Práctica 2: Capa Física

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1 75.43 Introducción a los Sistemas Distribuidos Práctica 2: Capa Física Resumen En los enlaces como Ethernet, Wi-fi o líneas seriales que integran las redes de computadoras, se utilizan esquemas de codificación que traducen los bits de datos en una señal digital o analógica que se transmite por el medio (par trenzado, fibra óptica, etc). Las distintas codificaciones existentes tienen varios objetivos, como ser: facilitar la sincronización entre emisor y receptor, adaptarse a las características del medio de transmisión, complejidad e inmunidad al ruido. En esta práctica se estudiarán varios esquemas de codificación y sus propiedades, empleando el software de simulación matemática Scilab, junto con el Data Communications Scilab Toolbox desarrollado en la materia, que puede descargarse de SourceForge. El toolbox implementa la capa física, con codificaciones digitales como NRZL, AMI y Manchester, y analógicas como BPSK y QAM. También se ejercitarán los teoremas de Nyquist y Shannon y las características de distintos medios de transmisión. 1. Multiple Choice 1. Se transmite una señal con un data rate de 2 Mbps. Indique si los siguientes gráficos corresponden a una codificación: NRZL, HDB3, Manchester, Manchester diferencial, QPSK, QAM, 8PSK

2 2. Se transmite una tira de bits con ceros y unos alternados, con una velocidad de transmisión de 10 Mbps. Bajo estas condiciones, indique si las siguentes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) Con codificación PSK de 4 símbolos como QPSK, el tiempo de baudio será de 0.1 us y en la señal se alternarán dos símbolos distintos. b) La codificación NRZ genera una señal autosincronizada. c) La codificación HDB3 genera la misma señal que AMI. d) Al emplear codificación Manchester, el tiempo de bit será de 0.1 us. e) Empleando una codificación FSK de 2 símbolos, el tiempo de baud es el doble del tiempo de bit. 3. Fibras Opticas. Indique V o F: a) Las fibras ópticas multimodo tienen mayor ancho de banda que las monomodo. b) El fenómeno de dispersión modal se produce sólo en las fibras ópticas multimodo, pero no en las monomodo. c) En las fibras monomodo el núcleo tiene mayor espesor que en las multimodo. d) Es más costoso fabricar una fibra multimodo que una fibra monomodo. 4. El siguiente gráfico muestra el ancho de banda de una fibra óptica en función de la distancia. La curva se ajusta a la función f(x) [Mhz] = 25 x[km]. Cuál es la máxima distancia a la que se pueden transmitir 80 Mbps de datos empleando una codificación 4B5B? Nota: La codificación 4B5B tiene 2 niveles, y cada 4 bits de datos agrega un quinto bit de control en la señal. a) 0, 25km. b) 0, 5km. c) 1km. d) 1, 5km. e) 2km.

3 f ) 2, 5km. g) Ninguna de las anteriores. 5. Medios de transmisión. Indique V o F: a) El trenzado de los hilos de un cable UTP se realiza con el fin de brindar protección contra interferencias electromagnéticas. b) Para transmitir en el rango de las microondas es necesario contar con una licencia gubernamental. c) El cable coaxil sufre menor atenuación por km que el par trenzado. d) Las interfaces de comunicaciones balanceadas son más inmunes al ruido que las no balanceadas, pero implican mayores costos. e) Los protocolos que transmiten a través del aire en el infrarrojo del espectro no necesitan línea de vista. f ) No se puede transmitir datos a través de un medio guiado empleando la zona del espectro correspondiente a la luz visible. 6. A través de un canal inalámbrico con 10MHz de ancho de banda y una SNR de 20dB se quieren transmitir datos a 80 Mbps. Indique de qué forma es posible hacerlo. Con cualquier codificación que tenga t baud = 8 t bit. Con una codificación 8P SK pero reduciendo la SNR a 30dB. Reduciendo la SN R a 30dB, con cualquier codificación. Con una codificación 64-QAM y duplicando la potencia de la señal. Ninguna de las anteriores. 2. Codificaciones digitales En este punto y en el siguiente emplearemos el software Scilab y el Data Communications Scilab Toolbox. Cuando se pide graficar señales con el software, no es necesario que las dibuje en el informe. Para los siguientes ejercicios, considerar una línea de comunicaciones digital con un data rate de 10 Kbps. 1. Se transmitirá la secuencia [ ]. Obtenga la señal a transmitir codificada en: NRZL, AMI, HDB3, Manchester, Manchester Diferencial. Grafique las señales en el tiempo y obtenga conclusiones respecto a las ventajas y desventajas de cada esquema. 2. Empleando las señales NRZL y AMI obtenidas en el punto anterior, agregue 8 db de ruido y grafique las señales resultantes. Cuál de ellas cree que es más inmune al ruido? A qué se debe? 3. A partir de una secuencia de bits al azar, obtenga la señal a transmitir en: NRZL, AMI, HDB3, Manchester, Manchester Diferencial, y muestre en un mismo gráfico el espectro en frecuencia de todos los esquemas. Obtenga conclusiones. 4. Elabore una tabla comparativa sintética entre los esquemas anteriores, calificando: sincronización, ancho de banda, complejidad, componente continua, inmunidad al ruido.

4 3. Codificaciones analógicas Considerar ahora un canal de comunicación inalámbrico que emplea dos antenas y trabaja con una frecuencia de portadora de 1.5 MHz, con un ancho de banda de 200 KHz (es decir, el rango de frecuencias es [1.4 MHz-1.6 MHz]). 1. Dada la secuencia [ ], codifiquela en BPSK y 8PSK con un data rate de 100 kbps. Grafique las señales en el tiempo y obtenga conclusiones respecto a las ventajas y desventajas de cada esquema. Complete la siguiente tabla. Codificación f c Data Rate t bit t baud BPSK 1.5 MHz 100 Kbps 8PSK 1.5 MHz 100 Kbps 2. Complete la siguiente tabla general, expresando t bit y t baud en función de las variables f y DR. Codificación f c Data Rate t bit t baud BPSK f DR 8PSK f DR 64-QAM f DR 3. A partir de una secuencia de bits al azar, obtenga la señal a transmitir en: BPSK, QPSK y 8QAM, con un data rate de 100 kbps. Muestre en un mismo gráfico el espectro en frecuencia de los 3 esquemas y responda: (a) Cuál requiere menor ancho de banda? (b) Cómo se relaciona el ancho del primer lóbulo con el t baud? 4. Suponiendo que este canal es libre de ruido, (a) Puede transmitirse por BPSK a 600 kbps? (b) Cuál es la máxima velocidad de transmisión empleando BPSK? (c) De qué forma puede incrementarse la velocidad de transmisión? Existe algún límite? 5. Si consideramos ahora que el canal tiene un ruido tal que el SNR es de 20 db, Cuál es la máxima velocidad de transmisión empleando BPSK impuesta por el límite de Shannon? Entrega: Modalidad: La práctica se realiza en grupos de 2 o 3 personas. Cada alumno entregará un informe individual con el desarrollo de todos los puntos anteriores. Fecha: El informe se entrega al finalizar la clase, o bien el viernes 26/03. Los alumnos ausentes a la clase deberán desarrollar la práctica en su casa y entregarla el viernes 26/03. En caso de ausentarse en la fecha de entrega, deben hacer llegar el informe por algún medio, de lo contrario cuenta como entrega tarde (ver reglamento). Asistencia: La asistencia a la clase se verifica al finalizar la misma, mostrando el trabajo realizado. Funciones del toolbox: datos=rand data(length) Genera un vector de datos binarios aleatorios

5 signal=c nrzl(datos, DR, amplitud) Codifica un vector de datos en NRZL, con un data rate DR y una determinada amplitud. Por defecto, DR=1 y amplitud=1. signal=c nrzi(datos, DR, amplitud) signal=c ami(datos, DR, amplitud) signal=c b8zs(datos, DR, amplitud) signal=c hdb3(datos, DR, amplitud) signal=c manchester(datos, DR, amplitud) signal=c manchester diff(datos, DR, amplitud) signal=c bpsk(datos, DR, amplitud) Codifica un vector de datos en BPSK, con un data rate DR y una determinada amplitud y frecuencia de portadora. Por defecto, DR=1, amplitud=1 y fc=1. signal=c qpsk(datos, DR, amplitud) signal=c 8psk(datos, DR, amplitud) signal=c 8qam(datos, DR, amplitud) signal2=add noise(signal, db) Agrega un cierto nivel de ruido a una señal plot time(signal) Grafica una señal en el tiempo plot spec(signal1, signal2,...) Grafica el espectro en frecuencia de 1 o más señales datos=d nrzl(signal) Decodifica una señal NRZL. datos=d nrzi(signal) datos=d ami(signal) datos=d b8zs(signal) datos=d hdb3(signal) datos=d manchester(signal) datos=d manchester diff(signal) datos=d bpsk(signal) datos=d qpsk(signal) datos=d 8psk(signal) datos=d 8qam(signal) Referencias [1] Data and Computer Communications, W. Stallings, 5ta Edición, Cap. 4 - Data Encoding [2] Redes de Computadoras, A. S. Tanenbaum, 4ta Edición, Cap.2 - Capa Física [3] (GNU/Linux), [4] (Windows 2000/XP/Vista, Marcar las Development Tools al instalarlo). [5]