Comunicación de Datos Escuela Superior de Informática. Tema 1 Fundamentos de la Comunicación de Datos

Transcripción

1 Comunicación de Datos Escuela Superior de Informática Tema 1 Fundamentos de la Comunicación de Datos

2 Terminología (1) Transmisor Receptor Medio Medio guiado Par trenzado, cable coaxial, fibra óptica Medio no guiado Aire, agua, vacío ESI-CR.UCLM 2

3 Terminología (2) Enlace directo Sin dispositivos intermedios Punto a punto Enlace directo Sólo intervienen dos dispositivos en el enlace Enlace múltiple Intervienen más de dos dispositivos en el enlace ESI-CR.UCLM 3

4 Terminología (3) Simplex Una dirección Ej: Radiodifusión Semi duplex Dos direcciones, pero no simultáneas Duplex Ej: Radioaficionados Dos direcciones simultáneas Ej: Teléfonos ESI-CR.UCLM 4

5 Frecuencia, espectro y ancho de banda Conceptos en el dominio del tiempo Señal continua Varía de una forma continua en un margen de tiempo Señal discreta Mantiene constante un nivel y cambia a otro nivel distinto Señal periódica Repite un patrón en el tiempo Señal no periódica No repite un patrón en el tiempo ESI-CR.UCLM 5

6 Señales Continuas y Discretas ESI-CR.UCLM 6

7 Señales periódicas ESI-CR.UCLM 7

8 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 ESI-CR.UCLM 8

9 Distintas ondas sinusoidales en función de sus parámetros ESI-CR.UCLM 9

10 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 v λ = v T 0 λ F 0 = v v = 3*10 8 m/s (velocidad de la luz en espacio libre) ESI-CR.UCLM 10

11 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 ESI-CR.UCLM 11

12 Suma de componentes de frecuencia ESI-CR.UCLM 12

13 Dominio de la Frecuencia Señal periódica Señal no periódica: pulso rectangular ESI-CR.UCLM 13

14 Espectro y Ancho de Banda Espectro Margen de frecuencias contenidas en la señal Ancho de Banda absoluto Anchura del espectro Ancho de Banda efectivo A 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 ESI-CR.UCLM 14

15 Señal con Componente Continua x( t) = 1+ (4 / π )sin(2πft) + (1/ 3)sin(3 2πft) ESI-CR.UCLM 15

16 Ancho de Banda y Velocidad Binaria Cualquier sistema de transmisión tiene una banda limitada de frecuencias Ello limita la velocidad binaria que puede soportar ESI-CR.UCLM 16

17 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 4 1 s( t ) = sin( 2πfkt π k k También es una señal digital binaria a una determinada velocidad en bits por segundo (bps) ) ESI-CR.UCLM 17

18 Componentes en frecuencia de una onda cuadrada ESI-CR.UCLM 18

19 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 Caso 2. Frecuencia 2 MHz. Anchura bit 0,25 µs (desde f hasta 5f), Ancho de banda = 8 MHz Velocidad de transmisión = 4 Mbps Caso 3. Frecuencia 2 MHz. Anchura bit 0,25 µs (hasta f hasta 3f) Ancho de banda = 4 MHz Velocidad de transmisión = 4 Mbps ANCHO DE BANDA (Hz)<= 2VELOCIDAD (bps) ESI-CR.UCLM 19

20 Efecto del ancho de banda en las señales digitales ESI-CR.UCLM 20

21 Datos Analógicos Valores continuos en un intervalo determinado Ej: sonido, video,... Digitales Valores discretos Ej: texto, números enteros,... ESI-CR.UCLM 21

22 Transmisión de Datos Analógicos y Digitales Datos Entidades que portan información Señales Representación eléctrica o electromagnética de datos Señalización Propagación física de señales por el medio adecuado Transmisión Comunicación de datos mediante la propagación y proceso de señales ESI-CR.UCLM 22

23 Espectro acústico (analógico) ESI-CR.UCLM 23

24 Señales Analógicas Variable de forma continua Varios medios Cable, 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 Digitales Usan dos componentes continuas Se convierten datos discretos de varios valores en binario (ASCII) ESI-CR.UCLM 24

25 Datos y señales Datos analógicos Señal analógica Señal digital 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 ESI-CR.UCLM 25

26 Señales analógicas que portan datos analógicos y digitales ESI-CR.UCLM 26

27 Señales digitales que portan datos analógicos y digitales ESI-CR.UCLM 27

28 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 ESI-CR.UCLM 28

29 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 ESI-CR.UCLM 29

30 Ventajas de la transmisión digital Tecnología digital Bajo coste tecnología LSI/VLSI Integridad de los datos El uso de repetidores permite mayores distancias incluso en líneas de baja calidad Utilización de la capacidad Se ha conseguido mayor ancho de banda en enlaces baratos Mayor grado de multiplexación y más fácil con técnicas digitales Seguridad y Privacidad Cifrado Integración Se pueden tratar los datos analógicos y digitales de forma similar, independientemente de cuál sea su origen (voz, datos) ESI-CR.UCLM 30

31 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 por Atenuación y distorsión de atenuación Distorsión de retardo Ruido ESI-CR.UCLM 31

32 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 ESI-CR.UCLM 32

33 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 ESI-CR.UCLM 33

34 Ruido (1) Señales adicionales insertadas entre el transmisor y el receptor Térmico Debido a la agitación térmica de los electrones Aumenta linealmente con la temperatura absoluta (N 0 = kt) Uniformemente distribuido en la frecuencia Ruido blanco (N BW = ktb) Intermodulación Señales que son la suma y la diferencia de frecuencias originales y sus múltiplos (mf 1 ± nf 2 ) Se produce por falta de linealidad ESI-CR.UCLM 34

35 Ruido (2) Diafonía Una señal de una línea se mete en otra Impulsivo Impulsos irregulares o picos Ej: Interferencia electromagnética externa (tormenta) Corta duración Gran amplitud ESI-CR.UCLM 35

36 Efecto del ruido en señal digital ESI-CR.UCLM 36

37 Conceptos relacionados con la capacidad del canal Velocidad de datos En bits por segundo Velocidad a la cual se pueden transmitir los datos Ancho de Banda En 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 ESI-CR.UCLM 37

38 Ancho de Banda de Nyquist (ancho de banda teórico máximo) Para 2 niveles SIN RUIDO Velocidad binaria Para M niveles SIN RUIDO Velocidad binaria 1 Baudio = 1 estado señalización/sg 1 Baudio = 1 bps si M=2 C ( bps) = 2B( Hz) C ( bps) = 2B( Hz) log 2M ( niveles) La relación entre la velocidad de transmisión C y la velocidad de modulación V es: C( bps) = V ( baudios ) log 2 M ESI-CR.UCLM 38

39 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 SNR db =10 log( SNR) = 10log Potencia Potencia Señal Ruido Restricción: no se puede aumentar M cuanto se quiera porque debe cumplirse: M 1+SNR ESI-CR.UCLM 39

40 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: C ( bps) = V log = M Es decir, 2 M = 2 B log2m B log2 C ( bps) = B( Hz) log (1 + SNR) máx 2 ESI-CR.UCLM 40 2

41 Ejemplo Canal entre 3 MHz y 4 MHz Relación señal ruido = 24 db, SNR=10 2,4 =251 Calcular ancho de banda Respuesta: B = 1 MHz Calcular la velocidad binaria teórica máxima y el número de niveles Respuesta: SNR = 251 Respuesta: C = 8 Mbps Respuesta: M = 16 niveles ESI-CR.UCLM 41

42 Relación E b /N 0 (1) E b : energía de señal por bit (E b =ST b =S/R) siendo S potencia señal, T b tiempo de un bit, R bits/sg N 0 : densidad de potencia de ruido por Hz Se demuestra fácilmente que: O bien E N b 0 db E b S / R = = N N = 0 S dbw 10 0 log R S ktr 10 log T + 228,6 ESI-CR.UCLM 42

43 Relación E b /N 0 (2) siendo k la constante de Boltzmann, cuyo valor es 23 k = 1, J /º K y siendo T la temperatura absoluta en grados Kelvin Ejemplo: Para obtener una relación E b /N 0 = 8,4 db a una temperatura ambiente de 17 ºC (290 ºK) y una velocidad de transmisión de bps, qué potencia de señal recibida se necesita? Respuesta: = 161,8 S dbw ESI-CR.UCLM 43