CAPITULO 4. TRANSMISIÓN DE SEÑALES

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1 CAPITULO 4. TRANSMISIÓN DE SEÑALES CONVERISIÓN DIGITAL A DIGITAL: Es la representación de dats digitales utilizand señales digitales. La cnversión invlucra tres técnicas: cdificación de línea (siempre necesaria), cdificación de blques y la aleatrización (scrambling). Cdificación de línea: Prces de cnvertir dats digitales en señales digitales. Cnvierte una secuencia de bits cdificándls a una señal digital. Características: Element de señal frente a element de dats: Element de dats: Es la unidad más pequeña que representa un element de infrmación (el bit). Es l que se necesita enviar. Sn transprtads. Element de señal: Transprta elements de dats. Es l que se envía. Sn ls prtadres. Tasa : Es el númer de elements de dats (númer de bits), transprtads pr cada element de señal (númer de transicines). Tasa de dats frente a tasa de señales: Tasa de dats tasa de bits: Define el númer de elements de dats enviads en un segund (bps). Tasa de señales tasa de pulss tasa de mdulación tasa de baudis: Define el númer de elements de señal enviads en un segund (baudis). El bjetiv es aumentar la tasa de dats, reduciend la tasa de señal. Tasa de baudis : Es la relación entre tasa de dats y tasa de baudis. Se definen tres cass: Per: Cuand se necesita la máxima tasa de señales. Medi Mejr: Cuand se necesita la mínima tasa de señales. baudis. Dnde sn ls bps; es el factr de cas. Anch de banda: Aunque el anch de banda real de una señal digital es infinit, el anch de banda efectiv es finit. La tasa de baudis, determina el anch de banda requerid para una señal digital. 1 Lngins Recuer Busts ([email protected])

2 Se puede decir que el anch de banda es prprcinal a la tasa de señales tasa de baudis. El anch de banda mínim se define cm: Cnciend el anch de banda del canal, se puede btener la tasa de dats máxima: Variacines de la línea base: Línea base: media de la ptencia de la señal recibida. La ptencia de la señal recibida se evalúa cntra la línea base para determinar el valr del element de dats. Cmpnentes DC: Cuand un nivel de vltaje en una señal digital es cnstante durante bastante tiemp, el espectr crea frecuencias muy bajas. Estas frecuencias cercanas al cer, sn denminadas cmpnentes DC (Direct Current). Estas frecuencias cercanas al cer dan prblemas en sistemas que n pueden pasar frecuencias bajas sistemas cn acplamient eléctric. Autsincrnización: Envió de infrmación sbre el tiemp de interval entre bits en una señal digital. Detección de errres incrprada: Inmunidad al ruid y las interferencias: Cmplejidad: Un esquema cmplej es más csts de implementar que un sencill. Esquemas de cdificación de línea: Se pueden dividir en cinc categrías, existiend varis esquemas pr categría. CODIFICACIÓN DE LINEA UNIPOLAR POLAR BIPOLAR MULTINIVEL MULTITRANSMISION NZR NZR, RZ y bifásica AMI y pseudternaria 2B/1Q, 8B/67 y 4D-Pam5 MLT-3 Esquema uniplar: Tds ls niveles de señal se encuentran a un lad del eje del tiemp, pr encima pr debaj. NZR (Sin retrn a cer): Un vltaje psitiv define un bit a 1 y un vltaje a cer define un bit a cer. Se denmina NZR debid a que la señal n retrna a cer en la mitad del bit. Esquemas plares: Ls vltajes se encuentran a ambs lads del eje del tiemp. 2 Lngins Recuer Busts ([email protected])

3 NZR (Sin retrn a cer): Se utilizan ds niveles de amplitud de vltaje. NZR-L (Level): El nivel de vltaje determina el valr del bit. NZR-I(Invertid): La inversión falta de inversión en el nivel de vltaje determina el valr del bit. Si n hay cambi, el bit es cer y si hay cambi, el bit es un. Tant NZR-L cm NZR-I padecen de prblemas cn la variación de la línea base, sincrnización, cmpnentes DC. Per es más acusad en NZR-L. RZ (Cn retrn a cer): Utiliza tres valres: psitiv, negativ y cer. La señal cambia durante el bit. Slucina el prblema de sincrnización de ls esquemas NZR. Padece prblemas de mayr cupación de anch de banda y es más cmplej de crear y discernir. Bifásica: La señal cambia en medi del interval del bit, per sin retrn a cer, cntinuand el rest del interval en el pl puest. De manera que la primera mitad del perid determina el valr del bit y la segunda sincrniza. Manchester: Cmbina las ideas de RZ y NRZ-L. El vltaje permanece en un nivel durante la primera mitad y transicina a tr nivel en la segunda mitad. Manchester diferencial: Cmbina las ideas de RZ y NRZ-I. Siempre hay una transición en la mitad del bit. 3 Lngins Recuer Busts ([email protected])

4 Ambs esquemas, slucinan ls prblemas asciads a las cdificacines NRZ. Sin embarg el anch de banda mínim para ests esquemas el dble que ls NRZ. Esquemas biplares binarias multinivel: Se utilizan tres niveles: psitiv, negativ y cer. AMI (Inversión de marca alternada): La palabra marca prviene de la telegrafía y significa 1. Así AMI significa inversión a 1 altern. PseudTernaria: Variación de AMI en la que un bit a 1 se cdifica cm un vlate cer y un bit a cer se cdifica alternand vltajes psitivs y negativs. El esquema biplar se desarrlló cm alternativa al NRZ. N existe cmpnente DC. Se utiliza nrmalmente para cmunicacines a larga distancia. Esquemas multinivel: El bjetiv es incrementar el númer de bits pr baudi, cdificand un patrón de m elements de dats en un patrón de n elements de señal. Ests tips de clasificación se denminan mbln, dnde: m es la lngitud del patrón binari. B significa dat binari. n es la lngitud del patrón señal. L es el númer de niveles de la señal, utilizand cn frecuencia caracteres para representar valres: B (binari) para L = 2. T (ternari) para L = 3. Q (cuaternari) para L = 4. En ls esquemas mbln, un patrón de m elements de dats se cdifica cm un patrón de n elements de de señal dnde. 2B1Q (ds binari, un cuaternari): Se pueden enviar dats el dble de rápid que cn NRZ-L, ya que la tasa de señales media es S=N/4. 4 Lngins Recuer Busts ([email protected])

5 8B6T(Och Binari, Seis Ternari): Hay = 222 elements redundantes que frecen sincrnización, detección de errres y equilibri DC. 4D-PA5M(Cuatr Dimensinal cn Mdulación pr Amplitud de Puls de Cinc Niveles): 4D significa que ls dats se envían utilizand cuatr cables simultáneamente. Utiliza cinc niveles de vltajes -2, -1, 0, 1 y 2. Sin embarg el 0 es usad cm detección de errres. Este esquema tiene muchs elements redundantes que pueden usarse cm detección de errres. Transmisión multilínea, nivel 3: MLT-3: Esquema de cdificación diferencial cn más de ds reglas de transición. Utiliza tres niveles (V+, 0, V-) y tres reglas de transición para mverse entre niveles. Es un esquema adecuad cuand se necesitan enviar dats a 100 Mbps en un medi físic que n sprte más de 32 MHz. Resumen de ls esquemas de cdificación de línea: Categría Esquema Anch de banda medi (S) Uniplar NZR B = N/2 Plar NZR-L B = N/2 NZR-I B = N/2 Características Csts, sin Autsincrnización si hay largas secuencias de 0 ó 1, DC. Sin Autsincrnización si hay largas secuencias de 0 ó 1, DC. Sin Autsincrnización si hay largas secuencias de 0, DC. 5 Lngins Recuer Busts ([email protected])

6 Bifásica B = N Autsincrnización, n DC, gran anch de banda. Biplar AMI B = N/2 Sin Autsincrnización para largas secuencias de 0, n DC. Sin Autsincrnización para largas secuencias 2B1Q B = N/5 de misms bits dbles. Multinivel 8B6T B = 3N/4 Autsincrnización, n DC. 4D-PAM5 B = N/8 Autsincrnización, n DC. Multilínea MLT-3 B = N/3 Sin Autsincrnización para largas secuencias de 0. Cdificación de blques: Prprcina la redundancia necesaria para asegurar la sincrnización y detección de errres. La cdificación de blques se cnce cm cdificación mb/nb. Reemplaza cada grup de m bits pr un grup de n bits. Invlucra tres etapas: División: Una secuencia de bits se divide en grups de m bits. Sustitución: Se sustituye un grup de m bits pr un grup de n bits. Cmbinación: Ls grups de n bits se cmbinan para frmar un fluj. 4B/5B (Cuatr Binari / Cinc Binari): Diseñad para su utilización en cmbinación cn NRZ-I, suprimiend el prblema de la sincrnización que padece este esquema de cdificación. La idea es sustituir grups de 4 bits pr grups de 5 bits, n teniend más de un 0 a la izquierda y n más de 2 cers a la derecha. Hay = 16 elements redundantes que se utilizan para el cntrl de la transmisión. Slucina un de ls prblemas de la cdificación NZR-I per aumenta más de un 20 % la tasa de baudis. 8B/10B ( Och Binari / Diez Binari ): Similar a 4B/5B. En un blque de 8 bits, ls 5 más significativs sn cdificads cn 5B/6B y ls 3 bits mens significativs sn cdificads cn 3B/4B. Simplificand la tabla de pryección. Se utiliza un cntrladr de disparidad que sigue la pista del exces de 0 sbre 1 y viceversa, cmplementand el blque si así sucediera. Hay = 768 elements redundantes que se utilizan para el cntrl de la transmisión. Aleatrización: Utilizada para establecer cmunicación a largas distancias. Mdifica la cdificación AMI, reslviend el prblema de la sincrnización en una larga secuencia de cers. La aleatrización se realiza al mism tiemp que la cdificación. B8ZS (Biplar cn sustitución de ch cers): Utilizada nrmalmente en Nrte América. Sustituye ch cers cnsecutivs cn 000VB0VB. La V indica vilación, rmpiend la regla de la cdificación AMI. La B indica Biplar. N cambia la tasa de bits. Mantiene el equilibri DC. 6 Lngins Recuer Busts ([email protected])

7 HDB3 (Biplar de alta densidad cn tres cers): Utilizada nrmalmente fuera de Nrte América. Cuatr cers cnsecutivs sn reemplazads pr 000V B00V. La razón para ds sustitucines diferentes es mantener un númer par de pulss distints de cer después de cada sustitución. CONVERSIÓN DE ANALÓGICO A DIGITAL: A este prces se le denmina digitalización. La cnversión invlucra ds técnicas: Mdulación pr cdificación de pulss (PCM) y mdulación delta (DM). Mdulación pr cdificación de pulss (PCM): Un cdificadr PCM tiene tres prcess: Muestre, Cuantificación y cdificación. Muestre: La señal analógica es muestreada cada Ts s, dnde Ts es el interval de muestre perid. El invers de Ts se denmina tasa de muestre frecuencia de muestre y se denta cm fs. Existen tres métds de muestre, ideal, natural y de cresta plana. Ideal: Natural: Se muestrean ls pulss de la señal analógica. N se puede implementar fácilmente. Un cnmutadr de alta velcidad se enciende sl durante un pequeñ perid de tiemp cuand está realizand el muestre. Obteniend una secuencia de muestras que retienen la frma de la señal analógica. Cresta plana: Es el más cmún. Crea muestras de cresta plana utilizand un circuit. 7 Lngins Recuer Busts ([email protected])

8 El prces de muestr es cncid cm mdulación pr amplitud de pulss (PAM). Tasa de muestre: De acuerd al terema de Nyquist, debe ser al mens el dble de la frecuencia más alta cntenida en la señal. Una señal cn anch de banda infinit n puede ser muestreada. Si la señal es de pas baj, la frecuencia más alta es el anch de banda. Si es pas banda, el anch de banda es menr que la frecuencia más alta. Cuantificación: Del prces de muestre se btiene una serie de pulss cn valres de amplitud cmprendids entre la mínima y la máxima amplitud de la señal. Este cnjunt puede ser enter cn valres n enters entre ds límites, haciend impsible su us en el prces de cdificación. Para hacerl psible, se siguen cuatr etapas de cuantificación: Se asume que la señal analógica tiene amplitudes instantáneas entre Vmin y Vmax. Se divide el rang en L znas, cada una de un anch (delta). Se asignan valres cuantificads en el punt medi de cada zna. Se aprxima el valr de la amplitud de la muestra a ls valres cuantificads. Niveles de cuantificación: La elección de L, depende del rang de amplitudes de la señal analógica y de la precisión cn la que se quiera recuperar la señal. Un valr baj de L incrementa el errr de cuantificación. Errr de cuantificación: Es la diferencia entre el valr cuantificad de la muestra y el valr real de la muestra. El valr del errr para cualquier muestra es de. 8 Lngins Recuer Busts ([email protected])

9 El errr de cuantificación cambia la tasa de señales a ruid de la señal, reduciend la capacidad de Shannn. La cntribución del errr al SNRdB = 6,02.nb + 1,76 db y dnde nb sn bits pr muestra. Cuantificación n unifrme: En muchas aplicacines, la distribución de amplitudes instantáneas n es unifrme. Hace variar la altura de, siend mayr en amplitudes más bajas y menr cerca da las mayres. La cuantificación n unifrme reduce el SNRdB de la cuantificación. Cdificación: A cada nivel de cuantificación se le asigna un códig binari distint, frmand la señal cdificada y lista para ser transmitida. El númer de bits pr muestra es determinad pr ls niveles de cuantificación, siend, nb = lg2 L. La tasa de bits es el prduct de la tasa de muestre (fs) y el númer de bits pr muestra (nb). Recuperación de la señal riginal: Requiere un decdificadr PCM. El decdificadr utiliza un circuit para cnvertir las palabras del códig en un puls que mantenga la amplitud hasta el siguiente puls. Cmpletada la señal escalera, se pasa a través de un filtr pas baj para suavizar la señal escalera en una señal digital. Anch de banda de PCM: El anch de banda mínim de la señal digital es nb veces mayr que el anch de banda de la señal analógica, es decir: Bmin = nb. Banalg Es el preci a pagar pr la digitalización. Tasa de dats máxima de un canal: (véase tasa de bits de Nyquist). Anch de banda mínim requerid: Hz. Siend N, la tasa de dats máxima de un canal. Mdulación delta (DM): Técnica much mens cmpleja que PCM. PCM encuentra la amplitud de la señal en cada muestra y DM encuentra el cambi en la muestra anterir. Mduladr: Utilizad en el emisr para crear un fluj de bits a partir de la señal analógica. El prces registra ls cambis psitiv negativs, denminads delta. Si es psitiv, se registra un 1 y 0 en cas cntrari. El mduladr cnstruye una segunda señal en frma de escalera para pder cmparar la señal analógica. En cada inérval de muestre, se cmpara el valr de la señal analógica cn el últim valr de la señal escalera. Se necesita una unidad de retard para mantener la función de escalera durante un perid cmprendid entre ds cmparacines. 9 Lngins Recuer Busts ([email protected])

10 Demduladr: Tma la señal de dats y, utilizand un cnstructr de señal de escalera y la unidad de retard, crea la señal analógica. DM adaptativ: Para cnseguir mejres prestacines se adapta el valr de de acuerd a la amplitud de la señal analógica. Errr de cuantificación: Siempre se intrduce un errr de cuantificación, per este es much menr que para PCM. MODOS DE TRANSMISIÓN: Transmisión paralela: Se usan n hils para enviar n bits simultáneamente a cada puls de relj. Ventaja: Velcidad de transferencia superir en un factr n a la transmisión serie. Desventaja: Cste elevad, limitand su us a distancias crtas. Transmisión serie: Se usa un sl hil, ya que se envía un bit sigue a tr. Ventaja: reducción de cstes en un factr n. Transmisión asíncrna: Est es así cuand la temprización de la señal n es imprtante. La infrmación se recibe y se traduce usand patrnes acrdads. Ls patrnes se basan en agrupar el fluj de bits en bytes. Para que el receptr sepa cuand le llega un nuev grup, se añade un bit extra al principi de cada byte llamad bit de inici (cer). Para que sepa cuand finaliza el grup, se añaden un más bits al final de cada byte llamads bit de parada (uns). Hay que entender que la asincrnía es entre grups de byte, per dentr de cada byte si se está sincrnizad. Recmendad para cmunicacines de baja velcidad. Transmisión síncrna: Se envían un bit detrás de tr, sin bit de inici/parada intervals. La agrupación de ls bits es respnsabilidad del receptr. Aquí la temprización se vuelve muy imprtante, ya que la exactitud de la infrmación depende de cóm lleve la cuenta de bits el receptr. La sincrnización a nivel de byte se lleva a cab en el nivel de enlace de dats. Recmendad para cmunicacines de alta velcidad. Isócrna: Garantiza que ls dats llegan a una tasa fija, evitand retards desiguales entre tramas. Recmendad para transmisines de audi y vide en tiemp real. 10 Lngins Recuer Busts ([email protected])