S/N con la velocidad de transmisión y el BER. Se puede llegar a demostrar que: Eb/No = (S/Vt)/No = S/KTVt Donde: S = potencia de la señal (watt) Vt = velocidad de transmisión (bps) N0= densidad de potencia del ruido (watt/hertz) K = constante de Boltzmann = 1.38 x (Joules/ K) T = temperatura en grados Kelvin

45 ENERGÍA DE LA SEÑAL POR BIT / DENSIDAD DE POTENCIA DE RUIDO POR HERTZ [Eb/No] N0, la densidad de potencia de ruido, representa la cantidad de ruido presente en un ancho de banda de 1 hertz. Este parámetro se relaciona con la potencia de ruido N, que representa la cantidad de ruido presente en un ancho de banda AB, de la siguiente manera; N = N0 AB Eb/N0 = (S/N)/ =(S/N)/(Eb/N0)

46 ENERGÍA DE LA SEÑAL POR BIT / DENSIDAD DE POTENCIA DE RUIDO POR HERTZ [Eb/No] Ejercicio: Si en un sistema de comunicaciones se requiere una relación Eb/N0 de 8.4 db para conseguir un BER de 10-4 y si la temperatura ambiente es de 290 K y la velocidad de transmisión de 2400 bps, determinar el nivel requerido de la señal recibida, tanto en dbw como en W. 8.4 (db) = S (dbw) 10 log log db = S (dbw) 10(3.38) (2.46) S (dbw) = S = x W.

47 V. TRANSMISIÓN CON PORTADORA: MODULACIÓN DIGITAL Los datos son transmitidos usando una señal portadora (sinusoide), la cual es modulada de acuerdo a la información digital (señal en banda base) que se desea transmitir. En el lado del receptor mediante el proceso de demodulación la señal recibida es convertida nuevamente al formato digital. El espectro de la señal original (en banda base) luego de la modulación se traslada desde la gama de frecuencias en banda base a la gama de frecuencias de la onda portadora, la cual es generalmente una señal de alta frecuencia.

48 MODULACIÓN DIGITAL El utilizar frecuencias superiores proporciona mayores anchos de banda para la transferencia de la información, lo cual redunda en una capacidad superior y en el uso de antenas de menor tamaño. Así mismo usando modulación se puede conseguir mayores alcances en la transmisión y una radiación de la energía mas efectiva.

49 MODULACIÓN DIGITAL La modulación digital es el proceso de introducir en la amplitud, frecuencia, fase o una combinación de estos parámetros de una Onda Portadora (sinusoide), la información digital (modulante) que se desea transmitir. La sinusoide que actúa de portadora tiene la forma: Ap Cos (Wpt + Φ) Ap: es la amplitud pico de la portadora Wp: es la frecuencia angular de la portadora Φ: es la fase de la portadora sin modular.

50 5.1 MODULACIÓN DE AMPLITUD (ASK) ASK varía la amplitud de la portadora de acuerdo a la modulante (información digital). Modulación por encendido y apagado OOK ( On/Off Key ). Caso particular de la modulación ASK que se puede generar multiplicando la portadora con una señal modulante unipolar, bm(t). La expresión matemática de la señal modulada OOK, considerando una portadora de amplitud pico unitaria y fase nula, toma la forma: SOOK(t) = bm (t).cos (Wpt) Una señal OOK se caracteriza por asignar una portadora presente (ON) para los datos 1L y asignar una portadora ausente (OFF) para los datos 0L, tal como se muestra en la Fig. 5.17(c).

51 MODULACIÓN OOK y BPSK

52 Modulación por encendido y apagado OOK ( On/Off Key ). En OOK la información está en la envolvente de la portadora modulada. Un demodulador OOK requiere de un proceso de detección de envolvente muy simple de implementar. El espectro de una señal OOK se muestra en la Fig. siguiente (a). Donde se observa el ancho de banda de una señal modulada OOK es el doble respecto al de la señal en banda base (señal modulante).

53 ESPECTRO DE OOK y BPSK

54 5.2 MODULACIÓN DE FRECUENCIA (FSK) La modulación FSK (Frequency Shift Keying) es una modulación digital del tipo angular, en la que a un estado de la señal de datos le corresponde una determinada frecuencia de la señal modulada. La expresión general de una señal modulada FSK, considerando una portadora de amplitud pico unitaria y fase nula, es la siguiente: SFSK(t) = Cos {Wp + [bm (t). W]/2}t Donde: bm (t) =señal digital NRZ en banda base, relacionada con los datos Wp = frecuencia angular de la portadora W = diferencia de frecuencia entre 2 frecuencias adyacentes de la señal modulada.

55 MODULACIÓN DE FRECUENCIA (FSK) A la relación W/2 para el caso B-FSK se denomina desviación de frecuencia angular pico y W es la llamada desviación de frecuencia (angular) pico-pico. Al producto de la desviación de frecuencia pico-pico por el período de bit se denomina índice de modulación ( ). = f Tb Donde f = W/2 ;y, Tb es el período de bit Según la regla de Carlson, el ancho de banda requerido por una señal FSK binaria corresponde a: ABFSK = f ( 1 + 1/β) La modulación FSK no se utiliza en radio digital por su baja calidad y pobre eficiencia espectral (debido al gran ancho de banda que ocupa la señal modulada). Se utiliza fundamentalmente en transmisión de datos a baja velocidad sobre línea telefónica.

56 5.2.1 Modulación FSK sin discontinuidad de Fase CPFSK (Continuous Phase FSK) o FSK Coherente En este método cuando cambian los datos, cambia la frecuencia pero se mantiene la continuidad de fase, así pues la señal modulante varía la frecuencia de la portadora de acuerdo a los datos pero de manera continua, de forma tal que la señal modulada en frecuencia resultante es de fase continua, tal como se aprecia en la Figura siguiente:

57 5.2.1 Modulación FSK sin discontinuidad de Fase CPFSK (Continuous Phase FSK) o FSK Coherente

58 5.2.2 Modulación FSK con discontinuidad de Fase NCPFSK (Non Continuous Phase FSK) o FSK NO Coherente Es una técnica de modulación en la cual en el momento de la conmutación de frecuencia no se mantiene la fase de la señal, produciéndose saltos de fase. Una señal modulada FSK no coherente se muestra en la figura siguiente, donde se puede observar la discontinuidad de fase en los momentos de cambio de estado en los datos.

59 ESPECTRO FSK COHERENTE

60 5.3 MODULACIÓN DE FASE (PSK) En la modulación PSK (Phase Shift Keying), es la fase de la portadora la que cambia de acuerdo a la señal de datos, en tanto que la amplitud y frecuencia de la portadora modulada se mantienen constantes. Constituye un tipo de modulación angular muy eficiente. Ampliamente utilizada en radio digital,modems, sistemas spread spectrum, etc por sus características de amplitud constante, insensibilidad a la distorsión de amplitud y buen desempeño contra errores. Se tienen dos esquemas de modulación PSK, de acuerdo a cómo se dan los cambios en la fase de la portadora modulada.

61 5.3.1 MODULACIÓN PSK CONVENCIONAL En PSK convencional la información (modulante) está en el valor absoluto de la fase de la portadora modulada. La expresión matemática para una señal modulada PSK, considerando una portadora de amplitud pico unitaria y fase inicial nula, es: SPSK(t) = cos {Wp t + i} i: fase de la portadora modulada, la misma que varía de la forma: i = [bm (t). ]/2 Donde: bm (t) = señal simétrica NRZ en banda base de M niveles, que toma los valores ±1, ±3.. M = número de fases (potencia de 2) Wp = frecuencia angular de la portadora = 2 /M = separación entre fases adyacentes de la portadora modulada.

62 Modulación BPSK o 2-PSK En este caso se tienen dos fases diferentes (M=2), asignándose una de ellas a los 1s y la otra a los 0s. La separación entre fases adyacentes es de 180º, pues = 2 /M =. Conforme cambian los datos de entrada, la fase de la portadora de salida (señal modulada) varía entre dos ángulos que están 180º fuera de fase. En el dominio del tiempo la portadora modulada para el caso BPSK se vería como lo muestra la Figura siguiente.

63 Modulación BPSK o 2-PSK

64 Modulación BPSK o 2-PSK La relación entre la velocidad de modulación (Vm en baudios) y la velocidad de transmisión (Vt en bps) para BPSK (M=2) es: Vm = Vt/ log2 M = Vt El ancho de banda de una señal modulada BPSK es el doble del de los datos. ABBPSK = 2 ABBB

65 Modulación QPSK o 4-PSK Para una señal modulada QPSK el número de fases correspondientes es 4 (pues M=4). Con cada fase se transmitirá dos bits y éstas estarán separadas 90, pues = 2 /M = /2. Cada símbolo (2 bits) diferente genera una de las cuatro fases posibles. Para cada símbolo que entra a un modulador QPSK, ocurre un cambio de fase en la salida del modulador.

66 Modulación QPSK o 4-PSK La relación entre la velocidad de modulación Vm y la velocidad de transmisión Vt en QPSK será: Vm (baudios) = Vt/ log2 M = Vt/2 Una reducción en la velocidad de modulación está asociada con una disminución en el ancho de banda de la señal modulada. La forma de la señal modulada QPSK en el dominio del tiempo sería como lo muestra la Figura siguiente, en donde se presentan 4 fases diferentes (+135, +45,-45 y -135 ) cada una de ellas asociada a una pareja de bits diferentes (10, 11, 01 y 00 respectivamente).

67 Modulación QPSK o 4-PSK

68 5.3.3 Modulación 8PSK y 16 PSK Se requieren 8 y 16 fases diferentes en cada caso, separadas 45º y 22.5º respectivamente. En 8PSK con cada fase se transmiten 3 bits y en 16PSK con cada fase se transmiten 4 bits. Para 8 PSK la velocidad de modulación Vm es Vt/3; en tanto que para 16 PSK Vm es igual a Vt/4.

69 MODULACIÓN DE FASE (M-PSK) El ancho de banda de las señales moduladas M-PSK se reduce en la misma proporción en la que se reduce la velocidad de modulación. El espectro de una señal modulada M-PSK tiene la misma forma que el de una señal BPSK; sin embargo a medida que aumenta el estado de la modulación (M), el primer anulamiento del espectro se reduce a 1/log2M(Tb).

70 ESPECTRO DE UNA SEÑAL MODULADA M-PSK

71 MODULACIÓN DE FASE (M-PSK) A mayor número de estados de modulación (M), la velocidad de modulación Vm disminuye, y consecuentemente el ancho de banda de la señal modulada, esto es: ABMPSK = ABBPSK/ log2 M Para una misma velocidad de transmisión, la modulación 8-PSK ocupa la tercera parte de ancho de banda que una señal B- PSK, en tanto que una 4-PSK ocupa la mitad que una B-PSK.

72 MODULACIÓN DE FASE (M-PSK) La inmunidad de una modulación digital en general, y de MPSK en particular, frente a las perturbaciones como ruido, resulta mayor cuanto más separadas están las fases. Si se incrementa M, manteniendo la S/N constante, disminuye la separación entre fases adyacentes, posibilitando mayores errores en recepcción; sin embargo, al subir M aumenta la información contenida en la señal y disminuye la velocidad de modulación y por ende el ancho de banda requerido.

73 5.3.2 MODULACIÓN DIFERENCIAL PSK (DPSK) Se tiene una modulación PSK diferencial cuando la información está contenida en las variaciones de la fase de la portadora modulada, con respecto a la fase del estado anterior. En una modulación DPSK cada símbolo produce un incremento (salto) de fase en la portadora, con respecto a la fase del estado anterior. DPSK equivale a una modulación PSK en la que para cada intervalo se toma como origen de fases, la fase de la portadora del intervalo anterior.

74 5.4 MODULACIÓN DE AMPLITUD EN CUADRATURA (QAM) Una modulación QAM (Quadrature Amplitude Modulation) involucra la variación simultánea de dos parámetros de la onda portadora: amplitud y fase. La expresión matemática de una señal modulada QAM es de la forma: SQAM(t) = ri Cos{Wp t + i} ri está asociado con los cambios en amplitud de la portadora modulada, en tanto que i está asociado con los cambios en fase de la portadora modulada. Es posible considerar a la modulación QAM como una extensión de la modulación PSK.

75 MODULACIÓN DE AMPLITUD EN CUADRATURA (QAM) 4 QAM es idéntico al caso 4 PSK. Sin embargo, sistemas QAM de mayor orden (M>4) son diferentes a los sistemas de múltiples fases PSK. En contraste con la señal PSK, QAM no tiene envolvente constante, pues en QAM varía la amplitud de la portadora modulada. La característica de comportamiento frente al error de QAM y PSK es diferente. M-QAM es más robusta que M-PSK para el mismo número de estados de modulación.

76 MODULACIÓN DE AMPLITUD EN CUADRATURA (QAM) Para un igual número de estados de modulación, los espectros de MPSK y MQAM son idénticos. En general, la modulación QAM da una tasa de error (BER) menor que la PSK para la misma relación S/N; y, esta última presenta un comportamiento mejorado con respecto a la modulación ASK.