Sistemas informáticos industriales 2014 Transmisión de datos CRC
MODULACION En las comunicaciones habituales, por ejemplo radio, TV, telefonía, etc., se hace necesario acondicionar la información que se va a enviar, para adecuarlas a los medios de transmisión y permitir que sean recibidas de la manera mas fiel posible. Nacieron de esta necesidad, los procesos de modulación de una onda, de cualquier tipo que ella sea (onda de presión de aire - voz-, ondas o señales de video, ondas producidas por sensores o transductores, etc.). Lo mas difundido entre nosotros son las ondas de radio y TV que normalmente recibimos, a veces desconociendo cuales son sus transformaciones desde que se emiten hasta que llegan a un receptor.
MODULACION Un medio de trasmisión es un cualquier entorno en el cual una onda puede propagarse. Por ejemplo las ondas acústicas necesitan del aire para poder ser transmitidas. Las ondas electromagnéticas (que son el motivo de nuestro estudio), se propagan a través del vacío y no necesitan de ningún medio para poder ser enviadas. Con el advenimiento de los diferentes sistemas informáticos, se presento la necesidad de comunicar una computadora con otras, lo que produjo que diferentes fabricantes diseñaran sus sistemas adecuados a las necesidades de sus equipos.
MODULACION Con este inconveniente, se acordó entre diferentes fabricantes en crear normas para que las distintas marcas fueran compatibles. En consecuencias nacieron los llamados protocolos de comunicaciones, que son reglas que se adoptan definir la forma en que se conecta un equipo con otro. Uno de los mas difundidos es el TCP/IP (Transfer Control Protocol / Internet Protocol) Para poder estudiar algunos protocolos de miles existentes en el mercado, se hace necesario conocer los procesos de modulación de ondas desarrollados a continuación.
TIPOS DE MODULACIÓN La modulación nace de la necesidad de transportar una información a través de un canal de comunicación a la mayor distancia y menor costo posible. Este es un proceso mediante el cual dicha información (cadena de bits) se inserta a un soporte de transmisión. Modulación engloba el conjunto de técnicas que se usan para transportar información sobre una onda portadora, típicamente una onda sinusoidal. Estas técnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal de comunicación lo que posibilita transmitir más información en forma simultánea además de mejorar la resistencia contra posibles ruidos e interferencias.
Tipos de modulación: Analógica: Modulación en amplitud (AM) Modulación en frecuencia (FM) Modulación de fase (PM) Digital: Desplazamiento de amplitud (ASK, Amplitude shift keying) Desplazamiento de frec. (FSK, Frecuency shift keying) Desplazamiento de fase (PSK, Phase shift keying) Modulación MPSK (Multi-PSK)
MODULACIÓN DE AMPLITUD (AM) Una portadora puede modularse de diferentes modos dependiendo del parámetro de la misma sobre el que se actúe. Se modula en amplitud una onda que llamaremos portadora, cuando la distancia existente entre el punto de la misma en el que la onda vale cero y los puntos en que toma el valor máximo ó mínimo se altera.
MODULACIÓN DE AMPLITUD (AM) Es la amplitud (intensidad) de la información a transmitir la que varía la amplitud de la onda portadora. Portadora modulada Señal moduladora
MODULACIÓN DE AMPLITUD (AM) Al modular la portadora, se obtiene tres frecuencias: 1. La frecuencia de la portadora fp 2. La frecuencia suma de la portadora y la información fp+fm (diferenciándose como la banda lateral superior o USB). 3. La frecuencia diferencia de la portadora y la información fp-fm (banda lateral inferior o LSB). Donde: fp = Frecuencia portadora fm = Frecuencia moduladora La condición de modulación será cuando fp >> fm
MODULACIÓN DE AMPLITUD (AM) El espectro de frecuencias de la señal modulada muestra que se tienen tres frecuencias. Para el ejemplo fp=3500khz y fm=300khz.
MODULACIÓN DE AMPLITUD (AM) Señal moduladora
MODULACIÓN DE AMPLITUD (AM) Este análisis nos lleva a pensar que, como normalmente la información no la compone una única onda, sino varias dentro de una banda, sería necesario hacer uso de un gran ancho de banda para transmitir una información cuyas frecuencias estuvieran comprendidas entre los 20 Hz y 20.000 Hz (limites de la banda de frecuencias audibles por el oído humano) con buena calidad. Por otro lado, como el ancho de banda permitido para una emisora está limitado, este tipo de modulación se aplica a usos que no requieren gran calidad de sonido o en los que la información sean de frecuencias próximas entre sí.
MODULACIÓN DE AMPLITUD (AM) Otra característica de la modulación de amplitud es que, en su recepción, los desvanecimientos de señal no provocan demasiado ruido, por lo que es usado en algunos casos de comunicaciones móviles, como ocurre en buena parte de las comunicaciones entre un avión y la torre de control, debido que la posible lejanía y el movimiento del avión puede dar lugar a desvanecimientos. Sin embargo, la modulación en amplitud tiene un inconveniente, y es la vulnerabilidad a las interferencias atmosféricas.
MODULACIÓN DE FRECUENCIA (FM) La modulación de frecuencia consiste en variar la frecuencia de la onda portadora de acuerdo con la intensidad de la onda de información. La amplitud de la onda modulada es constante e igual que la de la onda portadora.
MODULACIÓN DE FRECUENCIA (FM) Comparación modulación AM y FM.
MODULACIÓN DE FRECUENCIA (FM) Debido a que los ruidos o interferencias que se mencionaron anteriormente alteran la amplitud de la onda, no afecta a la información transmitida en FM, puesto que la información se extrae de la variación de frecuencia y no de la amplitud, que es constante. Una de las ventaja que tiene es que es más inmune a los ruidos atmosféricos o descarga estática.
MODULACIÓN EN FASE (PM) Es una modulación que se caracteriza porque la fase de la onda portadora varía en forma directamente proporcional de acuerdo con la señal modulante.
MODULACIÓN EN FASE (PM) La modulación de fase no suele ser muy utilizada porque se requieren equipos de recepción más complejos que los de frecuencia modulada. Además puede presentar problemas de ambigüedad para determinar si una señal tiene una fase de 0º o 180º. En PM las consideraciones acerca del ancho de banda son similares a las del ancho de banda en FM.
Desplazamiento de amplitud (ASK) ASK (Amplitudes-shift keying), es una modulación de amplitud donde la señal moduladora (datos) es digital. Los dos valores binarios se representan con dos amplitudes diferentes y es usual que una de las dos amplitudes sea cero; es decir uno de los dígitos binarios se representa mediante la presencia de la portadora a amplitud constante, y el otro dígito se representa mediante la ausencia de la señal portadora. En este caso la señal moduladora vale vm () t 1 para "1" binario = 0 para "0" binario
Desplazamiento de amplitud (ASK) Mientras que el valor de la señal de transmisión (señal portadora) es dado por v ( t) = V sin(2 π f t) p p p donde: Vp es el valor de pico de la portadora y fp la frecuencia. La señal de la portadora modulada será Vpsin(2 π fp t) para "1" binario vt () = vm() t vp() t = 0 para "0" binario
Desplazamiento de amplitud (ASK) La señal modulada tendrá la siguiente forma
Desplazamiento de amplitud (ASK) ASK es sensible a cambios repentinos de la ganancia, además es una técnica de modulación ineficaz. La técnica ASK se utiliza para la transmisión de datos digitales en fibras ópticas, en los transmisores con LED, la expresión de la señal modulada sigue siendo válida. Es decir, un elemento de señal se representa mediante un pulso de luz, mientras que el otro se representa mediante la ausencia de luz. Los transmisores láser tienen normalmente un valor de desplazamiento, "bias", que hace que el dispositivo emita una señal de alta intensidad para representar un elemento y una señal de menor amplitud para representar al otro.
Desplazamiento de frecuencia (FSK) FSK (Frequency-shift keying), es una modulación de frecuencia donde la señal moduladora (datos) es digital. Los dos valores binarios se representan con dos frecuencias diferentes (f1 y f2) próximas a la frecuencia de la señal portadora fp vt () V = V p p sin(2π f t) para "1" binario 1 sin(2π f t) para "0" binario 2
Desplazamiento de frecuencia (FSK) La forma de onda de la señal modulada en frecuencia:
Desplazamiento de frecuencia (FSK) El comportamiento frente al ruido de las señales moduladas en frecuencia es mucho mejor que el de las señales moduladas en amplitud, pero a cambio, el ancho de banda de las señales FSK es mayor que el de las señales ASK. FSK es una función de envolvente constante, insensible a la variaciones de amplitud en el canal, por lo tanto compatibles con emisores y receptores no lineales.
Desplazamiento de fase (PSK) PSK (Phase-shift keying), es una modulación de fase donde la señal moduladora (datos) es digital. Existen dos alternativas de modulación PSK: PSK convencional, donde se tienen en cuenta los desplazamientos de fase y PSK diferencial, en la cual se consideran las transiciones. Las consideraciones que siguen a continuación son válidas para ambos casos En PSK el valor de la señal moduladora está dado por vm 1 para "1" binario () t = 1 para "0" binario
Desplazamiento de fase (PSK) Mientras que el valor de la señal de transmisión (señal portadora) es dado por v ( t) = V cos(2 π f t) p p p donde: Vp es el valor de pico de la portadora y fp la frecuencia. La señal de la portadora modulada en fase será Vpcos(2 π fp t) para "1" binario vt () = vm() t vp() t = Vpcos(2 π fp t+ π) para "0" binario
Desplazamiento de fase (PSK) La forma de onda de la señal modulada en fase:
Desplazamiento de fase (PSK) En el sistema PSK convencional es necesario tener una portadora en el receptor para sincronización, o usar un código autosincronizante, por esta razón surge la necesidad de un sistema PSK diferencial. Es diferencial puesto que la información no esta contenida en la fase absoluta, sino en las transiciones. La referencia de fase se toma del intervalo inmediato anterior, con lo que el detector decodifica la información digital basándose en diferencias relativas de fase.
Desplazamiento de fase (PSK) Como ventaja del PSK es la simplicidad del diseño de los amplificadores y de las etapas receptoras porque la potencia se mantiene contante. La desventaja es que necesita la generación de señales de referencia para comparar las fases. La tasa de error es inferior a FSK.
Modulación MPSK (Multi-PSK) En este sistema la fase de la señal portadora puede tomar secuencialmente N valores posibles separados entre sí por un ángulo definido por θ = 2 π N Este es un caso de transmisión multinivel, donde la portadora tomará los N valores posibles de acuerdo a los niveles de amplitud de la señal moduladora.
Modulación MPSK (Multi-PSK) QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying): Este esquema de modulación es conocido también como Quaternary PSK (PSK Cuaternaria), Quadriphase PSK (PSK Cuadrafásica) o 4-QAM. Esta modulación digital es representada en el diagrama de constelación por cuatro puntos equidistantes del origen del coordenadas. Se puede codificar dos bits por cada símbolo. La asignación de bits a cada símbolo suele hacerse mediante el código Gray, con lo que se logra minimizar la tasa de bits erróneos.
Transmisión asincrónica Cuando se envian datos binarios, uno de los problemas mas significativos es el sincronismo entre el transmisor y el receptor. Es decir, la coincidencia entre la lecturas de ceros y unos entre quien manda y quien recibe, ya que las distancias grandes distorsionan las ondas, debiendo tener una perfecta coincidencia en la lectura de los niveles alto o bajo en ambos extremos. Una forma de realizar este control, es mediante la transmisión asincrónica.
Transmisión asincrónica Cuando se envian datos binarios, uno de los problemas mas significativos es el sincronismo entre el transmisor y el receptor. Es decir, la coincidencia entre la lecturas de ceros y unos entre quien manda y quien recibe, ya que las distancias grandes distorsionan las ondas, debiendo tener una perfecta coincidencia en la lectura de los niveles alto o bajo en ambos extremos. Una forma de realizar este control, es mediante la transmisión asincrónica.
Transmisión asincrónica El protocolo de transmisión asincrónico requiere de una señal que identifique el inicio del carácter a la que se denomina bit de arranque. También se requiere de otra señal denominada señal de parada que indica la finalización del carácter o bloque.
Transmisión asincrónica Generalmente cuando no hay transmisión, una línea se encuentra en un nivel alto. Tanto el transmisor como el receptor, saben cual es la cantidad de bits que componen el carácter (en el ejemplo son 7). Los bits de parada son una manera de fijar qué delimita la cantidad de bits del carácter y cuando e transmite un conjunto de caracteres. Luego de los bits de parada existe un bit de arranque entre los distintos caracteres. La cantidad de bits de parada pueden ser 1 o 2.
Transmisión asincrónica Se indica mediante símbolos, el formato de la transmisión asincrónica. De esta forma, se expresa: 1) Cantidad de bits de datos que se envían (pueden ser 5,6, 7,8 o 9). 2) Paridad (E(even) = par, O(odd) = impar, N(none) = ninguna). Ademas se tiene M(mark)= bit paridad siempre a 1 y S(space)= bit paridad siempre a 0. 3) Cantidad de bits de parada (1 o 2).
Transmisión asincrónica El bit de paridad de calcula según sea par o impar: Par: se cuenta la cantidad de unos. Si este último es impar, el bit de paridad es 1, en caso contrario es 0. Ej.: 1010001 el bit paridad par es 1( se tiene 3 unos). Impar: se cuenta la cantidad de unos. Si este último es par, el bit de paridad es 1, en caso contrario es 0. Ej.: 1111 el bit paridad impar es 1( se tiene 4 unos).
Transmisión asincrónica Por ejemplo, para la figura anterior, con 7 bits de datos y 1 bit de paridad, el formato se expresaría como: 7E1 donde 7 son los bits de datos, E (even, par en ingles) el bit de paridad y 1 el bit de parada. A pesar de ser una forma comúnmente utilizada, la desventaja de la transmisión asincrónica es su bajo rendimiento, puesto que como en el caso del ejemplo, el carácter tiene 7 bits pero para efectuar la transmisión se requieren 10. O sea que del total de bits transmitidos solo el 70% pertenecen a datos.
Transmisión asincrónica RENDIMIENTO DE LA TRANSMISION Cuando se comunican dos computadoras, no solo se envía el mensaje crudo que se necesita transmitir. Hay que adicionar otros caracteres o bytes que ayudan a la correcta recepción de los datos transmitidos. Es posible entonces deducir que en un medio de transmisión se envían más bytes que los que el mensaje tiene. Si el medio es alquilado o rentado por un tiempo determinado, será conveniente enviar la mayor cantidad de datos útiles con un mínimo de datos adicionales. Pero esto va en contra de la confiabilidad de la comunicación.
Transmisión asincrónica Se denomina overhead de una transmisión al cociente entre la cantidad de bytes sin información (para control, etc), dividido en la cantidad total de bytes. Es decir: Overhead = Cantidad de bytes sin información Cantidad total de bytes
Transmisión asincrónica Esta desventaja es acentuada cuando la cantidad de datos o bytes a enviar son grandes, en la cual los caracteres enviados son recargados con bits adicionales que no forman parte del mensaje, pero son necesarios para que este llegue con una confiabilidad alta al destinatario. Su ventaja es que tanto el emisor como el receptor, al tener en cada carácter o byte transmitido una marca para indicar donde comienza y otra donde termina el byte, tienen un diseño no muy complicado, ya que el sincronismo se realiza en cada byte que se envía.
INTRODUCCION A LOS PROTOCOLOS DE TRANSMISION SINCRONICOS Una tira de bits (información digital) enviada por un medio cualquiera (por ejemplo un cable coaxil), es distorsionada por el mismo debido a que dicha onda esta compuesta por una sumatoria de ondas senoidales de mayor frecuencia. Esto significa que se debe tener un ancho de banda (en el medio de transmisión) bastante grande para poder realizar el envío de unos y ceros a velocidades medias.
Transmisión sincrónica Un ejemplo clásico lo tenemos en las redes de internet. Cualquier computadora conectada a un servidor de internet (mediante conexión dial-up), usa la red de comunicaciones telefónicas para el envío de señales binarias. Las señales que salen de la computadora son del tipo binario. Para su modulación se utiliza en MODEM (modulador demodulador). Por lo tanto la señal que viaja por la red telefónica es del tipo analógica, modulada con los diferentes tipos de modulación ya vistos.
Transmisión sincrónica En la actualidad se están usando otros medios de transmisión para el envío de dicha información. Los sistemas ADSL tienen un ancho de banda mayor, lo que permite también una mayor velocidad de transmisión. (las velocidades de transmisión se miden en bits por segundo o bps). También se usan las transmisiones mediante fibra óptica, las cuales operan en banda base (emisión de unos y ceros sin modulación). Los protocolos más usados son de dos tipos: los orientados a byte(bop y los orientados al carácter(cop).
Transmisión sincrónica Protocolos orientados al carácter (COP): Es aquel que utiliza un determinado alfabeto para realizar las funciones de control del enlace, estos caracteres de control pueden estar situados en distintas posiciones dentro de la trama. Los protocolos orientados a carácter son dependientes del código utilizado (ASCII, EBCDIC, etc.), teniéndose que interpretar los campos de control en función de este código, siendo incompatibles en el caso de que utilicen distintos códigos.
Transmisión sincrónica Los protocolos orientados al carácter (COP) tienen el siguiente formato
Transmisión sincrónica Los símbolos representan lo siguiente: SYN: Cuando se envían mensajes entre computadoras, estos son dígitos binarios (1 o 0). En consecuencia, quien recibe, debe estar sincronizado de una manera muy ajustada con quien envía, para evitar leer bits que no corresponden o pueden estar desplazados. Para ello se envían dos caracteres de sincronismo (SYN) para que el receptor pueda sincronizarse con el emisor. SYN = 0001 0110 (ver tabla ASCII).
Transmisión sincrónica Los símbolos representan lo siguiente: SOH: Este carácter indica que a continuación debe leerse la cabecera del mensaje, la que se analizara a continuación. SOH=0000 0001 HEADER: En este campo, pueden indicarse diferentes parámetros. El más común es indicar la dirección de la computadora destino que debe recibir el mensaje que se envía. Recordemos que cada computadora tiene un nro. representando su dirección.
Transmisión sincrónica Los símbolos representan lo siguiente: STX: Este campo indica que a continuación de él, comienza el mensaje que el emisor desea enviar al receptor. En otras palabras, es la información útil, ya que los otros campos analizados solo sirven para control de la comunicación. STX = 0000 0010 TEXTO: Es el mensaje que se desea enviar. Este puede tener una gran cantidad de bytes, insertando en el todos los datos que se desean enviar.
Transmisión sincrónica Los símbolos representan lo siguiente: ETX: Indica la terminación del mensaje útil de la transmisión. ETX = 0000 0011 BCC: Es un carácter que se envía para control de errores en el mensaje. Puede ser un código de redundancia cíclica o CRC (el bit de paridad es un caso particular de CRC).
Transmisión sincrónica Analizando este conjunto de bytes que forman un mensaje o frame, debe tenerse en cuenta que el mismo puede enviarse con o sin modulación. En una transmisión mediante fibra óptica, a pesar que se usan nuevos protocolos, puede enviarse el mensaje con el formato antes indicado. También puede hacerse modulando cada bit de cada campo y enviando por el medio de transmisión elegido para la comunicación.
Transmisión sincrónica Protocolos Orientados al Bit: Es aquel que usa la información contenida en ciertas posiciones fijas de la trama para realizar las funciones de control del enlace. En este caso no se utilizan caracteres de ningún código específico para controlar la comunicación, sino el significado de los bits de unas posiciones concretas de la trama, por tanto son transparentes al código. Son protocolos modernos y su aparición se debe a las dificultades que en determinados casos presentan los protocolos orientados a carácter.
Transmisión sincrónica Las principales ventajas de estos protocolos son: Independencia del código utilizado: se trata de enviar conjuntos de bits que en principio pueden configurar información en cualquier código. Gran eficiencia en la transmisión: la relación existente entre los bits de información y los bits de control es muy alta. Gran fiabilidad en las transmisiones: se dispone de métodos de control para la detección y recuperación de errores con gran eficacia.
Transmisión sincrónica El formato de un protocolo orientado al bit es el siguiente
Transmisión sincrónica Significado de los campos: 01111110: Este es un campo predeterminado con ese número, y que se denomina campo de apertura y de cierre, ya que son iguales. Cuando el receptor detecta este carácter, es un indicador que a continuación comenzara a enviarse un mensaje. DIRECCION: Indica la dirección de la computadora que deberá recibir el mensaje.
Transmisión sincrónica Significado de los campos: CONTROL: Este campo indica que tipo de mensaje es el que se envía. En estos protocolos, existen diferentes funciones sobre la comunicación, las cuales son indicadas en este byte. INFORMACION: Conjunto de datos o mensaje que se desea enviar.
Transmisión sincrónica Significado de los campos: CONTROL DE ERRORES: Como su nombre lo indica, controla los errores en el mensaje. 01111110: Es el último campo es idéntico al de apertura y se denominan bandera de apertura y de cierre respectivamente. Indican que se termino de enviar los datos o mensaje, y que a continuación no hay otro frame o bien se iniciara otro con otra bandera de apertura.
Transmisión sincrónica Códigos de Redundancia Cíclica (CRC): Este apartado trata del código detector-corrector de errores polinómico (también conocido como código de redundancia cíclica CRC). El método de redundancia cíclica (CRC Cyclic Redundancy Check) es otra técnica muy usada para detección de errores. Trabaja al nivel de mensaje, agregando varios caracteres de control al final, siendo lo más común 2 o 4 bytes de control.
Transmisión sincrónica Códigos de Redundancia Cíclica (CRC): Se divide la secuencia de bits a enviar, por un numero binario predeterminado. El resto de la división se adiciona a él mensaje como secuencia de control. El extremo receptor realiza el mismo cálculo que el emisor y compara el resultado obtenido con la secuencia de control recibida. Si no coinciden, equivale a una indicación de error.
Transmisión sincrónica Cálculo CRC: Se usará el método de código polinómico. Se parte de un polinomio generador G(X) de grado r, y basándose en el principio de que n bits de datos binarios se pueden considerar como los coeficientes de un polinomio de orden n-1. El bit de orden mas alto corresponde al término x n-1, el siguiente a x n-2 Por ejemplo, los datos 10111 pueden tratarse como el polinomio 4 2 1 0 4 2 x + x + x + x = x + x + x+ 1
Transmisión sincrónica Cálculo CRC: Cuando se emplea el método del código polinómico, el emisor y el receptor deberán estar de acuerdo respecto a un polinomio generador, G(x), en forma anticipada. Los bits de orden superior e inferior del generador deben ser 1. Para calcular el código de redundancia de alguna trama con k bits, correspondiente al polinomio M(x), la trama deberá ser más grande que el polinomio generador. La idea básica consiste en incluir un código de redundancia al final de la trama
Transmisión sincrónica Algoritmo CRC: 1. Sea r el grado de G(x). Agregar r bits a cero al extremo de orden inferior de la trama, de tal manera que ahora contenga m + r bits, y corresponda al polinomio xrm(x). 2. Dividir la serie de bits correspondientes a xrm(x) entre la serie de bits correspondientes a G(x), empleando la división en módulo 2. 3. Restar el resto (que siempre tiene r o menos bits) de la serie de bits correspondientes a xrm(x), empleando la resta en módulo 2. El resultado es la trama lista para trasmitir. Llámese T(x) a este polinomio.
Transmisión sincrónica Ejemplo CRC: El emisor debe enviar los datos 110101 con r = 3 y G(x) =x 4 +1. Entonces G=1001 y M 2 r = 110101000 que dividido (división de módulo 2) entre G CRC T=110101011 (trama a enviar)
Transmisión sincrónica Ejemplo CRC: En el receptor se recibirá T y procederá a verificar si no existe error. Para ello procede a dividirlo entre G Sin errores
Transmisión sincrónica Códigos de Redundancia Cíclica (CRC): Un código polinómico con r bits de redundancia, podrá detectar todas las ráfagas de errores de longitud <= r. El bit de paridad par se genera con el polinomio G(x)=x+1. Polinomios mas usados: CRC-8 = x 8 + x 2 + x + 1 CRC-12 = x 12 + x 11 + x 3 + x 2 + x + 1 CRC-16 = x 16 + x 15 + x 2 + 1 CRC-CCITT = x 16 + x 12 + x 5 + 1