Asignatura: Teoría de las Telecomunicaciones. Autor: Ing. Antonio Martínez Gil.

Transcripción

1 TECNOLOGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DEL ORIENTE DEL ESTADO DE MEXICO Asignatura: Teoría de las Telecomunicaciones. Autor: Ing. Antonio Martínez Gil. La Paz, estado de México. 04 de Agosto del año 2011.

2 INTRODUCCION Valorar la importancia que tiene los sistemas telemáticos hoy en día y su la base teórica en torno al área de la telecomunicaciones es un aspecto que el estudiante de ingeniería en sistemas computacionales no debe de pasar por alto. De la misma manera la forma en que debe de conocer el proceso de modulación para así seleccionar el medio de transmisión requerido para la adecuación de las señales en turno, es un conocimiento que fortalecerá mucho su ejercicio profesional del egresado. En este cuadernillo de apuntes se contemplan lo referido a los dos párrafos anteriores pero además también se contemplan los diferentes procesamientos adicionales requeridos para la transmisión de datos y de esa menara lograr un eficaz manejo de los recursos como son tiempo y ancho de banda En ese mismo tenor no debe de dejar pasar por alto los principales medios empleados en los procesos de comunicación, así como las perturbaciones y las técnicas para detectar y corregir errores que se generan en la transmisión de datos. Por último es importante que todo este material presentado sirva para que el alumno enfoque a las telecomunicaciones dentro de las aplicaciones del saber hacer humano en las diferentes áreas que este necesita para subsistir. Sin otro particular presento este material esperando sirva de utilidad al alumnado del TESOEM. Atentamente: Profesor Antonio Martínez Gil.

3 1 Tabla de Contenido Unidad 1.- Introducción a las telecomunicaciones Las telecomunicaciones y su importancia en la vida moderna Elementos de un sistema de comunicación Unidades y medidas Las señales y sus clasificaciones Señales periódicas y aperiódicas Señales deterministicas y aleatorias Señales de energía y de potencia Señales analógicas y digitales Unidad 2.- Técnicas de modulación Importancia de la modulación Técnicas de modulación analógica Modulación en amplitud (am) Modulación en frecuencia (fm) Conversión analógica a digital Teorema de Nyquist Modulación en banda base Codificación amplitud Codificación polar: NRZ, NRZ-L, amplitud y amplitud diferencial Codificación amplitud: AMI, B8ZS Y HDB Técnicas de modulación digital Modulación por desplazamiento de amplitud (ASK) Modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) Modulación por desplazamiento de fase (PSK) Modulación de amplitud en cuadratura (QAM) Unidas 3.- Técnicas de transmisión, Multiplexación y Conmutación Tipos de velocidades Velocidad de Transmisión (bps) Velocidad de Modulación (Baudios)... 25

4 Transmisión de datos Modos de Transmisión: Simplex, half dúplex y full dúplex Tipos de Transmisión: Transmisión en Serie, Transmisión Paralela Técnicas de transmisión: Tipos de conexión: punto a punto y multipunto Unidad 4.- Medios de transmisión y perturbaciones Medios Guiados Cable coaxial (señal eléctrica) Fibra óptica (señal luminosa) Medios no guiados Transmisión de señales de radio Microondas en el espacio libre Satélite Infrarrojas Perturbaciones Ruidos Distorsión por retardo Atenuación Efectos del ruido en las señales transmitidas (errores en la recepción) Mecanismos para la detección de errores Verificación de redundancia vertical (VRC) Verificación de redundancia longitudinal (LRC) Verificación de redundancia cíclica (CRC) Corrección de errores El código de Hamming Unidad 5.- El presente y futuro de las comunicaciones Sistema telefónico conmutado Comunicaciones móviles Internet Impacto de las telecomunicaciones en diversas areas Educación Medicina

5 hogar comercio electrónico empresas virtuales... 61

6 4 Unidad 1.- Introducción a las telecomunicaciones Las telecomunicaciones y su importancia en la vida moderna Las telecomunicaciones actualmente son de vital importancia, por medio de estas es posible enviar información a lugares cercanos y lejanos en fracciones de segundos y minutos respectivamente. Hoy en día muchos de nosotros sabemos usar estos servicios, y lo vemos relativamente fácil de usar ya se ha convertido en algo cotidiano; es importante tener en cuenta que cuando los utilizamos por primera vez se dificulto un poco, sin embargo al paso de estar empleando estos servicios nos hemos familiarizado lo suficiente de manera que ahora los manejamos con facilidad. La infraestructura no solo es una herramienta de la actividad económica, no solo se encuentra en la tecnología que tiene una cuidad referente en construcción sino como se relaciona con las telecomunicaciones, imaginemos ciudades sin electricidad, sin calles pavimentadas, etc., como tendríamos los medios necesarios para poder construir y/o mejorar las telecomunicaciones, la infraestructura en las telecomunicaciones es vital para que esta sea mejor cada día, no solo es crecer el servicio llevarlo a lugares donde no hay, sino también en ir cambiando la infraestructura de este para mejorar día tras día para evitar que llegue ase obsoleto. La Infraestructura en las telecomunicaciones es vital para los países desarrollados y subdesarrollados, debido a que si se invierte en ella reduce los costos de producción de varias industrias, siendo el efecto mayor y más sensible en aquellos países donde la infraestructura no es suficiente. Por ejemplo, en un estudio realizado en 1994 en México, se encontró una importante relación entre el nivel de infraestructura en telecomunicaciones y los costos marginales de varias industrias del país. En efecto, se analizó la relación que hay entre el acervo real de infraestructura en telecomunicaciones y los costos de producción de quince sectores productivos. En el análisis se observó una reducción en los costos marginales de todos los sectores productivos mexicanos ante el aumento de la inversión en infraestructura de telecomunicaciones. Un resultado interesante consiste en que la incidencia es muy parecida en todos los sectores, tanto industriales como de servicios. El Centro de Investigaciones Económicas de México (CIEM) realizo un estudio para demostrar la relación que existe entre el crecimiento en la infraestructura de telecomunicaciones y el crecimiento en algunos sectores de la economía, el cual hizo una muestra de treinta países de varias regiones del mundo. Allí, los autores compararon la tasa promedio de crecimiento anual en el número de líneas telefónicas para cada mil habitantes y la tasa promedio de crecimiento anual de

7 5 los sectores industria y servicios, durante este mismo periodo. Tanto el crecimiento del sector industrial como el del sector servicios están positivamente relacionados con el crecimiento en el número de líneas telefónicas. Se concluye de esto, si la cobertura de líneas telefónicas por cada mil habitantes creciera un 10%, sector industrial lo haría en un 6.3% y el de servicios lo haría en un 6.9%. Este estudio me hizo recordar lo que paso no hace muchos años, Telcel ofrecía un servicio con señal digital el cual llegaba en todo México, aquí en Yucatán tenía el estado cubierto con la señal, surgió ya la famosa señal GSM (Sistema Global para comunicaciones Móviles o Global System for Mobile communications, para su siglas en ingles) el cual no tenía tanta cobertura como la señal que ellos usaban, pero si era mejor tanto en sentido de servicio como de mantenimiento, ahí venia una interrogante Quedarse así o mejorar el servicio? Si decidía mejorar el servicio, tendría que invertir en instalación de la nueva tecnología, reducir su cobertura, pero ganaría mejor servicio y menor mantenimiento, se optó por adaptarla, durante los primeros años de este servicio de vio menor debido a que en muy pocos municipios llegaba la señal, hoy en día está casi en todos los municipios y es la compañía más usada en el estado, esto nos da un ejemplo de que ellos decidieron mejorar su servicio el cual tenía riesgos, y ahora a pesar de que en el estado hay Movistar, Iusacell, Unefon aún no logran desbancarlo de la cima. Las telecomunicaciones se han convertido en una de las actividades más utilizadas alrededor del mundo. Huber las denomina el tele cosmos pues, en su opinión, las mismas se están expandiendo más rápidamente que cualquier otro cosmos, Esto se debe a que, en la última década, los medios que se utilizaban para llevar a cabo las comunicaciones han aumentado la capacidad para enviar información por más de un millón de veces. Lo cierto es que la revolución tecnológica ha transformado la industria de las telecomunicaciones y, por tanto, será regulación de este importante mercado en cada país la que marcara la velocidad de esta transformación en cada uno de ellos. Referencias Comunicaciones y Redes de Computadores 6ª Ed., Cap. 1 William Stallings Prentice Hall

8 Elementos de un sistema de comunicación En toda comunicación participan una serie de elementos básicos. En la comunicación humana hablada, participan los elementos de: emisor (el que habla), receptor (el que escucha), y el canal (el aire). Pero en una comunicación más compleja como puede ser la telefónica o la de internet, nos vemos obligados a incluir un elemento más. Este elemento es el llamado transductor. En una comunicación compleja distinguimos al anterior ya nombrado, emisor el cual es el elemento terminal que lanza la información y luego está el canal por el que se transmite, en el caso de internet, hablamos del canal de la red telefónica, posteriormente la información viaja por el canal hasta llegar al receptor, que se contrapone al emisor, puesto que este es el terminal final que recibe la información. Ahora bien, supongamos que esta comunicación citada la hacemos por el teléfono. Lógicamente no funcionaria puesto que por la red telefónica no se puede enviar la voz como señales sonoras. Es aquí donde actúa el ya mencionado transductor, este sirve para transformar la naturaleza de la señal. En el ejemplo anterior seria el teléfono, el cual se encarga de transformar las señales sonoras en eléctricas para mandarlas por la red telefónica. El transductor realiza también el proceso inverso, convertir las señales eléctricas en las señales de primera naturaleza. En el ejemplo, sería el teléfono del receptor. En conclusión, los transductores convierten las señales naturales recibidas en magnitudes (aquello que se pude medir) físicas, generalmente señales eléctricas. En la telemática (ciencia que estudia la comunicación) se suelen enviar señales eléctricas, puesto que viajan a la velocidad de la luz y son fácilmente transportables.

9 Unidades y medidas Decibelios: Los decibelios fueron desarrollados por las compañías telefónicas para poder expresar las pérdidas y ganancias en los sistemas de transmisión telefónicos. Para explicar el concepto veamos un ejemplo; si tenemos dos amplificadores en cascada: A1 * A2. Si A1 = 275 y A2 = 55, entonces A1*A2 = 15 * 125. Para hacer esto mas fácil, en la Bell Telephone usaron las propiedades de los logaritmos. El logaritmo de la multiplicación de dos números será igual a la suma de sus respectivos logaritmos: log (A*B) = log A + log B. Así inventaron la unidad llamada Bell de manera que una ganancia en Bels = log A donde A era el factor de potencia de un amplificador. Regresando al ejemplo anterior. Log 275 = y log 55 = 1.740, entonces la ganancia total seria: = Bels. Decibelios o decibeles: Pronto se dieron cuenta de que necesitaban trabajar con dos decimas para poder mantener los errores de redondeo por debajo de un nivel razonable.

10 8 Observemos que la diferencia entre el Bels, corresponde a una ganancia de 15,849, mientras que 4.2 Bels es una ganancia de 15,849, lo cual significa un error de cerca del 5%. Por esto se decidió crear la unidad correspondiente a 10 Bels. Surgió del decibelio o db. La ganancia en decibelios o db = 10 log A. Hay dos métodos principales para utilizar los decibelios. La primera es para expresar en decibelios un factor de potencia conocido. La segunda aplicación es para medir la diferencia entre dos niveles. De aquí se desprenden algunas variantes del decibelio. 1.- N(dB) = 10 log (P1/P2) si medimos potencias. 2.- N(dB) = 10 log (Potencia [ W ] / 1 W ). El (decibelio - vatio) se usa en aplicaciones de microondas. Se elige como referencia el el valor de 1 W. 3.- N(dB) = 20 log (V1 / V2), si medimos tensiones. 4.- N(dBmV) = 20 log ( Tension [mv ] / 1 mv ). El dbmv se usa en aplicaciones de TV por cable y en las LAN de banda ancha. Se elige como referencia el valor de 1mV. Otras unidades de medición que se tienes son las siguientes: Velocidad de modulación.- Numero de cambios del valor de una señal por segundo en la línea o medio de transmisión. Esta velocidad se mide en baudios. Velocidad de transmisión.- Numero de bits transmitidos por segundo medido en bps (bits por segundo). Depende del método de codificación y de la velocidad de transmisión. Velocidad de transferencia.- Es la cantidad de información útil que puede transmitirse por unidad de tiempo. 1.4 Las señales y sus clasificaciones De una u otra forma, las señales son un elemento fundamental de la vida. Por medio de ellas nos comunicamos, gracias a las señales de voz, por imágenes de personas u objetos en nuestro entorno. De igual manera, el Internet resalta en importancia al comunicarnos, ya que utiliza señales que transportan información. En si, una señal se define formalmente como la función de una o más variables, que transportan información acerca de un fenómeno físico. Cuando la función depende de una sola variable, se dice que la señal es unidimensional. En cambio

11 9 cuando la función depende de dos o más variables, se dice que la señal es multidimensional Señales periódicas y aperiódicas. Una señal x(t) periódica y dependiente del tiempo se repite cada T segundos, donde T se conoce como el período de una señal, además de ser una constante de valores positivos, para el cual debe de satisfacer la condición: x(t)=x(t+t) para todo t Si esta condición se satisface para T=T 0, Entonces también se satisface para T=2T 0,3T 0,... El periodo fundamental T 0 de x(t) es el valor positivo más pequeño de T para el cual la formula x(t)=x(t+t) se satisface. Esta definición de período fundamental es válida excepto si x(t) es una constante.en esta situación será indefinido ya que x(t) es periódica para cualquier valor de T. El recíproco del periodo fundamental T se denomina la frecuencia fundamental se denomina la frecuencia fundamental de la señal periodo ésta describe con qué frecuencia se repite. Siendo: f= 1/T La frecuencia se mide en hertz (Hz) o ciclos segundos. La la frecuencia angular, medida en radianes por segundo, está definida por: w= 2pi/T Cualquier señal para la cual no hay valor de T que cumpla la condición x(t)=x(t+t) se le llama señal aperiódica o no periódica. Para señales de tiempo discreto x[n], se considera que una señal es periódica si se satisface la condición:

12 10 x[n]=x[n+n] para todos los enteros n donde N es un entero positivo. El valor más pequeño del entero N para el cual satisface la condición anterior, recibe el nombre de periodo fundamental de la señal en tiempo discreto x[n]. La frecuencia angular fundamental de x[n] está: descrita por: O=2pi/N Medidas en radianes/segundo Señales deterministicas y aleatorias El modelo de la señal es definido como la descripción matemática para dicha señal; de esta manera se pueden modelar como funciones de tiempo especificadas; de esta manera las señales deterministicas son aquellas en torno a la cual no hay incertidumbre con respecto a su valor. Una señal aleatoria es aquella en la que hay incertidumbre con antes de su ocurrencia real. Tal debe verse como parte de un todo o grupo de señales, con cada señal en el grupo con diferente forma de onda. Contando cada señal con cierta probabilidad de ocurrencia Señales de energía y de potencia Utilizando la expresión para la potencia instantánea de la señal x(t): p(t)=x 2 (t) Se define la energía total de la señal total en tiempo continuo x(t) como:

13 11 y su potencia promedio como: Se puede observar que la potencia promedio de una señal periódica x(t) fundamental T está determinada por : La raíz < cuadrada de la potencia promedio P recibe el nombre de valor medio cuadrático (rms) de la señal x(t). Para una señal en tiempo discreto x[n], se utilizan sumatorias. Así la energía total de x[n] se define por medio de: y su potencia promedio se define mediante: Ahora bien, la potencia promedio de una señal periódica x[n] con periodo fundamental N está dada por:

14 12 Una señal se conoce como señal de energía si y sólo si la potencia promedio satisface la condición: Por otro lado, si una señal cumple la condición: Las clasificaciones de energía son mutuamente excluyentes. En particular una señal de energía tiene potencia promedio cero, mientras que una señal de potencia tiene energía infinita. Además que las señales periódicas y las señales aleatorias suelen verse como señales suelen ser señales de potencia, en tanto que las señales que son deterministas como no periódicas son señales de energía. Universidad de Guadalajara Centro Universitario de Ciencias Exactas y de Ingeniería Señales y sistemas lineales Señales analógicas y digitales. El comportamiento de la naturaleza es analógico: la intensidad (amplitud) de los fenómenos que en ella se producen cambian continuamente a través del tiempo. La presión atmosférica y la temperatura, por ejemplo, están cambiando continuamente de un valor a otro y en el ínterin registran millones de valores. Otro ejemplo de señal analógica es la que envía nuestra voz. Amplitud Señal Analógica Tiempo

15 13 Las señales analógicas son por ende señales eléctricas de variación continua en intensidad o amplitud en el tiempo, como se puede apreciar en la figura. Hasta hace poco, la forma dominante de transmisión de señales de radio y televisión ha sido analógica. La gran desventaja de ese tipo de transmisión es que el ambiente genera también señales del tipo analógico, conocidas como ruido, que generalmente interfieren con las que acarrean información y crean complicaciones resultando en una señal de menor calidad. Amplitud Señal Digital Tiempo Por otro lado, las señales digitales adquieren uno de dos valores a través del tiempo, como se puede apreciar en la figura. Su comportamiento se puede equiparar al de un interruptor (o switch) que tiene uno de dos estados; encendido o apagado. Las ventajas de este tipo de transmisiones: 1.- Su inmunidad a las interferencias ya que al digitalizar una señal se elimina el ruido producido por el medio ambiente, produciendo una señal mas pura y de mayor resolución (si se cumplen otros requisitos que no son importantes en este momento). 2.- Que puede codificarse usando el sistema binario que se basa en los dígitos 1 (encendido) y 0 (apagado). Este tipo de código se presta al almacenamiento, o sea, se puede guardar en memorias de las utilizadas en cámaras digitales y discos duros de computadoras. Por Isaías Ferreira

16 14 Unidad 2.- Técnicas de modulación Importancia de la modulación La modulación es la técnica mediante la cual se modifica la señal eléctrica (onda portadora) de manera que la señal pueda transportar información inteligente por algún medio de comunicación. A la señal modulada se le llama frecuentemente se le llama de banda ancha y la señal con que se hace el transporte se denomina onda portadora. Para poder llevar a cabo este proceso se tiene las siguientes técnicas Técnicas de modulación analógica Modulación en amplitud (am). La modulación en amplitud (AM) es utilizada para transmitir información de audio (voz, música, entre otros) en la onda portadora de RF. AM es una mezcla de señales de AF y RF, de manera que las variaciones de amplitud de la señal de AF (modulación) alteran la amplitud de la señal RF (portadora). También se le conoce como un tipo de modulación no lineal que consiste en hacer variar la amplitud de la onda portadora de forma que esta cambie de acuerdo con las variaciones de nivel de la señal moduladora, que es la información que se va a transmitir. La modulación de amplitud es equivalente a la modulación en doble banda lateral con reinserción de portadora. La AM es usada en la radiofonía, en las ondas medias, ondas cortas, e incluso en la VHF550 a 1699 khz. La cual es utilizada en las comunicaciones radiales entre los aviones y las torres de control de los aeropuertos y de un rango de frecuencia modulada Modulación en frecuencia (fm). La modulación en frecuencia (FM) es el proceso de combinar una señal de AF (Audio Frecuencia) con otra de RF (Radio Frecuencia) en el rango de frecuencia entre 88 MHZ y 108 MHZ, tal que la amplitud de AF varié la frecuencia de la RF. Frecuencia modulada o modulación de frecuencia transmite información a través de una onda portadora variando su frecuencia (contrastando esta con la amplitud

17 15 modulada o modulación de amplitud, en donde la amplitud de la onda es variada mientras que su frecuencia se mantiene constante). Datos digitales pueden ser enviados por el desplazamiento de la onda de frecuencia entre un conjunto de valores discretos, una técnica conocida como modulación por desplazamiento de la onda de frecuencia entre un conjunto de valores discretos, una técnica conocida como modulación por desplazamiento de frecuencia. La frecuencia modulada es usada comúnmente en las radiofrecuencias de muy alta frecuencia por la alta fidelidad de la radiodifusión de la música y el habla. El sonido de la televisión analógica también es difundido por medio de FM. Un formulario de banda estrecha se utiliza para comunicaciones de voz en la radio comercial y en las configuraciones de aficionados. El tipo usado en la radiodifusión FM es generalmente llamado amplia-fm o W-FM (de las siglas en ingles Wide- FM ). En la radio de dos vías, la banda estrecha ó N-FM (de las siglas en ingles Narrow.FM ) es utilizada para ahorrar banda estrecha. Además, se utiliza para enviar señales al espacio. La frecuencia modulada también se utiliza en las frecuencias intermedias de la mayoría de los sistemas de video analógico, incluyendo VHS, para registrar la luminancia (blanco y negro) de la señal de video Conversión analógica a digital. La transformación de una señal analógica en digital por modulación de pulsos codificados se realiza con los pasos siguientes: 1. Muestreo 2. Cuantificación 3. Codificación Muestreo En los sistemas de audio, por ejemplo una frecuencia de audio es transportada en forma continua a lo largo de la portadora. Sin embargo, la pregunta fue si esto es realmente necesario para transmitir la señal completa o si la transmisión del valor de la señal en intervalos regulares pudiera ser suficiente. Los científicos Nyquist y Shannon, examinaron el problema y concluyeron que muestras tomadas en intervalos regulares pueden ser usadas para transmitir una señal de audio.

18 16 Muestreo Cuantificación: La cuantificación representa la amplitud de una muestra por la amplitud de nivel discreto más cercano. Para poder ser la transmisión digital, cada valor de la muestra tendrá que ser representado por un código. Dado que el número de códigos es limitado, lo valores de la amplitud serán redondeadas al valor más cercano, el cual puede representarse por un código. El numero de niveles de cuantificación M está estrechamente relacionado con el número de bits n que son necesarios para codificar cada muestra, por lo tanto: M = 2 ala8 = 256 niveles Hay dos métodos principales para cuantificar una señal: Cuantificación lineal y no lineal. Método de cuantificación lineal: El rango total de valores de voltaje que pueden ser manejados es subdividido en un número de subrangos de voltajes iguales. Cada subrango corresponde a una combinación de código. En ese momento la codificación de cualquier voltaje situado entre los límites bajo y alto de un subrango, es codificado con el mismo código. En el momento de codificar, un código es representado por un voltaje correspondiente a la mitad del subrango (nivel de cuantificación o quantum).

19 17 El resultado es que cierta cantidad de ruido es adicionada a la señal original, esto es llamado ruido de cuantificación. Método de cuantificación no lineal: Como la cuantificación no lineal de señales resulta en una mala relación señal a ruido, otra clase de cuantificación ha sido encontrada para obtener una razón señal a ruido, de un valor constante para cualquier nivel de la señal. Los niveles de cuantificación tienen que ser seleccionados de un modo logarítmico. Esto significa que se usara una cuantificación no lineal. Es claro que niveles de ruidos altos, pueden ser permitidos para señales muestreadas con un nivel alto pero no para señales con nivel pequeño. Existen dos estándares o leyes para la cuantización no lineal: Ley A ; estandarizado por CEPT y UIT-T, usado en Europa. Ley μ ; sistema estandarizado por la North American Bell y UIT-T. Después de ser cuantificada, la muestra de entrada, está limitada a 256 valores discretas. La mitad de estas son muestras codificadas positivas, la otra mitad son muestras codificadas negativas. Hay 256 niveles, asi que son necesarios 8 bit para codificar todos los niveles. Cada combinación de 8 bits corresponde a un nivel. Para seleccionar cual combinación correspondería con cual nivel, existen diferentes posibilidades. Existen muchos códigos diferentes, pero los códigos mas usados son: Código Natural y Código Simétrico. Código Natural: Usando el código natural, veremos que el nivel de señal más bajo (valor más negativo) corresponderá al código con el peso menor ( ). De acuerdo al nivel de señal más alto (nivel más positivo) corresponderá al código con peso más alto ( ). Código Simétrico: En este código, los 8 bits están divididos en 2 partes; 1 bit de signo y 7 bits de magnitud. El primer bit (bit de signo) corresponde al signo de la señal. Cuando el bit es 1, se tiene un valor positivo, cuando el bit de signo es 0, se tiene un valor negativo. Un cierto valor positivo o negativo resultara en un código de 7 bits. La distinción entre ambas señales es hecha por medio del bit de signo, este código es el normalmente usado.

20 18 Codificación Teorema de Nyquist. una señal continua que no contenga señales mayores a W HZ, está completamente determinado por muestras de la señal tomadas a intervalos 1/2W segundos. Este mismo teorema, expresado en términos de frecuencia, establece que la frecuencia de muestreo (fs) debe ser mayor o igual al doble de la frecuencia máxima de la señal muestreada. Esto es: fs = 2W Por lo tanto, para el ancho de banda de una canal telefónico de 300 a 3400 Hz con un margen de seguridad, se considera un ancho de banda B=4000 Hz será la frecuencia del muestreo: fs =2 (4000Hz) = 8000Hz = 8Hz Filtro pasa bajas

21 19 Considerando una banda de frecuencia completa de 300 a 3400 Hz, posible ver el problema de ocurrencia de aliasing y la solución. Se puede fácilmente derivar el criterio d muestreo de Nyquist: el límite de no traslape para la frecuencia de muestreo fs puede ser obtenido de: fs-fmax = fmax ó fs = 2fmax Si fs < fmax, una buena reconstrucción de la señal será imposible Modulación en banda base Cuando la transmisión se realice en banda base una secuencia de información binaria, es decir una cadena de unos y ceros, será convertida en una señal digital que utilizara solo dos símbolos y que será la que se transmita por el canal, esto es lo que se denomina codificación en banda base o codificación de línea Codificación amplitud. Proceso que consiste en convertir los pulsos cuantificados en un grupo equivalente de pulsos binarios de amplitud constante. En esta última etapa a cada valor anteriormente determinado se le hace corresponder un conjunto de bits, impulsos de amplitud fija (unos) o ausencia de impulsos (ceros) Codificación polar: NRZ, NRZ-L, amplitud y amplitud diferencial. NRZ (no retorno a cero): En este código de transmisión, un 0 puede ser representado por una tensión negativa y un 1 por una tensión positiva. Sin embargo las características son: Grandes componentes de CD. El bit de reloj no esta presente en la cadena de datos. Este código es extremadamente simple, no requiere HW adicional. Este normalmente será usado para distancias cortas de transmisión en un ambiente con un sistema de distribución de reloj separado, por ejemplo, en una central. NRZ-L : Dos tensiones diferentes para lo bits 0 y 1

22 20 Tensión constante durante el intervalo de bit (no hay transición, no retorna a tensión cero). Ausencia de tensión para 0, tensión constante positiva para 1. Más habitual, tensión negativa para un valor y tensión positiva el otro valor Codificación amplitud: AMI, B8ZS Y HDB3 Ya que el código NRZ no es conveniente para transmitir a largas distancias (alta componente de CD), se ha desarrollado el código AMI (Inversión de marcas alternas) para si uso en la transmisión en largas distancias. El propósito de este código es el de reducir el continuo nivel de CD en la línea a 0 volts. En este código un 0 será representado por 0 volts y un 1 por un potencial alternado positivo o negativo. Al invertir la dirección de marcas consecutivas, el promedio de componente CD en la línea, cae a 0 volts. Como resultado, este código es conveniente para transmisión a larga distancia. Sin embargo un problema no está aun resuelto: este código no transmite el sistema de reloj. El receptor debe reconocer y seleccionar la tasa de reloj de entrada explorando por transiciones en la cadena de bits de entrada. Si se tienen una serie de bits que son iguales a 0, el receptor ya no puede reconocer la razón de reloj, por que se tiene un nivel continuo de CD (0 volts) en la línea. B8ZS a) Bipolar con 8 Ceros de Sustitución b) Basado en AMI bipolar c) Si aparece un octeto con todo ceros y el último valor de tensión anterior a dicho octeto fue positivo, se codifica dicho octeto como d) Si aparece un octeto con todo ceros y el último valor de tensión anterior a dicho octeto fue negativo, se codifica dicho octeto como e) Causa dos violaciones del código AMI f) Improbable que ocurra debido al ruido g) El receptor detecta e interpreta como octeto con todo ceros h) Adecuado para transmisión a altas velocidades HDB3 Alta Densidad Bipolar Exceso 3. Este código inserta pulsos de violación cuando llegan sucesivamente mas de 3 ceros. El lado transmisor inserta los pulsos, los cuales pueden ser detectados por el receptor. El lado receptor eliminará estos pulsos.

23 21 Los pulsos de violación son insertados dependiendo del número de pulsos que han pasado, y dependiendo del signo del último pulso de violación (después de inserción). El número de pulsos puede ser par o impar. El signo del último pulso de violación puede ser positivo o negativo lo pulsos a insertar son: ULTIMO PULSO NUMERO DE PULSOS IMPAR PAR POSITIVO _ P N N NEGATIVO _ N P P Técnicas de modulación digital Modulación por desplazamiento de amplitud (ASK). Valores representados por diferentes amplitudes de portadora Usualmente, una amplitud es cero (se usa presencia y ausencia de portadora) Susceptible de repentinos cambios de ganancia Poco eficiente Hasta 1200 bps en líneas de calidad telefónica Usada en fibra óptica ASK, los valores binarios se representan mediante dos amplitudes diferentes de la portadora

24 Modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK). Valores representados por diferentes frecuencias (próximas a la portadora) Menos sensible a errores que ASK Hasta 1200 bps en líneas de calidad telefónica Transmisión por radio en HF (3-30 MHz) Incluso en LAN en frecuencias superiores con cable coaxial FSK, los valores binarios se representan mediante dos frecuencias diferentes de la portadora. Modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) Modulación por desplazamiento de fase (PSK). Este tipo de modulación representa los ceros y unos del código binario con señales que poseen diferente fase. Generalmente el desfase entre dos ondas es de 180º- Transmitir por desplazamiento de fase es otra forma de modulación angular, modulación digital de amplitud constante en donde en donde la señal de entrada es una señal digital binaria, por lo tanto más comúnmente se le denomina como Transmisión por Desplazamiento de Fase Binaria (BPSK). Este tipo de modulación es el más usado para transmisiones de información digital en cuadratura o por diagramas de constelación, puede llegar a generar códigos de compresión de datos muy complejos, optimizando de esta manera el ancho de banda de un sistema de transmisión.

25 23 PSK, los valores binarios se representan mediante dos fases diferentes de la portadora Modulación de amplitud en cuadratura (QAM). La modulación de amplitud en cuadratura o QAM es una modulación digital en la que el mensaje esta contenido tanto en la amplitud como en la fase de la señal transmitida. Es decir se trata de una combinación de modulación en amplitud y fase, lo que permite codificar más de dos bits por ciclo. Normalmente se configura para un rendimiento de 4 bits por baudio (cuadribitios). Cuadratura 4 QAM y 8QAM

26 24 Unidas 3.- Técnicas de transmisión, Multiplexación y Conmutación Tipos de velocidades En el ámbito de la transmisión de señales, se manejan diferentes tipos de velocidades, para nuestro curso mencionaremos solo dos tipos. Velocidad de transmisión (bps). Velocidad de modulación (Baudios). El baud: Es la unidad informática que se utiliza para cuantificar el número de cambios de estado, o eventos de señalización, que producen cada segundo durante la transferencia de datos. Es importante resaltar que no se debe confundir el baud rate o velocidad en bauds con el bit rate o velocidad en bps, ya que cada evento de señalización transmitido puede transportar uno o más bits. Sólo cuando cada evento de señalización transporta un solo bit coincide la velocidad de transmisión de datos en bauds y en bps Velocidad de Transmisión (bps)

27 25 Definiremos ahora la velocidad de transmisión como el número de bits transmitidos por segundo. Su unidad es el bps (bits por segundo). El tiempo necesario para transmitir un carácter depende, entonces, del método de codificación y de la velocidad de transmisión. Número de bits transmitidos por segundo medido en bps (bits por segundo). Depende del método de codificación y de la velocidad de transmisión Velocidad de Modulación (Baudios) Es el número de veces por segundo que la señal cambia su valor en la línea o medio de transmisión. Esta velocidad se mide en baudios. Un cambio de estado puede implicar la transmisión de más de un bit de información. Por lo tanto, el concepto de baudio está ligado directamente a las características del medio de transmisión y se corresponde con la cantidad de veces que la señal portadora oscila (cambia de estado) por unidad de tiempo. Número de cambios del valor de una señal por segundo en la línea o medio de transmisión. Esta velocidad se mide en baudios Transmisión de datos El descubrimiento de la electricidad en el siglo XIX permitió: La transmisión de mensajes a gran velocidad gracias a la telegrafía (1838). La transmisión de la voz humana mediante la telefonía (1878). Para planificar una red de telecomunicaciones, se exige la selección de un medio de transmisión, o combinación de ellos. Esta elección deberá basarse en las circunstancias físicas, la construcción de la red y las características que se requieren de ella. No se puede hablar de un medio de transmisión mejor que otro. Solo existen medios más adecuados que otros para cada necesidad. La adecuada elección de un medio de transmisión permite no solamente mover los caudales de información actuales de una empresa, sino tener perspectivas para proyecciones futuras. Los medios físicos de transmisión de datos se han diversificado de tal forma que existe una amplia variedad para poder diseñar e implementar todo tipo de redes a nivel de hardware.

28 26 Las redes de comunicación de datos resultaron de la convergencia de dos tecnologías diferentes: computadoras y telecomunicaciones. Qué es una red de datos? Una red es un conjunto de dispositivos como computadoras (personales, minicomputadoras, mainframes), terminales interactivas, elementos de memoria, impresoras, etc., conectados entre sí, que permite a los usuarios tener intercomunicación de datos y compartir recursos Modos de Transmisión: Simplex, half dúplex y full dúplex. Una transmisión dada en un canal de comunicaciones entre dos equipos puede ocurrir de diferentes maneras. La transmisión está caracterizada por: la dirección de los intercambios el modo de transmisión: el número de bits enviados simultáneamente

29 27 la sincronización entre el transmisor y el receptor Existen 3 modos de transmisión diferentes caracterizados de acuerdo a la dirección de los intercambios: 1.- Una conexión simple (Transmisión simplex): Es una conexión en la que los datos fluyen en una sola dirección, desde el transmisor hacia el receptor. Este tipo de conexión es útil si los datos no necesitan fluir en ambas direcciones (por ejemplo: desde el equipo hacia la impresora o desde el ratón hacia el equipo...). 2.- Una conexión semidúplex (Hlaf - duplex): Es una conexión en la que los datos fluyen en una u otra dirección, pero no las dos al mismo tiempo. Con este tipo de conexión, cada extremo de la conexión transmite uno después del otro. Este tipo de conexión hace posible tener una comunicación bidireccional utilizando toda la capacidad de la línea. 3.- Una conexión dúplex total (Full dúplex): Es una conexión en la que los datos fluyen simultáneamente en ambas direcciones. Así, cada extremo de la conexión puede transmitir y recibir al mismo tiempo; esto significa que el ancho de banda se divide en dos para cada dirección de la transmisión de datos si es que se está utilizando el mismo medio de transmisión para ambas direcciones de la transmisión.

30 Tipos de Transmisión: Transmisión en Serie, Transmisión Paralela. El modo de transmisión se refiere al número de unidades de información (bits) elementales que se pueden traducir simultáneamente a través de los canales de comunicación. De hecho, los procesadores (y por lo tanto, los equipos en general) nunca procesan (en el caso de los procesadores actuales) un solo bit al mismo tiempo. Generalmente son capaces de procesar varios (la mayoría de las veces 8 bits: un byte) y por este motivo, las conexiones básicas en un equipo son transmisión paralela (conexión paralelas). Transmisión paralela: Las conexiones paralelas consisten en transmisiones simultáneas de N cantidad de bits. Estos bits se envían simultáneamente a través de diferentes canales N (un canal puede ser, por ejemplo, un alambre, un cable o cualquier otro medio físico). La conexión paralela en equipos del tipo PC generalmente requiere 10 alambres. Estos canales pueden ser: Transmisión Paralela 1. N líneas físicas: en cuyo caso cada bit se envía en una línea física (motivo por el cual un cable paralelo está compuesto por varios alambres dentro de un cable cinta) 2. una línea física dividida en varios subcanales, resultante de la división del ancho de banda. En este caso, cada bit se envía en una frecuencia diferente.

31 29 Debido a que los alambres conductores están uno muy cerca del otro en el cable cinta, puede haber interferencias (particularmente en altas velocidades) y degradación de la calidad en la señal. Transmisión Serie: En una transmisión en serie, los datos se transmiten de a un bit por vez a través del canal de transmisión. Sin embargo, ya que muchos procesadores procesan los datos en paralelo, el transmisor necesita transformar los datos paralelos entrantes en datos seriales y el receptor necesita hacer lo contrario. Transmisión Serie Técnicas de transmisión: Transmisión síncrona y asíncrona. Debido a los problemas que surgen con una conexión de tipo paralela, es muy común que se utilicen conexiones en serie. Sin embargo, ya que es un solo cable el que transporta la información, el problema es cómo sincronizar al transmisor y al receptor. En otras palabras, el receptor no necesariamente distingue los caracteres (o más generalmente, las secuencias de bits) ya que los bits se envían uno después del otro. Existen dos tipos de transmisiones que tratan este problema: A. La conexión asincrónica, en la que cada carácter se envía en intervalos de tiempo irregulares (por ejemplo, un usuario enviando caracteres que se introducen en el teclado en tiempo real). Así, por ejemplo, imagine que se transmite un solo bit durante un largo período de silencio... el receptor no será capaz de darse cuenta si esto es , ó Para remediar este problema, cada carácter es precedido por información que indica el inicio de la transmisión del carácter (el inicio de la transmisión de información se denomina bit de INICIO) y finaliza enviando información acerca de la finalización de la transmisión (denominada bit de FINALIZACIÓN, en la que incluso puede haber varios bits de FINALIZACIÓN).

32 30 B. En una conexión sincrónica, el transmisor y el receptor están sincronizados con el mismo reloj. El receptor recibe continuamente (incluso hasta cuando no hay transmisión de bits) la información a la misma velocidad que el transmisor la envía. Es por este motivo que el receptor y el transmisor están sincronizados a la misma velocidad. Además, se inserta información suplementaria para garantizar que no se produzcan errores durante la transmisión. En el transcurso de la transmisión sincrónica, los bits se envían sucesivamente sin que exista una separación entre cada carácter, por eso es necesario insertar elementos de sincronización; esto se denomina sincronización al nivel de los caracteres. La principal desventaja de la transmisión sincrónica es el reconocimiento de los datos en el receptor, ya que puede haber diferencias entre el reloj del transmisor y el del receptor. Es por este motivo que la transmisión de datos debe mantenerse por bastante tiempo para que el receptor pueda distinguirla. Como resultado de esto, sucede que en una conexión sincrónica, la velocidad de la transmisión no puede ser demasiado alta Tipos de conexión: punto a punto y multipunto Unidad 4.- Medios de transmisión y perturbaciones Medios Guiados De entre los diferentes elementos de los sistemas de telecomunicaciones, el canal, según la teoría de información, es el medio por donde viaja la información además de los equipos terminales fijos.

33 31 Los medios físicos se fabrican de forma que las señales se confinan a un canal de transmisión estrecho. Ejemplos de estos medios son: A. Cable de Par Trenzado B. Cables Coaxiales C. Cables de Fibra Óptica Cable Par Trenzado (señal eléctrica). Consiste de dos alambres de cables aislados, es usado en señales analógicas y digitales, el ancho de banda depende del grosor del cable, de la distancia y de los factores de ruido. Estructura del cable UTP Superficie coloreada de polietileno Aislación o recubrimiento POLIETILENO (Evita la corrosión del cable) Conductor Alambre electrolítico recocido Uno de los primeros medios de transmisión y todavía el más común es el cable de cobre denominado o también conocido como el par trenzado (Twisted Pair). Los pares trenzados se usan tanto para transmisión de señales analógicas como digitales. El ancho de banda depende del grosor del cable, de la distancia y de los factores de ruido que lo afecten. La estructura de todos los cables UTP no difiere significativamente, aunque es cierto que cada fabricante introduce algunas tecnologías adicionales mientras los estándares de fabricación se lo permiten.

34 32 El cable está compuesto internamente por un conductor que es de un alambre electrolítico recocido, de tipo circular, aislado por una capa de polietileno coloreado. Debajo de la aislación coloreada existe otra capa de aislación también de polietileno, que contiene en su composición una sustancia antioxidante para evitar la corrosión del cable. El conducto solo tiene un diámetro de aproximadamente medio milímetro y más la aislación del diámetro puede superar el milímetro. Estandarizacion de colores No. de Par Color de conductor 1 Color de conductor 2 1 Blanco Azul 2 Blanco Anaranjado 3 Blanco Verde 4 Blanco Marron 5 Blanco Gris oscuro 6 Rojo Azul Los cables se arman de: 4, 6, 10, 18, 20, 30, 50, 80, 100, 150, 200, 300, 400, 600, 900, 1200, 1500, 1800 o 2200 pares. Forma de trenzar y agrupar un cable UTP Una vez fabricados unitariamente y aislados, los cables se trenzan en pares de acuerdo al color de cada uno de ellos. Aun así estos se vuelven a unir a otros formando estructuras mayores: los pares se agrupan en subgrupos, los subgrupos se agrupan en grupos, los grupos se agrupan en super unidades, y las super unidades se agrupan en el denominado cable. Estos cables a su vez se subdividen por categorías de acuerdo a sus características de capacidad de transmisión e inmunidad a efectos de ruido. La EIA (Electronic Industries Standard) publica su estándar EIA 568, denominado Comercial Building Telecomunications Cabling Standard, que en su apartado A, define las categorías de los diferentes tipos de cables par trenzado. Las variantes del cable par trenzado son: A. UTP (Unshielded Twisted Pair) par trenzado no blindado. B. STP (Shielded Twisted Pair) par trenzado blindado. C. FTP (Foiled Twisted Pair) par trenzado forrado. Por ejemplo, actualmente el cable UTP de 8 hilos categoría 5 es empleado para redes, es decir cuatro pares trenzados formando una sola unidad. Estos cuatro pares vienen recubiertos por una vaina plástica que mantiene el grupo unido,

35 33 mejorando la resistencia ante interferencias externas. Cada uno de los cuatro pares tiene un color diferente pero a su vez, cada par tiene un cable de un color específico y otro blanco con algunas franjas del color de su par. Características del par trenzado. El desempeño de un Cable Par Trenzado está determinado por algunos parámetros y características. De entre éstos destacan: 1. La atenuación 2. NEXT 3. PSNEXT 4. ELFNEXT 5. ACR 6. Impedancia 7. Pérdidas de retorno (Return Loss) 8. Efecto del retardo Cada uno de estos tiene efectos diferentes en las señales que conducen. Atenuación: Esta es la degradación de la amplitud de la señal original y se mide en db a una frecuencia determinada. Se observa que conforme se incrementa la frecuencia, la atenuación crece la misma longitud del cable. La frecuencia tiende a crecer si la velocidad de la aplicación incrementa. Por ejemplo, una señal Ethernet de 10Mbps, puede alcanzar los 10Mhz y mostrar una atenuación de 5dB en 90 metros. Crosstalk y Next: Crosstalk es la cantidad de la señal acoplada con otros conductores, Entre mas alto el aislamiento del Crosstalk, menor es el acoplamiento no deseado con otros pares y por lo tanto el cable es mejor. Near End Crosstalk (NEXT): Se refiere al acoplamiento no deseado de una señal desde el par transmisor en el par receptor en la misma terminal (near). El aislamiento al NEXT y es una medida de que tan bueno es el aislamiento entre los pares de un cable. Powersum NEXT (PSNEXT): Estandares internacionales especifican; El powersum del cruce de llamada en pares correlacionados perturbados es calculado desde un cruce de llamada individual de par a par medido en una frecuencia dada. El resultado de este calculo debe de cumplir con los requerimientos de transmisión para el tipo de cable correspondiente

36 34 Esto significa por ejemplo, que db a 100 Mhz, tienden a propagarse en un cable multipar considerando el efecto acumulado. ELFNEXT: (Equal Level Far End Crosstalk) es la razón de la potencia de salida (del lado del emisor) del par perturbado con la potencia de salida del par perturbado en el otro extremo. Sin embargo, actualmente el FEXT no es un factor determinante para la clasificación de categoría 5 y es menos critico que cualquier caso de NEXT en altas frecuencias. Algunos cables de par trenzado contienen un blindaje para reducir el potencial del ruido EMI. Este EMI es provocado por motores eléctricos, líneas de energía, radio de alta potencia, entre otros. Los cables STP (Shielded twisted-pair) sin embargo, no siempre son una protección dado que este blindaje metálico se convierte en una antena que puede radiar energía. ACR (Attenuation to Crosstalk Ratio): El ACR, es la diferencia entre la Atenuacion y el NEXT en un cable a treaves de un rango de frecuencia. De nuevo a medida que crece la frecuencia, el valor de ACR decrece. Entre mayor se el ACR, es mejor porque este determina la habilidad del receptor de interpretar una señal atenuada en presencia de ruido Crosstalk. Para la mayoría de las aplicaciones, un valor ACR de 10 db se considera como minimo. Una analogía que ouede ser usada, es cuando un grupo de personas entra a un bar después del trabajo. Una de ellas se dirige a la barra para pedir bebidas para todos. El resto se acomodan en el otro extremo del lugar. La persona de la barra les llama para preguntar que bebida quiere cada uno. Uno responde con voz muy alta y a pesar de que su voz se atenúa a través del bar, de cualquier manera se entiende lo que pidió. Antes de que una segunda le diga lo que prefiere, dos nuevas personas se sientan en la barra y platican escandalosamente. Ahora nuestro personaje en la barra casi no puede escuchar lo que pidió su segundo amigo y como consecuencia ordena otra cosa distinta a lo que realmente quería su amigo Cable coaxial (señal eléctrica) Un cable coaxial consiste en un alambre de cobre rígido como núcleo, rodeado por un material dieléctrico, el cual a su vez está forrado por un conductor cilíndrico, que con frecuencia es una malla metálica de tejido fuertemente trenzado de forma