REDES DE COMPUTADORES

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1 REDES DE COMPUTADORES TEMA 2 TRANSMISIÓN DE DATOS Y TEORÍA DE LA INFORMACIÓN 1 TRANSMISIÓN DE DATOS Y TEORÍA DE LA INFORMACIÓN 1.- Conceptos y definiciones básicas Elementos de un sistema de comunicación Teoría de señales y comunicación de datos Representación en el Dominio de la frecuencia Ancho de banda y su efecto sobre la transmisión Relación entre la velocidad de transmisión y el ancho de banda. 2.- Transmisión de datos analógicos y digitales. 3.- Perturbaciones en la transmisión Atenuación y distorsión de la atenuación Distorsión de retardo Ruido. 4.- Capacidad del canal. 2

2 REDES DE COMPUTADORES TEMA 2.1 CONCEPTOS Y DEFINICIONES BÁSICAS Conceptos y definiciones básicas Elementos de un sistema de comunicación Mensaje Señal de Señal Señal Señal de entrante entrada transmitida recibida salida Transductor Transductor Transmisor Canal Receptor de entrada de salida Mensaje saliente Distorsión Origen: genera el mensaje y ruido Transductor de entrada: convierte el mensaje de entrada a una señal física (señal en banda-base) Transmisor: adecua la señal para su transmisión (conversión A/D, modulación, pre-énfasis, etc.) Canal: medio físico de transmisión (atenúa la señal, la distorsiona, ) En la transmisión la señal se contamina con ruido Receptor: deshace las operaciones efectuadas por el transmisor La señal recibida es la transmitida distorsionada más la señal ruido Transductor de salida: reconvierte el mensaje a su forma original Destino: procesa el mensaje recibido 4

3 Conceptos y definiciones básicas Clasificación de los mensajes: Digitales: mensajes conformados en base a un alfabeto de símbolos discretos (morse, teletipo, texto escrito): Binarios: dos símbolos (dos amplitudes) M-arios: M-símbolos (M-amplitudes) Analógicos: mensajes formados en base a un continuo de valores (imagen, sonido, temperatura) : La forma de onda varía continuamente con el valor del mensaje Ventajas de los mensajes digitales Robustez: en la recepción, son más robustos frente a los efectos del canal La información no está codificada en la forma de onda sino en la existencia o no de un pulso Regeneración: efecto regenerativo de los repetidores digitales Se puede reconstruir la forma original de los pulsos a lo largo del canal Se elimina el efecto acumulativo de la distorsión y ruido del canal 5 Conceptos y definiciones básicas Medios de transmisión: Medios guiados: Ejemplo: pares trenzados, fibras ópticas. Medios no guiados: Ejemplo: el aire, el mar o el vacío. Tipos enlaces: Enlace directo: Sin dispositivo intermedio. Punto a punto: Enlace directo. Sólo dos dispositivos comparten el medio. Multipunto: El mismo medio es compartido por más de dos dispositivos. 6

4 Conceptos y definiciones básicas Simplex: Un único sentido. Ejemplo: televisión. Half-duplex: Ambas estaciones pueden transmitir, pero no simultáneamente. Ejemplo: radio de la policía. Full-duplex: Ambas estaciones pueden transmitir al mismo tiempo. Ejemplo: teléfono 7 Teoría de señales y comunicación de datos Conceptos en el dominio temporal: Señal continua: La señal varía suavemente en el tiempo. Señal discreta: La intensidad se mantiene constante durante un determinado intervalo de tiempo, tras el cual la señal cambia a otro valor constante. Señal periódica: Se repite un patrón a lo largo del tiempo. Señal no periódica: No se repite un patrón a lo largo del tiempo. 8

5 A (V) Señales continua y discreta. Señales periódicas Amplitud (voltios) Tiempo A (a) Continua; no Periódica Tiempo Periodo = T = 1/f (b) Continua; Periódica (V) Amplitud (voltios) Tiempo (c) Discreta; no Periódica Tiempo Periodo = T = 1/f (d) Discreta; Periódica 9 Onda sinusoidal Amplitud de pico (A): Valor máximo de la señal. Voltios. Frecuencia (f): Razón a la que la señal se repite. Hertzios (Hz) o ciclos por segundo. Periodo: tiempo transcurrido entre dos repeticiones consecutivas de la señal (T). T = 1/f Fase (φ): Posición relativa de la señal dentro de un periodo. 10

6 Ondas sinusoidales variables 1,0 1,0 0,5 0,5 0,0 0,0-0,5-0,5-1,0-1,0 0,0 0,5 1,0 1,5 s 0,0 0,5 1,0 1,5 s 1,0 1,0 0,5 0,5 0,0 0,0-0,5-0,5-1,0-1,0 0,0 0,5 1,0 1,5 s 0,0 0,5 1,0 1,5 s 11 Longitud de onda λ Distancia que ocupa un ciclo. Distancia entre dos puntos de igual fase en dos ciclos consecutivos. Si una señal se propaga a una velocidad v: λ = v T λ f = v c = 3 x 10 8 metros por segundo (velocidad igual a la de la luz en el espacio libre). 12

7 Teoría de las señales y comunicación de datos Transmisión de información: Variaciones de tensiones o corrientes, f (t): señales Métodos de análisis: Dominio del tiempo Variaciones temporales de la señal Señales continuas o discretas periodicidad» s(t+t) =s(t) -4<t<4 parámetros» Amplitud» Frecuencia» Fase Análisis no adecuado para señales complejas Dominio de la frecuencia Descomposición de la señal en componentes de diferentes frecuencias (análisis de Fourier) 13 Suma de componentes en frecuencia 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0 1,0 0,0T 0,5T 1,0T (a) sen(2πft) 1,5T 2,0T 0,5 0,0-0,5-1,0 0,0T 0,5T 1,0T (b) (1/3)sen(2π(3f)t) 1,5T 2,0T 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0 0,0T 0,5T 1,0T 1,5T 2,0T (c) (4/π) [sen(2πft) + (1/3)sen(2π(3f)t)] 14

8 Conceptos del dominio de la frecuencia La señal puede estar compuesta de muchas frecuencias. Los componentes son ondas sinusoidales. Se puede demostrar, usando el análisis de Fourier, que cualquier señal está constituida por componentes sinusoidales. Se pueden expresar funciones en el dominio de la frecuencia. 15 Dominio de la frecuencia. Ejemplos 16

9 Dominio de la frecuencia. Ejemplos 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1,2X (a) s(t) = (4/π)[sen(2πft) +(1/3)sen(2π(3f)t)] 1,0X 0,8X 0,6X 0,4X 0,2X 0,0X -0,2X -0,4X (b) s(t) = 1 -X/2 t X/2 17 Espectro y ancho de banda Espectro: Conjunto de frecuencias que constituyen una señal. Ancho de banda absoluto (BW absoluto): Anchura del espectro. Ancho de banda efectivo (BW): O simplemente ancho de banda. Banda de frecuencias relativamente estrecha que contiene la mayor parte de energía. Componente continua (dc): Componente de frecuencia cero. 18

10 Señal con componente continua 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0T 0,5T 1,0T 1,5T 2,0T (a) s(t) = (4/π)[sen(2πft) + (1/3)sen(2π(3f)t)] 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 (b) S (f) 19 Velocidad de transmisión y ancho de banda Cualquier sistema de transmisión sólo puede transferir una banda limitada de frecuencias. Esto limita la velocidad de transmisión máxima en el medio. El ancho de banda de transmisión unas veces viene impuesto por el medio, otras por los equipos de tx y rx, y otras por regulaciones administrativas Distinciones importantes: BW efectivo y BW absoluto. BW del sistema y BW de la señal. 20

11 Velocidad de transmisión y ancho de banda: Ejemplos 21 REDES DE COMPUTADORES TEMA 2.2 TRANSMISIÓN DE DATOS ANALÓGICOS Y DIGITALES 22

12 2.- Transmisión de datos analógicos y digitales Datos: Entidades capaces de transportar información. Analógicos: Valores en algún intervalo continuo. Ejemplos: el vídeo y la voz. Digitales: Valores discretos. Ejemplos: los textos o los números enteros. Señales: Representaciones eléctricas o electromagnéticas de datos. Transmisión: Comunicación de datos mediante la propagación y el procesamiento de señales. 23 Espectro acústico (analógico) Límite superior de la banda de radio AM Canal telefónico Límite superior de la banda de radio FM Música Razón de potencias en decibelios Rango dinámico aproximado de la voz Voz Ruido Rango dinámico aproximado de la música Frecuencia 24

13 Señales Medios a través de los que se propagan los datos. Analógicas: Varían continuamente. Pueden propagarse a través de una serie de medios físicos: Cable, fibra óptica, a través del espacio. Ancho de banda de la voz entre 100Hz y 7kHz. Ancho de banda del teléfono entre 300Hz y 3400Hz. Ancho de banda del vídeo de 4MHz. Digital: Se usan N niveles de tensión constante (por ejemplo 2 niveles para señales binarias). 25 Datos y señales Normalmente, se usan señales analógicas para representar datos analógicos, y señales digitales para representar datos digitales. Los datos digitales se pueden representar mediante señales analógicas: Modems. Los datos analógicos se pueden representar mediante señales digitales: Compact Disc. 26

14 Señalización analógica de datos analógicos y digitales Señales analógicas: Representan datos mediante una onda electromagnética que varía continuamente. Datos analógicos (ondas sonoras de voz) Señal analógica Teléfono Datos digitales (pulsos de tensión binarios) Modem Señal analógica (modulada sobre una frecuencia portadora) 27 Señalización digital de datos analógicos y digitales Señales digitales: Representan datos mediante una secuencia de pulsos de tensión. Señal analógica Señal digital Dato digital Señal digital Transmisor digital 28

15 Transmisión analógica Transmisión de las señales analógicas independientemente de su contenido. Pueden ser datos analógicos o digitales. Se debilita con la distancia. Incluye amplificadores que inyectan energía a la señal. También amplifica el ruido. 29 Transmisión digital Depende del contenido de la señal. La atenuación, el ruido y otros aspectos negativos pueden afectar a la integridad de los datos transmitidos. Se usan repetidores: El repetidor recibe una señal. Regenera el patrón de ceros y unos. Los retransmite. Se evita la atenuación. El ruido no es acumulativo. 30

16 Ventajas de la transmisión digital Tecnología digital: Disminución del coste en las tecnologías LSI/VLSI. Integridad de los datos: Transmisión de datos a distancias mayores utilizando líneas de calidad inferior. Utilización de la capacidad: El tendido de líneas de transmisión de banda ancha es económico. Alto grado de multiplexación más fácil usando técnicas digitales. Seguridad y privacidad: Técnicas de encriptación. Integración: El tratamiento de datos analógicos y digitales es similar. 31 REDES DE COMPUTADORES TEMA 2.3 PERTURBACIONES EN LA TRANSMISIÓN 32

17 3.- Perturbaciones en la transmisión Puede que la señal que se recibe difiera de la señal transmitida. Señales analógicas - degradación de la calidad de la señal. Señales digitales - bits erróneos. Las perturbaciones más significativas son: La atenuación y la distorsión de atenuación. La distorsión de retardo. El ruido. 33 Atenuación La energía de la señal decae con la distancia. Depende del medio. La señal recibida: Debe tener suficiente energía para ser detectada. Para ser percibida sin error, debe conservar un nivel suficientemente mayor que el ruido. La atenuación es una función creciente de la frecuencia. 34

18 Atenuación y distorsión de la atenuación Dependencia de la frecuencia: Ejemplo: línea telefónica (B=3000 khz) Solución: Ecualización ( pupinización ) 35 Atenuación en las transmisión de microondas Una señal transmitida en el aire no se atenúa exponencialmente como en el caso de las líneas de transmisión. La energía disminuye en razón inversa al cuadrado de la distancia transmitida. Los efectos de agentes atmosféricos atenúan mucho la señal. Diferentes capas de temperatura y humedad de la atmósfera producen refracción de las ondas. 36

19 Distorsión de retardo Diferente velocidad de propagación en función de la frecuencia Distorsión intersimbólica 37 Distorsión de retardo Sólo se da en los medios guiados. La velocidad de propagación varía con la frecuencia. 38

20 Ruido Señales adicionales que se insertan entre el emisor y el receptor. Ruido térmico: Se debe a la agitación térmica de los electrones. Uniformemente distribuido. Ruido blanco. Ruido de intermodulación: Señales a frecuencias que sean suma o diferencia de las dos frecuencias originales que comparten el mismo medio. 39 Ruido Diafonía: Acoplamiento entre las líneas que transportan las señales. Ruido impulsivo: Pulsos o picos irregulares. Ejemplo: perturbaciones electromagnéticas externas. De corta duración. De amplitud grande. Eco: Generado por el desacoplo de impedancias en la línea: Supresores de eco 40

21 REDES DE COMPUTADORES TEMA 2.4 CAPACIDAD DEL CANAL Capacidad del canal Tasa máxima de información que se puede enviar por la línea Se mide en bits/seg (bps) Criterio de Nyquist Señal binaria: Ancho de banda W (Hz) C = 2 W bps Señal con M valores Ancho de banda W (Hz) C = 2 W log 2 M bps 42

22 Señales en un canal con ruido. Teorema de Shannon Shannon (1948) comprobó que la capacidad de un canal con ruido (ruido blanco gaussiano) viene dada por: C=W log 2 (1+S/N) W=ancho de banda del canal (Hz) S/N= potencia señal/potencia ruido (mw/mw) Ruido blanco gaussiano Amplitud de la señal de ruido varía aleatoriamente alrededor de cierto nivel con una distribución gaussiana Contiene por igual un promedio de todas las frecuencias espectrales N=KTW También se llama ruido térmico porque es debido a la vibración de átomos y moléculas en un circuito electrónico. Aumenta con la temperatura 43