Conversión de Señales y Transmisión de Datos

Transcripción

1 Conversión de Señales y Transmisión de Datos Carlos Figueira Universidad Simón Bolívar Junio

2 1. Medios de Transmisión El medio de transmisión es el soporte físico por donde viaja la señal Se pueden clasificar en dos tipos, de acuerdo a la forma como como viaja la señal por el medio: guiados o no guiados Los medios guiados más utilizados son: cable par trenzado (twisted pair TP), cable coaxial y fibra óptica El medio no guiado es el espacio libre (no utiliza cables). 1

3 Los factores que afectan una señal cuando atraviesa un medio de transmisión son: Atenuación: la señal pierde potencia en función de la distancia recorrida. Distorsión por atenuación: la atenuación depende de la frecuencia, por lo que distintos componentes de la señal serán afectados de manera distinta. Distorsión por retardo: cada componente de frecuencia se propaga a velocidad diferente Ruido: térmico, crosstalk e intermodulación, etc. 2

4 1.1. Medios de Transmisión Guiados Par trenzado Consiste en dos alambres de cobre entorchados o enrollados como una trenza. El grueso de los cables varía entre 0.4 y 1 mm de diámetro. Suelen colocarse varios pares recubiertos por una protección metálica. Es el medio más utilizado para transmisión de señales digitales y analógicas: es el más económico Se usa en el sistema telefónico, en centrales privadas, en redes locales, interconexión de equipos, etc. 3

5 Par Trensado (a) UTP Categoría 3. (b) UTP Categoría 5. (UTP= Unshielded Twisted Pair) 4

6 Características de transmisión del TP Comparado con otros medios, posee limitaciones en distancia, ancho de banda y tasa de datos. Su atenuación depende fuertemente de la frecuencia Requiere repetidores cada 5 o 6 km, para señales analógicas, y cada 2 o 3 km para señales digitales Es muy sensible al ruido electromagnético y a la interferencia. Para reducir influencia al ruido se suele recubrir con una envoltura conductora (papel metalizado u otro), mientras que la interferencia se reduce con el entorchado y usando transmisión balanceada. En señales analógicas se usa hasta 250 KHz; en señales digitales puede alcanzar algunos Mbps en conexiones punto a punto. 5

7 Cable Coaxial Consiste de dos conductores, uno de los cuales es un alambre ubicado en el centro del otro, que es un cilindro. El espacio entre los dos se llena con un material aislante (dieléctrico). Sus usos son múltiples: transmisión telefónica y de TV de larga distancia, distribución de televisión, redes locales, enlaces entre sistemas. Se usa en sistemas de banda ancha, usando multiplexing en frecuencia 6

8 Cable Coaxial 7

9 Características de transmisión del coaxial Posee mejor ancho de banda que el TP debido a su construcción, así como mayor protección contra ruido electromagnético e interferencia. Las principales limitaciones son: la atenuación (y su variación con la frecuencia), el ruido térmico y el ruido de intermodulación (en sistemas de banda ancha). Su espectro de uso se extiende hasta los 400 MHz, y tasas de transmisión de hasta 800 Mbps. La separación entre repetidores es de 1 km, o menos para tasas altas. Para señales analógicas la separación entre amplificadores es de pocos kms. 8

10 Fibra óptica Una fibra óptica (FO) es un medio fino, flexible, capaz de conducir un rayo óptico. Se construyen con diferentes tipos de vidrio y plástico, cada uno de ellos con diferentes propiedades de atenuación, etc. Posee una forma cilíndrica, compuesta por tres secciones: núcleo (core), revestimiento (cladding) y protector (jacket). El rayo de luz viaja exclusivamente por el núcleo, gracias a la refracción total en la interfaz con el revestimiento. Los datos modulan una señal de luz, en lugar de una señal eléctrica; se utilizan convertidores opto-electrónicos. 9

11 Fibra Óptica (a) Tres ejemplos de un rayo de luz dentro de una fibra de silica con distintos ángulos de incidencia. (b) Luz atrapada por reflexión interna total. 10

12 Cables de Fibra (a) Estructura de una fibra. (b) Ensamblaje de tres fibras en un cable. 11

13 Propiedades de la FO Ancho de banda potencialmente enorme, del orden de los Giga bits/s, sobre decenas de kms. Inmune al ruido electromagnético, y difícil de pinchar. Baja atenuación, peso reducido y tamaño pequeño. Larga distancia entre repetidores. 12

14 Uso de la FO En enlaces de larga distancia, como cables submarinos. En interfaces de alta velocidad En redes locales, redes públicas de alta velocidad (ATM) e interfaces de alto desempeño (HIPPI, etc.) En ambientes industriales 13

15 Tipos de FO Existen dos tipos de FO: monomodo y multimodo. Del multimodo hay dos variantes: normal (step index) y gradual. En la FO monomodo se propaga un único rayo de luz coherente. La fuente de luz es un láser, posee un gran ancho de banda (1000 GHz/km) La FO multimodo es más económica, puede utilizar componentes baratos (LED s para transmisión). Su ancho de banda es menor (varios órdenes de magnitud menor que en monomodo) debido a la distorsión por retardo. 14

16 Input pulse Output pulse (a) Step-index multimode Input pulse Output pulse (b) Graded-index multimode Input pulse Output pulse (c) Single mode Figure 4.4 Optical Fiber Transmission Modes 15

17 Comparación de Medios de Comunicación Guiados Los factores involucrados son: ancho de banda, inmunidad al ruido y costo. En cuanto al ancho de banda y la inmunidad al ruido, la FO es mejor que el coaxial y éste mejor que el TP. En cuanto a costo ocurre en principio lo contrario. Sin embargo, en largas distancias puede resultar más económica la FO. La tecnología está logrando cada vez más mejores desempeños de cada uno de estos medios, por lo que la decisión en la elección puede verse afectada por el momento. La tecnología de FO aún está en desarrollo, y en particular no ha resuelto el problema de la difusión. 16

18 1.2. Transmisión No Guiada La transmisión por el espacio libre tiene algunas características atractivas: no requiere cableado, por lo que es especialmente apropiada para las grandes distancias; es muy eficiente para la difusión (broadcast). De acuerdo a la propagación en el medio, tenemos dos tipos de transmisión no guiada: direccional y no direccional La transmisión direccional requiere que la antena emisora y la antena receptora estén en línea directa sin obstáculos. Las técnicas más utilizadas para la transmisión de datos son: las microondas (terrestres y de satélite) y radio frecuencia. Además de éstas, se utilizan las ondas infrarrojas en enlaces de datos cortos. 17

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20 Microondas terrestres Las microondas son ondas electromagnéticas de frecuencia portadora por encima de 1 GHz Pueden soportar altas tasas de datos sobre largas distancias (del orden de la centena de Kms), limitadas entre otros por la curvatura de la Tierra. Se usan principalmente para transportar televisión y voz por largas distancias, enlaces entre edificios (para redes locales o circuitos cerrados de TV). 19

21 Características de Transmisión de las Microondas terrestres Las frecuencias utilizadas comúnmente están entre los 2 y los 40 GHz. A mayor frecuencia mayor BW potencial. La atenuación en el espacio libre es proporcional al cuadrado de la distancia (en contraste con logarítmico en el caso de TP y coaxial) y proporcional a la frecuencia. La atenuación aumenta con la lluvia, en especial por encima de los 10 GHz 20

22 Microondas vía satélite El satélite es utilizado como pivote para comunicar dos o más estaciones terrestres. El satélite recibe transmisiones en una frecuencia (uplink), amplifica o repite la señal, y la transmite en otra frecuencia (downlink). Un satélite operará sobre varias bandas de frecuencia, llamadas canales transponders o simplemente transponders. Para mantenerse en línea de visión con las estaciones terrestres, debe ser geo-estacionario (órbita a Km), y deben mantener una distancia para evitar interferencia. 21

23 La comunicación por satélite se usa (por ahora) para distribución de televisión, transmisión telefónica de larga distancia y redes privadas. El rango óptimo de transmisión por satélite se encuentra en el rango 1-10 GHz La mayoría de los satélites operan en la banda 4/6 GHz (banda C). Por estar prácticamente saturada, se desarrolló la banda Ku (12/14 GHz), que requiere más potencia, pero permite a su vez equipo menos costoso en los receptores. La comunicación por satélite introduce un gran retardo de propagación ( ms), pero es muy apropiada para la difusión. 22

24 Radio El espectro de radio considerado es la banda VHF y parte de UHF (30 MHz a 1 GHz). En esta banda la radiación es omnidireccional. Los anchos de banda están en el orden de los kbps. La comunicación por radio no requiere alineación de antenas, ni antenas en forma de plato En esta banda la atenuación es menor que para las microondas (igualmente proporcional a la frecuencia y al cuadrado de la distancia), es poco sensible a la lluvia y no se refleja en la ionosfera (a diferencia de frecuencias menores). El principal problema es la interferencia por reflexión (como los fantasmas en TV) y el ancho de banda moderado. 23

25 2. Tipos de transmisión La transmisión puede clasificarse de acuerdo a los siguientes criterios: Sincronización emisor-receptor. Existen dos tipos: síncrona y asíncrona. En la primera, se requiere que ambos posean la misma referencia temporal, mientras que en la segunda no. Flujo de información. SI la información fluye en una sola dirección, se dice que es simplex. Si puede fluir en ambos sentidos simultáneamente se dice que es duplex y si puede de manera alternada, se dice que es half-duplex. 24

26 3. Conversión de señales Los datos sufren una conversión (muestreo, codificación, modulación, etc.) antes de ser finalmente enviados por el canal de transmisión. A continuación se describen los siguientes tópicos involucrados en la conversión y transmisión de datos: Interfaces Computador (DTE) - Equipo de transmisión (DTE). Modems Codecs 25

27 3.1. DTE-DCE DTE (Data Terminal Equipment) es el acrónimo utilizado para designar el equipo que genera/consume los datos a ser transmitidos. DCE (Data Circuit-terminating Equipment) designa al equipo que se encarga de la comunicación de los datos generados/consumidos por el DTE. El DCE por excelencia es el modem, descrito más adelante Existen varios estándares propuestos para la interfaz DTE-DCE, entre los cuales tenemos: RS-232, RS-442, X

28 RS-232 Propuesto por la EIA (Electronic Industries Associates) en 1962; la tercera revisión (RS-232-C) apareció en 1969 y la cuarta (RS-232-D) en El CCITT posee una versión muy similar (V.24). El estándar incluye especificaciones mecánicas, eléctricas, funcionales y procedurales, que permiten el intercambio de información binaria entre el DTE y el DCE, de manera serial. Puede configurarse para conexión directa DTE-DTE (null modem). 27

29 Las especificaciones mecánicas describen un conector de 25 pines, numerados de 1-13 en la fila superior y en la inferior, de izquierda a derecha, cada uno con su función (control o datos). Las especificaciones eléctricas incluyen el 1 (datos) y OFF (control) (voltajes <de -3 Voltios) y el 0 (datos) y ON (control) (voltajes > de +3 V). Los datos emplean NRZ-L. La tasa de transmisión va hasta los 20 Kbps. La distancia máxima entre el DTE y el DCE es de 15 metros. 28

30 Especificaciones Funcionales Hay 4 grupos de circuitos (llamados señales): datos (dos para el flujo DTE DCE y dos para el DCE DTE), control, temporización (timing) y protección (tierra común, blindaje). Las señales de control se utilizan para el protocolo de comunicación DCE-DTE. Las señales de temporización permiten sincronizar el DTE y el DCE para transmisión síncrona 29

31 RS-449 Las limitaciones en tasa de transmisión y distancia condujeron a la EIA a proponer el RS-449 en 1977 Incluye dos estándares: RS-422-A y RS-423-A. 423-A es similar a 232-D (no balanceado) mientras que el 422 utiliza transmisión balanceada. Ambos utilizan conectores de 37 pines. La transmisión balanceada es más tolerante al ruido e introduce menos ruido que la balanceada. RS-423-A alcanza 3 kbps en 1000 m y 300 Kbps en 10 m. RS-422-A alcanza 100 Kbps a 1200 m y 10 Mbps a 12 m. 30

32 3.2. Modem El modem (modulador-demodulador permite el envío de datos digitales usando señales analógicas. Uno de sus utilizaciones típicas es el envío de datos usando la red telefónica. Recibe los datos del DTE, y modula una señal analógica para su envío a través de la línea telefónica (transmisión), y demodula la señal analógica para extraer los datos para el DTE (recepción). Utiliza diferentes tipos de modulación (FSK, PSK) y combinaciones de éstos (QAM) a partir de 9600 bps 31

33 3.3. Codecs Es un dispositivo (COdificar-DECodificar ) utilizado para cuantificar y digitalizar una señal de voz, y relizar el proceso inverso. Se utiliza en centrales telefónicas digitales para crear una trama digital a partir de señales de voz (PCM: Pulse Code Modulation). El codec toma una muestra cada 125 µs (8 KHz), discretiza la muestra (usando una función no lineal), y la envía serialmente de acuerdo a una referencia de sincronización de la trama. Los codecs no están adaptados a las transmisión de datos 32

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36 Multiplexing por Tiempo El sistema T1 (1.544 Mbps) de telefonía digital (PCM). 35