Apuntes ComunicacionesV2 PDF

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CODIFICACIÓN.............................................................................................................................. 10 3.1 Codificación no retorno a cero........................................................................................... 11 3.2 Codificación no retorno a cero intevrtido.......................................................................... 11 3.3 Codificación retorno a cero................................................................................................ 11 3.4 Codificación Manchester.................................................................................................... 11 3.5 Codificación Manchester diferencial.................................................................................. 11 3.6 Características de la codificación...................................................................................... 12 4 MODULACIÓN............................................................................................................................... 13 4.1 Modulación digital............................................................................................................. 14 4.2 Modulación por impulsos codificados................................................................................ 18 4.3 Modulación de Amplitud, Fase y Frecuencia..................................................................... 21 5 MULTIPLEXACIÓN......................................................................................................................... 22 5.1 Por división de tiempo........................................................................................................ 23 5.2 Por división de frecuencia.................................................................................................. 25 5.3 Por división de Código....................................................................................................... 25 5.4 OFDM................................................................................................................................ 29 6 JERARQUÍAS DIGITALES................................................................................................................ 30 6.1 Jerarquía digital no sincrónica.......................................................................................... 30 6.2 Jerarquía digital síncrona.................................................................................................. 32 7 INTERFACES Y PROTOCOLOS......................................................................................................... 34 7.1 interfaces............................................................................................................................ 34 7.2 Protocolos........................................................................................................................... 36 8 MEDIOS DE TRANSMISIÓN............................................................................................................. 38 8.1 Medios guiados................................................................................................................... 38 8.2 Tipología de redes de cable................................................................................................ 43 8.3 Medios no guiados.............................................................................................................. 48 9 CONMUTACIÓN............................................................................................................................. 53 9.1 Clasificación de las redes de comunicación....................................................................... 53 9.2 Conmutación de Circuitos, Paquetes y Mensajes............................................................... 54 10 BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS..................................................................................................... 57 1 INTRODUCCIÓN GENERAL Las infraestructuras de telecomunicaciones transportan la información desde un punto llamado fuente a otro punto llamado destinatario, mediante equipamiento específico y medios de acceso, transmisión y conmutación. Estas proporcionan la capacidad necesaria para mantener una comunicación, ya sea ésta en forma de voz, datos, vídeo o multimedia. Esta definición incluye todas las necesidades que impone una comunicación, como son tener acceso a la red de comunicación, transportar la información y poner en contacto a los terminales extremos para intercambiar información, adaptándose a las características de cada extremo. Se caracteriza por tener bidireccionalidad, ser a distancia, prácticamente con independencia de la información a transmitir e incorporar lo que se denomina inteligencia de red. En realidad siempre ha habido dos tendencias, la inteligencia reside en la red (modelo centralizado) o en los terminales (modelo distribuido), pero lo que es incuestionable es que debe existir, para realizar todas aquellas acciones de invocar servicios, iniciar la transferencia de información, recuperarse ante fallos y cerrar la sesión entre los extremos intervinientes. Intervienen para todo ellos tres ámbitos bien delimitados: -el acceso, tecnologías que permiten acercar los usuarios a las redes, siendo este independiente de la red a acceder. -la transmisión, se ocupa de transportar las señales a través de distintos medios, se denominan también enlaces. -la conmutación, permite encaminar la señal, se denominan también nodos. Telecomunicaciones implica por lo tanto comunicaciones a distancia, entendiéndose por red de telecomunicación al conjunto de nodos y enlaces que proporciona conectividad entre dos o más puntos para brindar comunicación entre ellos. Se denomina circuito de comunicación a la asociación de dos canales unidireccionales que intervienen en la comunicación. Siendo un canal de comunicación el conjunto de elementos de red asociados para que un extremo se comunique con otro en modo unidireccional. Finalmente otro elemento que interviene es el terminal de usuario, que permite a este ejecutar todas las funciones necesarias de señalización, transmisión y recepción adaptadas a la persona humana que le permiten el acceso a la red. O sea que terminales y red son los componentes del sistema de telecomunicación. Mientras la comunicación es información que tiene valor para los intervinientes, hay que diferenciarlo de señales, que es toda tensión o corriente que representa la información que se propaga a través de las redes de telecomunicaciones y que cobra sentido para los usuarios cuando es reproducida por los terminales. Se verán en estos apuntes los diversos sistemas de acceso, transmisión y conmutación y las técnicas aplicadas a las señales a fin de servir de base para temas futuros. Se utilizarán para ello las comunicaciones digitales, haciendo extensivo, cuando corresponda al mundo analógico. 2 2 ELEMENTOS BÁSICOS DE TELECOMUNICACIONES 2.1 COMUNICACIONES ANALÓGICAS Y DIGITALES La información puede presentarse y utilizarse en formato analógico o digital. A esta manifestación física de la información producida por la fuente se denomina mensaje. Un mensaje analógico se representa mediante infinitos valores, mientras que uno digital sólo puede tomar valores discretos asumiendo un número finito de ellos. Cada uno de estos valores o estados digitales es lo que constituye un bit. Es interesante observar que, por tanto, un solo bit es la cantidad mínima de información posible. En los inicios la electrónica sólo permitía construir equipos que manejasen magnitudes analógicas. El avance revolucionario de esta disciplina juntamente con teoremas matemáticos ha posibilitado una conversión al mundo digital ya que este posee una cantidad de ventajas adicionales como ser: -calidad y fidelidad, la información analógica se degrada mientras que la digital se mantiene prácticamente inmune a las perturbaciones del medio y se puede regenerar. -procesamiento: permite realizar complejas operaciones de compresión y cifrado y ser compatible con el mundo de la computación. -almacenamiento: mediante el uso de memorias y de otros soportes informáticos El proceso de digitalización de una señal analógica, o sea los procesos de muestreo, cuantificación y codificación, se explicarán en el tema de la “Modulación PCM”. El mundo de la digitalización sigue avanzando y cubre tanto los terminales como las redes de telecomunicaciones (acceso, transmisión y conmutación) hasta sistemas específicos de telecomunicación como la televisión y la radio. Hay una convergencia entre la informática y las telecomunicaciones debido a que la electrónica de circuitos sobre la que se sustenta es común, aprovechándose del formato digital de la información. Hay que notar la diferencia entre señal y mensaje, mientras este último es considerado como las elecciones del alfabeto, el cual, es puesto en forma física (señales) para la transmisión. 2.2 ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN Veamos el siguiente gráfico: Figura –1 Elementos de un sistema de comunicación 3 Como se ve en la figura 1, el mensaje de entrada se corresponde con la fuente de información. El trasductor de entrada hace las funciones de terminal de usuario, produciendo una señal (eléctrica) a la entrada del transmisor. Este transmisor trata a la señal con distintas técnicas para que sea compatible con el canal de transmisión. A este último le afectan distintos fenómenos que degradan el mensaje como el ruido, interferencia y distorsión. A la entrada del receptor tendremos una señal recibida que es tratada por el receptor para adecuarla hacia el terminal final y reproducirla lo más fiel posible. A la salida del receptor se tendrá una señal de salida que vía terminal de usuario del destino y se produce el mensaje de salida de forma inteligible. 2.3 CARACTERÍSTICAS DE UN CANAL Dentro del diagrama en bloques del sistema de transmisión, la línea de transmisión, sea esta de aire o cableada, se representa como un canal de transmisión, donde se estudian los fenómenos que le afectan, es decir los problemas de transmisión. Por lo tanto el canal de comunicación es un modelo que representa el vehículo de transmisión más todos los fenómenos que tienden a restringir la transmisión. El echo de que hay limitaciones físicas fundamentales para transferir por medios electrónicos información, conduce a la noción de capacidad del canal. Capacidad es una medida de la cantidad de información que un canal puede transmitir al destinatario en forma confiable por unidad de tiempo. La transmisión de una señal supone el paso de la misma a través de un determinado medio, por ejemplo: un cable, el aire, etc. Debido a diferentes fenómenos físicos, la señal que llega al receptor difiere de la emitida por el transmisor por distintos efectos que son objeto de estudio. Si la suma de todos los efectos no produce una gran diferencia entre ambas señales, conseguiremos una transmisión fidedigna en el mundo analógico o libre de errores en el mundo digital. Los efectos, llamados perturbaciones del canal son: 2.3.1.- La atenuación Consiste en el debilitamiento o pérdida de amplitud de la señal recibida frente a la transmitida. La atenuación tiene un efecto proporcional a la distancia y la frecuencia. A partir de una determinada distancia, la señal recibida es tan débil que no se puede reconocer mensaje alguno, antes de que ello ocurra es necesario amplificarla, para lo cual se pueden incorporar en el camino de la señal unos dispositivos activos, cuya función es amplificar la señal en la misma medida en que acaba de ser atenuada por el medio, de esta forma se consigue recuperar la señal para que pueda alcanzar más distancia. Según el tipo de señal, analógica o digital, estos dispositivos tienen un comportamiento distinto y también diferente nombre. Para el caso de señales digitales hablamos de dispositivos repetidores, que son capaces de restaurar la misma señal original ya que la señal digital es literalmente regenerada. Para las señales analógicas se denominan amplificadores y estos elementos no permiten recuperar la señal original, debido al efecto del ruido que no se puede aislar de las señales analógicas pero sí de las digitales. Es decir que al amplificar se amplifica tanto la señal como el ruido. 4 Por ejemplo la atenuación del espacio libre, depende de la frecuencia y de la distancia. Para una señal de 2,4 GHz y una distancia de 25 metros es de: A= - 20 LOG (λ / 4πr) = -20 log 3. 108 / 2.4.109 = -68 db 4. π. 25 2.3.2.- Distorsión por atenuación Hasta ahora hemos supuesto que la atenuación afecta por igual a todas las señales, sin embargo, la atenuación es función, además de la distancia, de la frecuencia de las señales que se propagan. Las de mayores frecuencias sufren una mayor atenuación. Este fenómeno produce, que las señales que están compuestas con múltiples frecuencias tengan una atenuación distinta para cada componente de frecuencia, lo que origina que la señal recibida tenga una forma diferente de la transmitida, además de una menor amplitud (caso anterior). Como la señal recibida se ha deformado con respecto a la transmitida decimos que se ha distorsionado, ya que no todas las frecuencias tienen la misma amplitud luego de la amplificación. Para compensar esta diferente atenuación a distintas frecuencias, los amplificadores pueden incorporar una etapa denominada ecualizador, es decir lograr que todas las frecuencias tengan un comportamiento igual, lo que se traduce a amplificar más a unas que a otras. 2.3.3.- El retardo de grupo Otro de los problemas de la transmisión es el retardo. Sabemos que todas las señales se propagan a una cierta velocidad, que depende del medio y de la naturaleza de la señal. Por ejemplo: el sonido se propaga en el aire aproximadamente a 340 m/s, en el agua a una velocidad sensiblemente menor, y la luz a 300.000 km/s, etc. El retardo es mayor a medida que nos deplazamos de la frecuencia central. Luego todas las señales van a tardar un cierto tiempo en recorrer la distancia que separa al emisor del receptor. Además, si en el camino la señal atraviesa determinados circuitos electrónicos, ópticos, o de cualquier otra naturaleza, estos pueden añadir un retardo adicional. Por ejemplo: una puerta lógica introduce un retardo del orden de 10 ns entre su entrada y su salida. De igual forma que sucedía con la atenuación, el retardo tampoco es una función constante con la frecuencia y las diferentes componentes de una señal sufren distintos retardos. Esto implica que en un instante dado las componentes frecuenciales que llegan al receptor no son las mismas que unos instantes antes envió el emisor, por lo tanto, la señal recibida tendrá una forma distinta de la emitida, de nuevo hablamos de distorsión. A la distorsión producida por el retardo, se la denomina distorsión por retardo, o retardo de grupo. Este fenómeno carece de trascendencia en las transmisiones de voz, ya que el oído humano no es sensible a las diferencias de retardo. Sin embargo, tiene efectos importantes en la transmisión de datos digitales, especialmente a alta velocidad. 5 2.3.4.- La diafonía También conocida por el término anglosajón cross-talk, es un fenómeno que se observa muy bien en las comunicaciones telefónicas. Consiste en la interferencia de un canal (o cable) próximo con el nuestro, esto produce una señal que es la suma de la señal transmitida y otra señal externa atenuada que aparece de fondo. En una conversación telefónica esto se observa como una segunda conversación que se oye de fondo mezclada con la nuestra. El motivo de este fenómeno es la influencia mutua entre dos canales de transmisión próximos en frecuencia o que comparten el mismo tendido de cables. Hay diafonía inteligible e ininteligible, según se pueda “escuchar” una conversación extraña al menos durante 7 segundos o no. Hay dos tipos de diafonía: paradiafonía, cuando la fuente de la señal perturbada está en el mismo extremo que el destino “perturbado” y telediafonía, cuando está uno en cada extremo. 2.3.5.- El ruido impulsivo Se define como ruido a toda tensión o corriente que no guarda una relación funcional con el tiempo, siempre tiene un efecto perjudicial sobre los canales de transmisión y está siempre presente con diversas manifestaciones. Debido a la imposibilidad de supresión del ruido en el caso de las señales analógicas aparece la limitación del número máximo de amplificadores que pueden ser conectados en una línea de transmisión y con ello se limita la distancia máxima de este tipo de transmisiones. Se habla entonces de un parámetro de calidad que es S/N, es decir relación señal a ruido. El segundo es acumulativo, de tal manera que el número de etapas amplificadoras es limitado. Suele medirse en decibelios, cuya definición es: S/N (db)= 10 log. (potencia de salida/potencia de entrada) Para poder determinar cuantitativamente esta relación en un medio de transmisión se podría manejar el cociente entre el nivel medio de las señales y el ruido. Sin embargo, esta medida tendría un rango de variación muy elevado debido a las grandes diferencias que podemos encontrar entre unos medios y otros, por ello se emplean unidades que no supongan el empleo de grandes magnitudes. Como, la potencia de la señal que se transmite disminuye de forma logarítmica, lo que hace que las pérdidas puedan ser expresadas fácilmente en términos de una unidad logarítmica. Uno de ellos, el ruido impulsivo, consiste en pulsos irregulares de corta duración y relativamente gran amplitud (llamados hits), que son provocados por inducciones magnéticas debido a fuertes conmutaciones electromagnéticas de sistemas eléctricos aledaños y no vinculados al sistema de transmisión. Podemos asociarlo a las interferencias en un receptor de radio o TV cuando se aproxima un ciclomotor, o también al encendido de determinados aparatos en un domicilio, o bien los antiguos teléfonos con selección por disco. Existen infinidad de dispositivos cuyo encendido o apagado genera un impulso de radio frecuencia capaz de influir a canales de comunicación próximos. El ruido impulsivo, siempre es atribuido al hombre y es típicamente aleatorio, es decir, se produce de 6 manera inesperada y no suele ser repetitivo. Este ruido si bien es molesto en un canal de voz, en una transmisión de datos obliga a repetir el mensaje. 2.3.6.- El ruido térmico Está presente en todos los dispositivos electrónicos y medios de transmisión y es debido al movimiento aleatorio de los electrones en los conductores por la agnación térmica. Es proporcional a la temperatura y se encuentra distribuido uniformemente en todo el espectro de frecuencias. Habitualmente el efecto del ruido térmico es despreciable, excepto en aquellos casos en los que se trabaja con señales muy débiles. Se lo conoce también como ruido blanco (debido a que su densidad es constante con todas las frecuencias como la luz blanca), gaussiano (por su distribución) o ruido de Jhonson. El ruido térmico a –273 ºC o sea 0 ºKelvin será nulo. También se lo conoce como “ruido de fondo”. 2.3.7.- Ruido de intermodulación Es debido a las alinealidades de los componentes electrónicos de los circuitos y se produce durante los procesos de amplificación, adaptación y recepción de las señales. Esta distorsión hace que aparezcan en la señal de salida componentes de frecuencias adicionales que no estaban en la entrada y su efecto de degradación sobre el canal es idéntico al ruido térmico, pero de causas bien distintas. 2.3.8.- Capacidad de un canal Un canal ideal, es el que no tiene perturbaciones. Se trata a partir de este momento los sistemas de comunicación digitales. Sin embargo existen unos límites máximos que determinan la velocidad de transmisión máxima de un canal, dependiendo del ancho de banda del canal y el tipo de señal digital empleada. Aquí se habla de canales continuos, es decir que los mensajes son representados como formas de ondas, es decir funciones contínuas en el tiempo. Por canal ideal entenderemos un canal exento de ruidos y de distorsiones. En este medio ideal, le velocidad máxima de transmisión de datos viene limitada por la fórmula: C = 2.W. log2 M (bps) -M es el número de niveles posibles de la señal. El valor de M para una señal digital binaria es dos, pues dos son los valores que toma la señal -W es el ancho de banda expresado en hertz. El interés de esta expresión radica en que fija el límite teórico superior de un sistema de transmisión digital. Por ejemplo en el caso de usar tribits, el log2 de 8 es 3. Si el W es el 7 del canal telefónico (a 4000 Hz), tenemos que C es de 24 Kbs, rigurosamente 18,6 Kbs. Recordar que el límte estaba en 56 Kbs (norma UIT-T V 92). Ya que los canales ideales no existen, sería interesante conocer la capacidad de un canal real, es decir con ruido. La siguiente expresión, conocida como ecuación de Hartley-Shannon, nos proporciona la capacidad máxima de un canal con ruido: C = 2.W. log2 (1 + S/N) (bps) De esta fórmula se desprende que la capacidad de los canales con menor ruido será mayor que la de aquéllos con mayor ruido. Es decir se puede intercambiar S/N por ancho de banda. Ejemplo para un canal telefónico: Para una señal a ruido de 1000 veces, o sea (30 db), tenemos que 1000 +1 es prácticamente 1024, donde el logaritmo en base 2 es de 10. Luego el ancho de banda es de 3100 Hz (desde los 300 hasta los 3400 hertz), tomándose simplificadamente 3KHz, por lo que se dice que la capacidad de un canal telefónica máxima es de 60.000 bits por segundo (60 Kbps). Esta capacidad máxima es inalcanzable, ya que la fórmula de Hartley-Shannon supone unas condiciones que en la práctica no se dan: no tiene en cuenta el ruido impulsivo, ni la atenuación ni la distorsión. Representan el límite teórico máximo alcanzable. Si embargo no nos es ajeno que con técnicas de modulación y codificación es posible transmitir a mayores tasas, por ejemplo los modems de 56 Kbps sobre un canal telefónico de 2 hilos, cuya capacidad es a lo sumo de 30 Kbps. Para un canal discreto, o sea que es aquel que asume varios estados eléctricos directamente, como pulsos digitales C = R. log2 M (b/s) M es el número de niveles posibles de la señal, para un canal binario es 2. R es la tasa de señalización, o sea la inversa de la duración de cada pulso Como se observa en la fórmula se puede doblar la capacidad del canal, doblando la velocidad de señalización o elevando al cuadrado el número de estados. Para el caso de señales binarias C = R por lo que se define el baudio como: R = 1/ (intervalo pulso más corto en seg.) [baudios] 2.3.9.- Tipos de transmisión Los distintos tipos de transmisión de un canal de comunicaciones pueden ser de tres clases diferentes: 8 - Simplex. - Semidúplex. - Dúplex (o dúplex completo). -Método simplex. Es aquel en que una estación siempre actúa como fuente y la otra siempre como colector. Este método permite la transmisión de información en un único sentido. -Método semidúplex o half-duplex Es aquel en que una estación A en un momento de tiempo, actúa como fuente y otra estación corresponsal B actúa como receptora; y en el momento siguiente, la estación B actuará como fuente y la A como receptora. Este método permite la transmisión en las dos direcciones, aunque en momentos diferentes. Por ejemplo, la conversación entre dos radioaficionados que están dialogando, pero donde uno espera que el otro termine de hablar para continuar el diálogo; nunca pueden ambos hablar simultáneamente. -Método dúplex o full-duplex. Es aquel en que dos estaciones A y B, actúan como fuente y destino, transmitiendo y recibiendo información simultáneamente. Este método permite la transmisión en las dos direcciones, en forma simultánea, por lo que se conoce como full-duplex también e implica que las capacidades de canal son idénticas en ambas direcciones. Por ejemplo, la conversación telefónica entre dos personas que no se escuchan y pretenden hablar simultáneamente. 2.3.10.- El ancho de banda Si nos remitimos al análisis de Fourier, en el dominio de la frecuencia, toda señal contnua en el tiempo tiene infinitas componentes, por lo que su ancho de banda para poderla transmitir a través de un canal también lo es. Esto genera una distorsión, pero que deberá ser mínima. Los coeficientes de la serie de Fourier en general convergen rápidamente de modo que el 95 % de la energía entra con n < 5. Por ello siemprer se habla de un ancho de banda efectivo o simplemente ancho de banda (W), ya que el nominal siempre sería ∞. En general a mayor W se obtiene más C de canal o sea más bps para transmitir, pero ello depende de la modulación, de las características del canal, de la relación S/N, entre otros factores. También a mayor velocidad de transmisión, el ancho de banda requeridoserá mayor. Las fórmulas de la serie de Fourier son: ∞ ∞ S(t) = ∑ an. Cos (ω0.t) + ∑ bn. Sen (ω0.t) n=0 n=0 T a0 = 1 ∫ s(t). dt T 0 9 T an = 2 ∫ s(t). Cos (ω0.t). dt n. T 0 T bn = 2 ∫ s(t). Sen (ω0.t). dt n. T 0 Si la señal se trata de una función senoidal, esta sólo tiene 2 componentes en la serie de Fourier, razón por la cual se usan como señales moduladoras y por estas características fijas se las denomina “tono”. Cualqueir otra señal digital tiene infinitas componentes de frecuencias n veces la frecuencia fundamental, lo que se denominan armónicos. Dependiendo de la forma de onda, con un n=5 se obtiene prácticamente la señal original (ancho de banda efectivo), aunque en teoría se necesita n= infinito para tener el ancho de banda real. 3 CODIFICACIÓN Es un medio de utilizar los canales a máxima capacidad posible. Dada una fuente de información y un canal de comunicación, existe una técnica de codificación tal que la información pueda ser transmitida sobre el canal real con una tasa de error menor que la capacidad del canal y con una frecuencia arbitrariamente pequeña de errores a pesar de la presencia de ruido. En esencia la codificación es usada para adaptar la fuente y el canal para máxima transferencia de información confiable. Si el medio de transmisión permite el empleo de señales digitales y los datos a enviar son de este tipo, resulta muy conveniente el empleo de señales digitales. Para obtener la secuencia que compone la señal digital a partir de los datos digitales se efectúa un proceso denominado codificación, que en definitiva es el modo en que se transmiten los bits por el canal. Existen multitud de métodos de codificación, mencionaremos seguidamente los más usuales. En todos ellos se menciona como pulso el bit, o sea la inversa de la velocidad de transmisión, que se corresponde con una tensión positiva para el “uno lógico” y una negativa o positiva pero de menor valor que la anterior para el “cero lógico”. A esto último se denomina lógica positiva, su inversa originaría la lógica negativa y es un sistema de referencia. Una señal es digital consiste en una serie de pulsos de tensión. Para datos digitales no hay más que codificar cada pulso como bit de datos. En una señal unipolar (tensión siempre del mismo signo) habrá que codificar un 0 como una tensión baja y un 1 como una tensión alta (o al revés). En una señal bipolar (positiva y negativa), se codifica un 1 como una tensión positiva y un 0 como negativa (o al revés, según la definición de lógica positiva o lógica negativa). La razón de datos de una señal o tasa de señalización es la velocidad de transmisión expresada en bits por segundo, a la que se transmiten los datos. 10 3.1 CODIFICACIÓN NO RETORNO A CERO NRZ (No Return to Zero): Es el método que empleamos para representar la evolución de una señal digital en un cronograma. Cada nivel lógico “0” y “1” toma un valor distinto de tensión durante todo el tiempo asignado al símbolo. Se suelen utilizar en grabaciones magnéticas. Ventajas: sencillez, fácil de implementar, uso eficaz del ancho de banda. Desventajas: presencia de componente en continua, ausencia de capacidad de sincronización. 3.2 CODIFICACIÓN NO RETORNO A CERO INTEVRTIDO NRZI (No Return to Zero Inverted): La señal no cambia si se transmite un uno lógico, y se invierte si se transmite un cero lógico. A esto se le llama codificación diferencial. Lo que se hace es comparar la polaridad de los elementos de señal adyacentes, y esto hace posible detectar mejor la presencia de ruido y es más difícil perder la polaridad de una señal cuando hay dificultades de transmisión. 3.3 CODIFICACIÓN RETORNO A CERO RZ (Return to Zero), conocido también como binario multinivel: Si el bit es uno, la primera mitad del pulso estará a uno, retornándose al valor de reposo 0. La señal vale cero si el símbolo a representar es el cero lógico. Ventajas: no hay problemas de sincronización con cadenas de 1 (aunque sí con cadenas de 0), no hay componente en continua, ancho de banda menor que en NRZ, la alternancia de pulsos permite la detección de errores y son fáciles de implementar. Desventajas hay aún problemas de sincronización, es menos eficaz que el NRZ, hay mayor tasa de errores que NRZ. 3.4 CODIFICACIÓN MANCHESTER Los valores lógicos no se representan como niveles de la señal, sino como transiciones en mitad de la celda de bit. Un flanco de bajada representa un cero y un flanco de subida un uno. Se utiliza en Ethernet o sea en IEEE 802.3 Consume el doble de ancho de banda que una transmisión asíncrona. 3.5 CODIFICACIÓN MANCHESTER DIFERENCIAL Manteniendo las transiciones realizadas en el método Manchester, en este método introduce la codificación diferencial. Al comienzo del intervalo de bit, la señal se invierte si se transmite un cero, y no cambia si se transmite un uno. Se utiliza en Token Ring o sea IEEE 802.5. A los dos códigos Manchester se los conoce también como bifase y tienen las siguientes características: Ventajas: sincronización, no tiene componente en continua, detección de errores. 11 Desventajas: se necesita mayor ancho de banda ya que hay dos transiciones por bit. Datos de entrada 0 0 1 1 0 1 0 0 NRZ RZ NRZI Manchester Manchester diferencial Figura –2 Sistemas de codificiación 3.6 CARACTERÍSTICAS DE LA CODIFICACIÓN Los distintos sistemas de codificación generarán señales con distintas propiedades. A la hora de escoger entre unos y otros conviene considerar las siguientes características: -Espectro resultante: A cada esquema de codificación le corresponde un espectro diferente en el dominio de la frecuencia. Algunos esquemas no tienen componente continua en su espectro, como el código Manchester, lo que es muy conveniente en el ahorro de potencia de transmisión y reducción del ancho de banda. -Regeneración de reloj: Algunas de las señales resultantes garantizan transiciones de nivel, con independencia del valor de los datos, que pueden servir para extraer el reloj de transmisión y la posición de la celda de bit, muy útil para la sincronización. En otro caso, es necesario transmitir la señal de reloj por separado. -Detección de errores: Algunos códigos permiten detectar condiciones de error. Por ejemplo: una transmisión que se debiera producir y no aparece. Ello se debe a redundancias del código, donde si se reciben valores prohibidos estamos en presencia de un error, a partir de allí se puede arbitrar un sistema de pedido de retransmisión. -Inmunidad al ruido e interferencias: hay códigos más robustos al ruido que otros. -Coste y complejidad: el coste aumenta con el aumento de la razón de elementos de señal. Hay que diferenciar entre la razón de datos (bits por unidad de tiempo o datos de entrada) y la velocidad de modulación (elementos de señal por unidad de tiempo), luego de aplicar la codificación. Cuanto mejor sea el sistema de codificación, mayor velocidad de modulación se podrá obtener. Otros métodos cogen datos de a dos bits, tres, cuatro, formando codificaciones mulitinivel de dibits (dos bits por símbolo resultante), tribits y cuatribits 12 respectivamente, mejorando la capacidad del canal a costa de complicar su transmisión y recepción pero son menos inmunes a la detección de errores. Otros códigos: -B8ZS y HDB3. Este último se usa como código de línea en sistemas PCM. Significa un código de alta densidad binaria (High Density Binary) que no permite más de 3 ceros seguidos, esto es importantísimo para asegurar el sincronismo en la línea, ya que se vale de regeneradores y debe tener información exacta del reloj. El B8ZS se usa como señal de línea en jerarquías DS1 a 1,544 Mbs. Ambos códigos responden bien ante velocidades altas, no tienen componente continua y concentra la potencia en la parte central del pulso, lo que facilita su detección para regenerarlo. 4 MODULACIÓN La modulación es un proceso mediante el cual una señal de información se multiplica por otra señal de mayor frecuencia, hacíendola variar an alguno de sus comonentes: amplitud, fase o frecuencia. A la señal base se la denomina portadora, la de mayor frecuencia, y las variaciones son efectuadas por la señal moduladora (información). ¿Por qué se modula? a) Fundamentalmente para facilitar la propagación de la señal haciéndola compatible con el medio. También: b) Para ordenar el radioespectro c) Para optimizar el ancho de banda d) Para evitar la interferencia etre canales e) Para proteger de la degradación del ruido En los sistemas de transmisión se presentan cuatro tipos de combinaciones: -Datos digitales-Señales digitales (D-D) Este es el caso visto de Codificación, simplemente se cambian las características de la información entrante para optimizar las capacidades del canal de transmisión. No se usa una señal extraña en el proceso, es decir no hay portadora. Se la suele llamar codificación en banda base. Se utilizan hasta velocidades de 48.000 bps con transmisión sincrónica, pero a distancias limitadas, se denominan habitualmente codecs de banda base. (o mal llamados modems de banda base, dado que no hay modulación). El resto sería: -Datos digitales-Señales analógicas (D-A) -Datos analógicos-Señales digitales (A-D) -Datos analógicos-Señales analógicas (A-A) Ejemplos: D-D: Ethernet. D-A: ASK, FSK, PSK. A-D: PCM A-A: AM, FM 13 En el resto de combinaciones posibles, se habla ya de modulación, ya que se aprovecha la estructura de una señal adicional compatible con el medio físico de transmisión, modificando algún parámetro de esta, llamada señal portadora, a través del que se transporta la información deseada o señal moduladora, realizando el proceso inverso en la recepción o demodulación de la señal para obtener la información. Por lo que se define el término modulación como el proceso mediante el cual una señal que contiene información (moduladora o datos de entrada) se combina con otra señal (portadora de naturaleza compatible con el canal) para dar como resultado una nueva señal (modulada) que contiene la misma información que la primera pero que es el resultado de modificar alguno de los parámetros característicos (amplitud, frecuencia o fase) de la segunda. Por lo tanto el proceso de modulación precisa de dos señales, moduladora y portadora, y genera como resultado una tercera señal, denominada señal modulada, que es la que se transmite por le canal. 4.1 MODULACIÓN DIGITAL Se trata del caso Datos digitales-Señales analógicas Cuando las características del medio de transmisión no permiten señales digitales, se hace necesario convertir los datos digitales en una señal analógica susceptible de ser transmitida correctamente, siendo esta de mayor frecuencia que los datos a transmitir. Por ejemplo la transmisión de datos digitales a través de las redes telefónicas. Estas redes fueron diseñadas para transmitir señales analógicas en el rango del espectro vocal (300-3400) Hz., lo que no resulta adecuado para la transmisión de señales digitales. Sin embargo, puede ligarse un dispositivo digital a la red telefónica por medio de un mo- dem, que convierte los datos digitales en señales analógicas y viceversa (de allí su nombre mo: modulador y dem: demodulador). Una señal analógica senoidal, portadora en este caso será del tipo: S(t) = A. Sen (ω.t +φ) Siendo A, la amplitud; ω, la velocidad angular o sea 2πf y φ su fase. Por lo que constituyen los tres parámetros que se pueden modificar con la información o señal moduladora, dando origen a los tres métodos de modulación. Se denomina ciclo a la cantidad de veces que se repite los valores completos de la señal por período de tiempo. Por ejemplo, una señal de 50 ciclos por segundo (o 50 hertz), se verán 50 veces la señal completa en 1 segundo, o se dice que su frecuencia es de 50 Hz y su período será la inversa, o sea 1/50= 20 ms, que es la duración de un ciclo completo. Modulación FSK y GMSK FSK (Frequency Shift Keyed, Modulación por desplazamiento de frecuencia): Se modifica la frecuencia de la portadora según el valor de bit a transmitir, se asocia al valor uno de los datos de entrada una frecuencia f1 y f2 la para los bits con valor cero. La señal así resultante será una sucesión de tramas de las dos frecuencias indicadas, y será una señal analógica. Es el método más utilizado en modems de baja velocidad (300 a 1200 baudios) diseñados para operar con conexiones a través de la red telefónica conmutada sobre dos hilos. 14 Para obtener una mejora en la tasa de error en la detección de la modulación se emplea la técnica FFSK (Fast FSK) donde se utilizan pulsos senoidales en lugar de rectangulares, lo que se traduce en un índice de modulación bajo logrando obtener señales ortogonales. A este sistema se lo llamó MSK (Minimum Shift Keyed). Una modulación FSK muy utilizada es la GMSK (para el sistema móvil GSM), que es modulación de fase continua MSK con filtro gaussiano. La fase continua implica un paso más allá de la diferencial, es decir que si no hay cambio de valor de la señal de entrada, la fase se sigue incrementando, por ejemplo en +π, si hay un cambio se sigue decrementando en –π, para continuar con el mismo ejemplo, también continuamente hasta un cambio de valor de entrada. De esta forma se consigue que no haya discontinuidad en la fase, pero hay un cambio de dirección al que se le aplica un filtro gaussiano par suavizar estas tendencias y así ahorrar ancho de banda. La modulación FSK no es lineal. GMSK es en realidad una modulacíón de fase contínua con filtro gaussiano: Figura –3 GMSK 15 4.1.1.- Modulación ASK ASK (Amplitude Shift Keyed, Modulación por desplazamiento de amplitud): En esta técnica se modifica su amplitud. Los dos valores binarios se representan mediante diferentes niveles de amplitud de esta señal. Pudiendo ser A1 para los valores de entada uno y A2 para el cero. Generalmente una de las amplitudes es cero, o sea el uno binario se representa por la presencia de portadora y el cero por la ausencia de la misma. Es una técnica muy sensible al ruido (que modifica la amplitud, su inmunidad al ruido será entonces por el receptor ante la discriminación de los valores extremos), y sobre líneas de voz suele utilizarse sólo hasta 1200 bps. Sin embargo, resulta adecuada para la transmisión de datos digitales sobre fibra óptica. En este caso, los bits de valor uno se representan mediante pulsos de luz y los bits a cero por la ausencia de luz. 4.1.2.- Modulación PSK PSK (Phase Shift Keyed, Modulación por desplazamiento de fase): La frecuencia y la amplitud se mantiene constantes y se varía la fase de la portadora para representar los niveles uno y cero con distintos ángulos de fase. Con este tipo de modulación el receptor debe mantener una señal portadora de referencia con la que comparar la fase de la señal recibida. Esto implica circuitos de demodulación complejos. Por este motivo, suele emplearse una forma alternativa de modulación en fase, que emplea desplazamientos en la fase relativos a la señal anterior transmitida, dando origen a la modulación de fase diferencial. Tanto la modulación ASK como PSK son lineales. Datos de entrada 0 1 1 0 1 ASK FSK PSK Figura -4 Métodos de modulación digital 16 ASK y PSK tienen un ancho de banda relacionado con el tasa de bit de entrada (bit- rate). Para canales ruidosos PSK tiene un mejor comportamiento que FSK y esta que ASK. Otra cuestión importante es que las modulaciones ASK, PSK y QAM son lineales, y FSK, no lo es. Es decir no se pueden escribir como el producto de un símbolo por un pulso, en el dominio frecuencial, la modulación es directamente una multiplicación de dos señales: portadora y moduladora. 4.1.3.- Modulación PSK diferencial La modulación de fase PSK se denomina también de fase discreta, o sea que se producen saltos bruscos de cambio de fase. Esto se traduce en un aumento de ancho de banda, por lo que la modulación DPSK, solo un nuevo valor si hay cambio de fase, para minimizarlos, pero es igualmente de fase discreta sólo en los cambios. De esta forma el circuito de demodulación se simplifica y solo necesita determinar los desplazamientos en la fase y no el valor absoluto. 4.1.4.- Modulación digital multinaria Se aumenta la densidad de información asociando más de un bit por símbolo, a costa de complicar la recepción t tener menos inmunidad al ruido. La modulación PSK se conoce también como BPSK (Binario PSK), para diferenciarlas de las 4PSK, 8PSK, etc. El 4PSK implica asociar una fase entre 4 posibilidades de acuerdo a los dibits, por ejemplo: 00 0º 01 90º 10 180º 11 270º Si se representa no temporalmente, sino en le domino de las fases, tenemos: Figura-5 Modulaciones multinaria PSK 17 En 16PSK los ángulos de fase serán de 360/16, o sea 22,5º. También hay modulación multinivel combinado amplitud y fase. Esto da nacimiento a la modulación Quadrature Amplitude Modulation, en donde se tiene una amplitud y fase para cada símbolo. En el caso de 16QAM, cada 4 bits (cuatribits) se codifica un valor único de fase y frecuencia, resultando un gráfico del siguiente tipo: Figura-6 Modulaciones multinaria QAM El límite práctico de estas modulaciones es de 256QAM, es decir un símbolo distinto de amplitud y fase para palabras de un byte de información. A mayor cantidad de portadoras distintas, la posibilidad que el receptor se confunda, es también mayor. Se denomina sensibilidad del receptor a la potencia mínima que necesita para detectar sin error la información que recibe. 4.2 MODULACIÓN POR IMPULSOS CODIFICADOS Es el caso de modulación de Datos Analógicos-Señales Digitales. Si bien no es la única modulación, es la más importante (PCM). La señal analógica hay que digitalizarla previo a su proceso de transmisión. Hay que ver los conceptos de muestreo, cuantificación y codificación de la señal. 4.2.1.- Teorema de Nyquist Nyquist demostró mediante su teorema del muestreo, que una señal limitada en banda, puede ser reconstruida si la velocidad con que se toman las muestras de la señal es al menos el doble de la máxima frecuencia de entrada para un canal exento de ruido. Su uso más inmediato fue el que nos ocupa, convertir una señal analógica en digital, transmitirla digitalmente y luego recobrarla a su estado. Dicha señal era la voz humana para aplicaciones telefónicas, es decir con un ancho de banda de 3.100 Hz, se toman en 18 la práctica 0-4 Khz para permitir transportar la señalización fuera de banda que en algunos casos existe en el canal telefónico. Por lo que a la frecuencia de 8 Khz se la conoce como frecuencia de muestreo o Toll Quality (calidad de voz). El muestreo también se emplea con frecuencias más elevadas para dar cabida a sistemas de mayor calidad, pero a tasas más elevadas. Dado un ancho de banda de W, la velocidad mayor de señalización es 2W. 4.2.2.- Muestreo Es el proceso descrito por Nyquist, y constituye el primer paso para la digitalización de la señal. La entrada es una señal continua (analógica), a la que se la limita en banda mediante un filtro. El muestreador es en circuito electrónico que toma muestras a la frecuencia de muestreo (fc), obteniéndose una señal PAM: Modulación de Pulsos en Amplitud. Su posición es constante, o sea se repite en el tiempo en 1/fc seg, de ancho constante y cuya amplitud representa a la señal de entrada analógica. 4.2.3.- Cuantificación El paso de infinitos valores de amplitud posibles a valores discretos, exige una estratificación de las muestras. Se habla de cuantificador lineal, cuando se asigna n valores discretos para el rango dinámico de las amplitudes analógicas. Sin embargo los valores más bajos necesitan mayor granularidad que los altos, dando origen a la cuantificación no lineal. Para la voz humana se han elegido 256 valores distintos (pensando en la posterior codificación de 8 bits por muestra), conocido como Ley A de cuantificación o de 7 segmentos (de uso europeo y que originará el PCM de 30 canales). En cambio EEUU y Japón diseñaron la ley μ (pensando en la codificación posterior a 7 bits, que daría origen al PCM de 24 canales). Figura -7 Ley A 19 En este proceso se asume un error nuevo: el error de cuantificación que es la diferencia entre el valor real de la muestra PAM y el valor asignado por el cuantificador para poder codificarlo. Es la discretización del universo continuo de la entrada. 4.2.4.- Codificación La codificación se ha planteado en 8 bits, habiendo 128 niveles para las señales positivas y 128 para las negativas. Dentro de cada segmento, la codificación es a 4 bits, o sea 16 posibilidades distintas. Es cuantificación no lineal o no uniforme, ya que estadísticamente hay mayor probabilidad de transmitir valores cercanos al 0 que en los extremos buscándose bajar en lo posible el error de cuantificación en las zonas donde es más sensible el oído humano. A continuación se reflejan los 3 procesos concatenados Figura -8 Proceso de digitalización Obsérvese el error de cuantificación de los pulsos PCM respecto de los pulsos PAM. En valores grandes el error de cuantificación es mayor, pero no es apreciable por el oído humano como en los niveles bajos. En todo caso se busca una relación S/N constante. Se verá más adelante que el tiempo entre muestra y muestra puede ser aprovechado para tomar otras muestras de canal, creándose así el multiplexado por división de tiempo. 20 También es importante destacar la tasa de información a transmitir: 8K muestras por segundo a 8 bits de codificación, origina la tasa de 64 Kbps. Asimismo intervalo de cada del pulso PCM debe ser de 1/8.000 o sea 125 μs. Finalmente hay que decir que el código de línea es HDB3, es decir que cada byte de información de canal se codifica en este código antes de ser enviado por el medio de transmisión que es en este caso unidireccional, por lo que se necesita en consecuencia al menos 4 cables. Si las muestras son a 125 μs, significa que 125/32, toca a 3,9 μs por canal. Si cada canal se codifica en 8 bits, cada uno toca a 488 ns. Dicho de otra forma 32 canales (30 voz + 2, señalización y sincronismo) a 64 Kbs implica la tasa de velocidad de 2,048 Mbs, también denominado PRA (Primary Access). Para HiFi, por ejemplo calidad CD de audio es muestreado a la frecuencia de 44 KHz, dado que la frecuencia audible humana es entre 20 y 22.000 Hhz, pero codifica en 16 bits, dado que se necesitan más niveles (65.536). Una variante de la anterior es la modulación Diferencial PCM, codificándose únicamente las diferencias relativas entre dos instantes de muestras consecutivos, su tasa es de la mitad, o sea 32 Kbps, en 4 bits. Su calidad es un poco inferior a su homónima. Otra variante es la modulación Delta, donde la entrada analógica se aproxima por una señal escalera. No es muy efectiva ante cambios repentinos de la señal de entrada o si esta es constante. * Figura -9 Modulación Delta Se observa en la figura 9, la señal de entrada y como la función, delta va a reemplazar a dicha entrada para ser transmitida. La flecha (*) indica el máximo error de cuantificación, donde la función delta nunca toma valores consecutivos iguales. Su ventaja es la facilidad de implementación. 4.3 MODULACIÓN DE AMPLITUD, FASE Y FRECUENCIA Es el caso de Datos Analógicos de entrada, modulado también con Señales Analógicas. Es el caso de la radiodifusión sonora, radioaficionados, etc. Se debe cumplir que la frecuencia de la portadora debe ser bastante superior a la de la señal modulante. Para los ejemplos se toma otra señal senoidal de menor frecuencia, pero en la práctica debe ser una señal que contenga información. El método es similar al ya explicado para ASK, FSK y PSK. 21 Sea una señal portadora S(t) = A. Sen (ω.t +φ) y una señal moduladora analógica genérica X(t), la señal modulada resultante serían: AM: S(t) = (A + X(t)). Sen (ω.t +φ) FM: S(t) = A. Sen ((ω.t +X(t))+φ) PM: S(t) = A. Sen (ω.t + (φ+ X(t))) La señal de AM es más vulnerable al ruido y a las perturbaciones atmosféricas. Aquí el canal es el éter. La modulación de FM tiene mayor calidad que la AM, pero necesita mayor ancho de banda. La modulación de PM no se utiliza, no tiene ventajas sobre las otras dos. Las tres modulaciones vistas son con portadora continua. Ahora, bien como la portadora no transmite información, en los casos de AM y FM puede suprimirse, ahorrándose potencia de transmisión. En el caso particular de la modulación AM, se forman dos bandas laterales con idéntica información, además de la frecuencia central o portadora, de modo que hay sistemas denominados BLU (banda lateral única), donde sólo se emite una banda ya sea la superior (BLS) o la inferior (BLI). 5 MULTIPLEXACIÓN Multiplexar significa realizar una transmisión simultánea de distintas fuentes (señales entrantes) o sea de señales tanto analógicas como digitales por el mismo medio y poder separarlas en destino con el proceso inverso (demultiplexación). Su propósito es conseguir el máximo aprovechamiento de la capacidad del medio de transmisión. Básicamente, consiste en compartir un mismo medio de transmisión entre varias comunicaciones, con lo que se divide el coste asociado a cada comunicación individual. El esquema general del proceso se muestra en la siguiente figura: Multiplexor Demultiplexor A A B B C Medio de Transmisión C D D E E Figura -10 Multiplexación 22 El proceso de multiplexación es reversible y por tanto permite la transmisión simultánea de varias estaciones (A, B, C, D) por el mismo medio de transmisión. Los dos métodos básicos que nos permiten realizar la multiplexación, son la multiplexación por división del tiempo (FDT) y la multiplexación por división de la frecuencia (FDM). Hay otros como la multiplexación por división del código (CDM, utilizado en sistemas de telefonía móvil UMTS) y WDM (Wavelenght Division Multiplex) donde las señales se separan por longitud de onda y se emplea en medios ópticos. En la multiplexación por división de la frecuencia se divide el ancho de banda del canal entre las señales a multiplexar. Cada estación puede transmitir simultáneamente a las demás. En este tipo de multiplexación, el ancho de banda del canal debe exceder a la suma de los anchos de banda de las señales que se transmiten, puesto que es necesario dejar bandas de seguridad entre las frecuencias asignadas a los diversos canales. Las señales transmitidas a través del medio deben ser señales analógicas. Están presentes todos los canales en el mismo tiempo pero en distinta frecuencia. En el segundo método, se asigna a las diferentes estaciones un turno de transmisión rotativo, durante un quantum de tiempo transmite una estación, luego la siguiente, y así sucesivamente hasta el máximo permitido, recomenzando por el inicio. Luego realmente cada estación utiliza el canal alternativamente, no de forma simultánea en le tiempo, pero todos a la misma frecuencia. Aquí las señales a transmitir deben ser digitales, o estar digitalizadas en todo caso. 5.1 POR DIVISIÓN DE TIEMPO En sistemas PCM y de pulsos, la multiplexación de varias señales se logra muestreando las señales individuales en diferentes tiempos y tomando una ranura de tiempo definida para la transmisión de cada muestra en el canal común. Si cada muestra de canal debe ser enviado cada 125 μs, podemos muestrear otros canales. De hecho la primera jerarquía de múltiplex lo conforman 32 canales, a 64 Kbps cada uno (8000 muestras a 8 bits cada uno), siendo su tasa de transferencia de 2,048 Mbs. Al canal de 64 Kbps se denomina de jerarquía E0 La duración de cada intervalo de tiempo es de 125 μs/32, o sea 3,9 μs, utilizándose un cuantificador de 256 niveles no uniforme, que codifica cada muestra de cada canal en 8 bits, por lo que cada pulso binario será de 3.9 μs/8 bits, o sea 0,488 μs. (1/0,488 μs es 2,048 Mbs, la tasa de transferencia del múltiplex TDM). A esta jerarquía se la denomina E1 (compuesta de 32 E0). En este sistema de multiplex debe haber una sincronización entre el Tx y Rx, para recibir el mensaje en el tiempo asignado. Este sincronismo se envía por el medio con tasas de bit específicos, no sólo para el receptor sino para toda la línea de regeneradores intermedios. Su modelo es el de una llave electrónica que conmuta puertos cada 3,9 μs. El medio típico de este sistema de transmisión ha sido el cobre, donde por 4 cables es posible cursar 30 comunicaciones simultáneas (los otros 2 canales son de sincronismo y señalización). Debido a que la señal de 2 Mbs se atenúa, se utilizan regeneradores cada 2-5 Km que deben ser telealimentados, dependiendo de las características del cable. También se usa sobre fibra óptica (para mayor concentración de canales) y radio. 23 Las ventajas, entonces de la transmisión digital, una vez entendido su proceso, se puede resumir en: -Inmunidad al ruido. Sólo estará presente el ruido de cuantificación, la señal digital se regenera, y el ruido no se amplifica. -La señal digital es más fácil de procesar y comprimir. -Hay mecanismos extras de detección y/o corrección de errores. -En telefonía, aumento de la capacidad de transmisión, por cada 2 pares 30 canales simultáneos, en lugar de 2. (Hay sistemas que emplean un tercer par para telealimentación y supervisión de la red). Las desventajas: -El ancho de banda necesario para la transmisión es mayor que en los sistemas analógicos equivalentes. -Se requiere una sincronización entre el Tx y el Rx. Si la complejidad de los sistemas crece y se interconectan debe haber un reloj maestro de gran estabilidad en la red. -La telealimentación de los regeneradores impone una restricción en la distancia a cubrir por el medio. Respecto de los sistemas TDM hay dos variantes, el síncrono y el estadístico (o asincrónico o inteligente). El síncrono es el descrito, si los canales no tienen nada que transmitir, el tiempo asignado al canal continúa y se transmite silencio, lo que para ciertas aplicaciones es ineficiente. La ley μ origina un multiplex distinto, normalizado por ANSI: su codificación es a 7 bits, por lo que la tasa de bits de un canal será de 8000 muestras a 7 bits= 56 Kbps. A este canal básico se denomina DS0, pero se lo rellena con bits para obtener 64 Kbps. Se multiplexan 24 canales, dando origen a la jerarquía DS1 de 1,544 Mbs. La cuantificación de ley A-Ley μ hace que se deba convertir la información digital antes de ser decodificado por el receptor de la ley contraria. Por ejemplo una llamada telefónica originada en Europa con destino EEUU, en la recepción debe convertirse de ley A a ley μ, antes de decodificar y el otro sentido debe transformarse en Europa de ley μ a ley A. El sistema estadístico se usa más en datos (aunque también en medios muy costosos como las comunicaciones vía satélite), donde el tiempo que se asigna a cada canal tiene que ver con la información almacenada en memorias intermedias o su velocidad de llenado, la prioridad de cada canal, o tasa de transferencia convenida a cada canal, aprovechándose más el medio común. El propósito de estos dispositivos es aprovechar los tiempos muertos en las transmisiones de algunas estaciones para mejorar las prestaciones de la multiplexación al realizar el máximo aprovechamiento de la 24 capacidad del medio utilizado. Para conseguirlo, estos dispositivos no asignan el turno de transmisión de una manera secuencial, sino que elaboran la información estadística obtenida del uso de cada entrada y asignan el turno mediante un algoritmo que intenta maximizar la utilización del canal. En estos casos se complica el sincronismo entre el Tx y el Rx que siempre debe existir. 5.2 POR DIVISIÓN DE FRECUENCIA El sistema se basa en modular a cada fuente con una portadora distinta, de modo que se la traspone en banda. Este sistema implica filtrar convenientemente la señal de entrada y dejar un guardabanda (o gaps) entre un canal y otro para evitar solapamientos, ya que la calidad de los filtros no es ideal. Los primeros sistemas para señal vocal eran de 12 o 24 canales, con modulación AM-BLU. La señalización asociada al canal (libre/ocupado, envío de pulsos de tarificación, etc.) va fuera de la banda vocal (300-3.400 Hz). El ancho de banda resultante en el multiplex FDM es superior a que la suma de canales que transporta. Este sistema multiplex se utilizaba con cables coaxiales y radio analógica. También hay amplificación intermedia a medida que la señal se va atenuando. Ventajas: Menor ancho de banda resultante equivalente. Desventajas: diafonía, aumento del ruido con la cadena de amplificadores, ruido de intermodulación. Otros ejemplos: la propia transmisión de TV implica una multiplexación de 3 señales: color, blanco y negro y sonido, o en un sistema CATV los canales de TV se van disponiendo cada 6 Mhz, más los guardabandas de seguridad. 5.3 POR DIVISIÓN DE CÓDIGO 5.3.1.- Técnicas de Espectro Ensanchado La técnica de espectro ensanchado (spread-spectrum) consiste en la transformación reversible de una señal de forma que su energía se disperse entre una banda de frecuencias mayor que la que ocupaba en un principio, pero la potencia utilizada es la misma. Este tipo de transformación se aplica en sistemas de comunicaciones que requieren determinadas características: telefonía móvil, radio modems, etc. pues necesitan una alta inmunidad al ruido que se consigue paradójicamente mezclándose con él. En esta técnica el ancho de banda utilizado en la transmisión es mucho mayor que el necesario para una transmisión convencional. El ensanchamiento de la banda se realiza a partir de una señal pseudoaleatoria, es decir, con una apariencia de ruido. La señal transmitida tendrá, por lo tanto, estas características, y sólo podrá ser demodulada si se es capaz de generar la misma señal pseudoaleatoria utilizada por el transmisor. Las características que proporciona el ensanchamiento del espectro de la señal transmitida son las siguientes: 25 -La transmisión es mucho más resistente frente a interferencias de banda estrecha. -La señal es difícilmente detectable, ya que su nivel de potencia queda muy reducido por su dispersión espectral. Sólo tras la transformación de desensanchado, ésta recupera la relación señal a ruido suficiente para su demodulación. -Si hay una perturbación en una frecuencia dada, esta afecta ahora mucho menos que si no se emplea esta técnica. -La transmisión es ininteligible para quien no conozca la señal pseudoaleatoria utilizada para el ensanchado del espectro. La transmisión es resistente a las interferencias por multicamino, porque aunque se trate de una interferencia de la señal sobre sí misma, tiene consecuencias parecidas a cualquier otra interferencia de banda estrecha. Debe tenerse en cuenta que, al aplicar el desensanchado en el receptor, el retardo que ha sufrido la señal multicamino reduce la eficiencia de la interferencia. Es posible la transmisión simultánea de varios usuarios sobre el mismo medio, ya que si se emplean secuencias pseudoaleatorias diferentes y que cumplan ciertas condiciones (códigos ortogonales), la transmisión es resistente a las interferencias de unos canales sobre otros. Esto da lugar a la técnica de acceso múltiple por división de código (CDMA). En las siguientes figuras se resumen de forma esquemática algunos de los puntos anteriormente comentados que hacen a la técnica de espectro ensanchado muy apropiada para sistemas de comunicaciones inalámbricos. 26 Figura -11 Propiedades de la técnica de ensanchado de espectro. Existen principalmente dos técnicas para realizar el espectro ensanchado: por secuencia directa o por saltos de frecuencia -Espectro ensanchado por secuencia directa (direct sequence, DSSS). La secuencia pseudoaleatoria se utiliza para generar una señal discreta formada por pulsos que a su vez modula directamente la señal paso-banda. El esquema es como el que aparece en la figura 12(a), con la particularidad de que el bloque ensanchador realiza una modulación del mismo tipo que la realizada por el bloque modulador previo, esta vez con la señal pseudoaleatoria. Para realizar el desensanchado de la señal previo a la demodulación en el receptor, es necesario disponer de una réplica exacta de la secuencia pseudoaleatoria y perfectamente sincronizada con la de la señal recibida. El proceso de sincronización consta de dos fases conocidas como adquisición y seguimiento. En la fase de adquisición, la señal pseudoaleatoria generada en el receptor se desplaza en el tiempo hasta que se sincronice aproximadamente con la ensanchadora de la señal recibida. Esto se realiza calculando la correlación de la señal generada con la señal recibida. Una vez realizada la adquisición, se lleva a cabo la operación de seguimiento, la cual consiste en ajustar de forma continua la secuencia generada. El seguimiento tiene como finalidad alcanzar una sincronización más exacta, así como corregir en todo momento las derivas en los relojes de transmisión y recepción o las derivas en frecuencia por efecto Doppler debidas al movimiento relativo entre el transmisor y el receptor. (Hay un cambio de frecuencia a medida que el observador se acerca o aleja de las ondas, por ejemplo si escuchamos la sirena de una ambulancia que pasa a nuestro lado, además de la intensidad hay un cambio de frecuencia que se escucha distinta). Espectro ensanchado por saltos de frecuencia (frequency hopping, FHSS). En cuanto a la técnica de saltos de frecuencia, ésta consiste en realizar cambios periódicos del conjunto de frecuencias asociado a la transmisión. Estos cambios se realizan de acuerdo con una secuencia pseudoaleatoria generada de la misma forma que en los sistemas de secuencia directa. En la figura 12(b) aparece el esquema de generación de una señal de espectro ensanchado por saltos de frecuencia. La señal ensanchadora, en este caso, es la salida de un sintetizador de frecuencias, y consiste en un tono que cambia de frecuencia con cada período de pulso de la señal pseudoaleatoria. Si el período de pulso de la señal pseudoaleatoria es mayor que el período de pulso de la señal moduladora, entonces se habla de saltos lentos (SFH, slow frequency hopping). 27 En caso contrario, se denominan saltos rápidos (FFH, fast frequency hopping). El conjunto de frecuencias generado por el sintetizador da lugar al correspondiente conjunto de canales de frecuencia, es decir, bandas del espectro donde se va a localizar la señal transmitida en un momento dado. Al igual que en el caso de secuencia directa, en el receptor también se realizan procedimientos de adquisición y seguimiento similares antes de poder realizarse la demodulación. Figura -12 Diagrama de bloques de un transmisor de espectro ensanchado. Estas técnicas son usadas en:  Comunicaciones con Accesos Múltiples por División de Códigos (CDMA)  Sistemas Global Positioning System – GPS  Radio Modems  Sistemas fijos de conexión vía radio  Microondas  Bluetooth y Wi-Fi.  Comunicaciones móviles GSM 5.3.2.- Multiplex por división de código Una única frecuencia contiene la información de varios canales, cada uno modulado con un código ortogonal individualizado. La señal, de apariencia de ruido, se la recupera aplicando en el receptor la misma señal con la que fue creada y convolucinándola (multiplicación de señales en el dominio de la frecuencia) con la señal recibida. Del proceso sólo se recupera la señal original. 28 Otras frecuencias Frecuencia Cod 1 Cod 2 Cod 3 CDMA espectro (5MHz) Espectro del Operador Código Ruido Señal Códigos ortogonales Señal extendida+ otras X=( X1,X2……Xn) Código Señal recuperada Y =(Y1,Y2……Yn) -1, -1, 1, 1….. Portadora Figura -13 Técnica CDMA A cada uno de los códigos ortogonales se les denomina Chip. Hay un intercambio ancho de banda-energía, de modo que si el canal original tenía un gran ancho de banda, la señal decodificada final tendrá menos energía. Este sistema de multiplexación implica recibir todo el ancho de banda, es decir todos los canales y de ellos extraer los necesarios, lo que se traduce en un gasto superior de energía en la demodulación frente a los convencionales. 5.4 OFDM En OFDM (Ortogonal Frequency Division Multiplex) es un caso particular del MCM (Multi Carrier Modulation), en que el ancho de banda asignado se divide en canales equidistantes y la señal a enviar se divide en tramas, cada una de ellas es modulada por la frecuencia de subportadora de cada canal, busca optimizar el canal de comunicaciones, permite reforzar los canales más débiles (ruidosos o atenuados). Es utilizado IEEE 802.11, xDSL, Televisión Digital Terrestre (TDT) y PLC. La modulación de la portadora por la información a transmitir se realiza con 16QAM, 64QAM o BPSK. Precisamente la ortogonalidad de las portadoras empleadas implica que en el proceso de demodulación éstas no interfieren con sus aledañas y además eliminan la interferencia por multitrayecto, que es una misma señal que se decepciona pero defasada 180º por el medio, de tal manera que anularía a la original, ya que se sumarían en el receptor. Muchos autores la consideran una técnica más del Espectro Ensanchado. En algunos aspectos, el OFDM es similar a la múltiplexación por división de frecuencia tradicional (FDM), con la diferencia básica siendo la forma en que las señales se modulan. Su ventaja es una buena eficiencia espectral, ausencia de interferencias de canales contiguos, inmunidad al ruido y muy bajas pérdidas por multicamino. Para IEEE 802.11.a se especifican 48 portadoras para datos y 4 para sincronismo, separadas a 48 μs y 0,8 μs respectivamente. Esta técnica se conoce en xDSL como DMT. 29 Figura -14 Modulación OFDM 6 JERARQUÍAS DIGITALES La multiplexación sucesiva origina las jerarquías digitales de mayor orden y que agrupa mayores capacidades de transmisión. Estaba especializado en multiplexar canales telefónicos y así realizar un transporte de mayor capacidad ya sea por fibra óptica o radioenlaces digitales. Cualquier señal digitalizada puede ser transportada por esta infraestructura. 6.1 JERARQUÍA DIGITAL NO SINCRÓNICA Se denomina PDH, (Pleisiochronous Digital Hierarchy) y se construyen a partir del PCM de 30 canales (ITU-T) También a partir de 24 canales (ANSI) se construye la jerarquía digital llamada NADH (North American Digital Hierarchy) Existe una tercera variante a partir también del PCM de 24 canales que realizó Japón. (JDH, Japan Digital Hierarchy). Se diferencia del anterior en la agrupación de las multiplexaciones superiores. Se denominan de esta forma debido a que en su formación se deben tomar guardabandas, de hecho las señales de referencia no coinciden al multiplexar más canales, ya que trabajan con relojes independientes. El término pleisíncrono significa “casi, pero ni exactamente sincrónico”. El E1, formado por 32 E0 es el único sincrónico, su frecuencia de 2,048 Mbs es exactamente 32 canales a 64 Kbps. Así tenemos la jerarquía PDH: 30 NIVEL DE TASA DE BITS CANALES TOTALES MULTIPLEXACIÓN JERARQUÍA E0 64 Kbps 1 1 E1 2,048 Mbs 30 +2 32 E0 E2 8,448 Mbps 120 +8 128 E0 = 4 E1 E3 34,368 Mbs 480 +32 512 E0 = 16E1 = 4E2 E4 139,264 Mbs 1920 + 128 2048 E0 = 64E1 = 16E2 = 4E3 E5 564,922 Mbs 7680 + 512 8192 = 256E1 = 64E2 =16E3= 4E4 Figura –15 Jerarquía digital PDH Los canales ofrecidos a los usuarios son 30, 120, 480 y 1920 respectivamente. El resto son canales de servicio, de control, señalización y sincronismo. La jerarquía digital NADH será: NIVEL DE TASA DE BITS CANALES MULTIPLEXACIÓN JERARQUÍA TOTALES DS0 64 Kbps 1 1 DS1 1,554 Mbs 24 24 DS0 DS2 6,312 Mbps 96 96 DS0 = 4 DS1 DS3 44,736 Mbs 672 672 DS0 = 28 DS1 = 7 DS2 DS4 274,176 Mbs 4032 4032 DS0 = 168 DS1 = 42 DS2 = 6 DS3 Figura –16 Jerarquía digital NADH La jerarquía digital JDH será: NIVEL DE TASA DE BITS CANALES MULTIPLEXACIÓN JERARQUÍA TOTALES J0 64 Kbps 1 1 J1 1,554 Mbs 24 24 J0 J2 6,312 Mbps 96 96 J0 = 4 J1 J3 32,064 Mbs 480 480 J0 = 20 J1 = 5 J2 J4 97,728 Mbs 1440 1440 J0 = 60 J1 = 15 J2 = 3 J3 J5 397,200 Mbs 5760 5760 J0 = 240 J1 = 60 J2 = 12 J3= 4 J4 Figura –17 Jerarquía digital JDH 31 6.2 JERARQUÍA DIGITAL SÍNCRONA El auge de la necesidad de comunicación de datos, necesitaba un formato más flexible para aprovechar mejor las capacidades del canal, surge entonces una nueva forma de jerarquía digital, el SDH (Synchronous Digital Hierarchy), Jerarquía Digital Síncrona (JDS Recomendación UIT-T G703). Aquí todas las señales trabajan con el mismo reloj común (síncrono), pero su avance es la convergencia de los sistemas de transmisión de distinta procedencia. El estándar SDH ha sido especificado por la UIT-T, sin embargo ANSI ha creado un estándar similar, denominado SONET (Synchronous Optical NETwork), pero las frecuencias son compatibles. Estos sistemas pueden compatibilizar transporte para transmisiones de distintas velocidades y estructuras mediante el uso de contenedores virtuales. Además para extraer una parte de la señal es más flexible que los sistemas no síncronos, ya que tenían que decodificar a partir del nivel accedidos. Por ejemplo para extraer 2 Mbs de una señal de 140 Mbs, hay que decodificar esta (E4), uno de los 4 niveles E3 afectado y uno de los 4 E2 que contiene la señal de nivel E1 a la que se desea acceder. SDH SONET VELOCIDAD (MBS) - STS-1 51,84 STM-1 STS-3 155,52 STM-3 STS-9 466,56 STM-4 STS-12 622,08 STM-6 STS-18 933,12 STM-8 STS-24 1244,16 STM-12 STS-36 1866,24 STM-16 STS-48 2488,32 STM-48 STS-192 9953,28 Figura –18 Jerarquía digital PDH y SONET STM significa Synchronous Transport Module STS significa Synchronous Transport Signal Veamos como se forma la jerarquía digital en SDH. Sus velocidades fueron realizadas como las interfaces al sistema de conmutación de banda ancha ATM, es decir velocidades de 155 Mbs y 622 Mbs Las velocidades parten de la definición de un VC-4 (contenedor virtual tipo 4), definido como una estructura de 270 columnas por 9 filas, que resulta que la trama esté compuesta por 270x9=2430 bytes/trama (siendo 261x9 es la carga útil y 9x9 control). Si 32 cada byte tiene 8 bits y la información se muestrea a 8.000 muestras por segundo, nos da 155,52 Mbs, conocido como trama STM-1. Este contenedor puede ser rellanado flexiblemente por: 1 E4, o 3 E3, o 3 DS3, o 21 DS2, o 63 E1, o 81 DS1. Las tramas de SONET comienzan en 1/3 de la STM-1 Tanto STM-n como STS-n, son exactamente múltiplos de las tasas básicas. Figura –19 trama síncrona STM-1 Figura –20 Concatenación de STM-1 33 Figura –21 Función de los punteros Se utilizan en configuración de doble anillo bidireccional sobre medios independientes (en general fibra óptica), de modo que su fiabilidad es muy elevada, además cuentan con un poderoso sistema de gestión que minimiza las intervenciones manuales de reconfiguración en caso de fallo que lo hace extremadamente flexible y seguro frente a los PDH. 7 INTERFACES Y PROTOCOLOS 7.1 INTERFACES Se denomina interfaz a cualquier dispositivo que produce una adaptación entre dos medios plenamente diferenciados, en este caso para ser posible la comunicación en ambos sentidos. Su normalización permite la interconexión de los dispositivos de usuario a través de conectores específicos definidos por una norma. Se hablará en este capítulo de interfaces de capa física. Por ejemplo los ordenadores y terminales no están capacitados para transmitir y recibir datos de una red y para ello están los dispositivos de acceso al medio, por ejemplo los modems A los terminales y computadores se les llama DTE y a los circuitos (modem) de conexión con la red se les llama DCE. Los DCE se encargan de transmitir y recibir bits, establecer la sesión, la recuperación de errores y la señalización con la red. DTE y DCE están comunicados y se pasan tanto datos de información como de control. Para que se puedan comunicar dos DTE en los extremos hace falta que ambos cooperen y se entiendan con sus respectivos DCE. También es necesario que los dos DCE se entiendan y usen los mismos protocolos. La interfaz entre el DCE y el DTE debe de tener una concordancia de especificaciones: -De procedimiento: debe de haber concordancia entre los eventos generados por uno y otro circuito, es decir en qué orden se intercambian las señales por la interfaz. -Mecánicas: tamaño del conector, número de pines, distancia entre ellos, forma, su numeración, etc. -Eléctricas: ambos deben de trabajar con los mismos niveles de tensión tipo de codificación, distancia máxima, etc. -Funcionales: qué señales maneja cada pin del conector. 34 Medio de transmisión ETD DTE ETCD DCE ETCD DCE ETD DTE Interfase Figura –22 Sistema de transmisión El DCE, es también es conocido como ETCD en español (Equipo Terminal de Circuito de Datos). Por lo que el circuito de datos va de DCE a DCE, en cambio el llamado enlace de datos comprende ambos DTE. En los casos en que no se precisa de DCE, la conexión se denomina modem nulo y el cable es diferente (cruzado respecto del normal). 7.1.1.- Transmisión sincrónica y asincrónica Cuando dos equipos intercambian datos, es fundamental que exista además una temporización entre fuente y destino. O sea que tanto el transmisor como el receptor sepan interpretar cuando empieza y cuando acaba un bit y de su duración. Hay dos formas de establecer este acuerdo previo. En la transmisión asíncrona, la transmisión se hace carácter a carácter. Un carácter es un grupo de bits, normalmente de 5 a 8. El carácter se correspondía con la codificación ASCII (7 bits, aunque hay ASCII extendido de 8 bits) o EBCDIC (8 bits) en sus inicios. Cuando no hay nada que transmitir se envía una señal de reposo que se corresponde con el uno binario. Cuando hay algo que transmitir se comienza con un bit de comienzo (un 0), a continuación el carácter codificado con NRZ y opcionalmente un bit de paridad. Este sirve para detectar errores, la paridad puede ser par, se añade un bit para que la cantidad de unos finales sea par o paridad impar lo homónimo. El tren de bits termina con un bit de parada de duración de 1 o 1,5 o 2 bits de duración. Si hay otro carácter a transmitir se comienza nuevamente con el bit de comienzo nuevamente. Ventajas: la transmisión es sencilla, es muy tolerante con la desincronización, se tolera un 20% de desajuste. Se sincroniza carácter a carácter y el reloj de recepción a partir de ese instante es autónomo. Desventajas: poco eficiente, por cada 7 bits de información se transmiten 4 más (arranque, paridad y parada). No es indicada para velocidades altas. La transmisión síncrona tiene lugar cuando el receptor recupera la información temporal del transmisor. Hay multitudes de códigos pensando en recobrar sincronismo aún cuando no hay señal a transmitir o no hay transisiones de la señal de entrada, por ejemplo Manchester. Ventaja: transmisión eficiente, permite velocidades mayores. 35 Desventaja: la información hay que agruparlas en tramas, para saber cuando terminan unos datos y empiezan los siguientes. Estas tramas son variables pero tienen una longitud máxima, dependiendo del sistema. Es el caso de protocolos de enlace HDLC, que abre y cierra con información de preámbulo (típicamente ‘01111110’). Es una interfaz serie utilizada para conectar DTE con módems a través de líneas analógicas de telefonía. Permite tanto transmisión síncrona como asíncrona. V24 especifica las características funcionales de la interfaz de la señal de datos, control y temporización. V28 describe las características eléctricas. Y las características mecánicas del conector de 25 pines es el ISO-2110, conocido como DB25. Todo ello es equivalente a la norma americana EIA-RS-232. Su longitud máxima es de 15 metros, trabaja con tensiones de +15V y –15V (siendo su máxima tensión de ±25V e inmunidad al ruido de ±3V) y permite full-duplex. La señal está codificada en NRZ. Su velocidad máxima está condicionada a 20 Kbps. RS-232 no define paridad ni longitud de los datos (normalmente de 7 u 8 bits). Existe otro conector compatible de 9 pines llamado DB9 para funcionalidades no completas de la interfaz. Otras Interfaces: EIA/TIA-RS-694 similar al RS-232, pero hasta 512 Kbps. EIA/TIA-RS-449. Soporta 2 Mbps hasta 60m, con conector ISO-4902 de 37 o 9 pines. 7.1.2.- Interfaz V.24 y V.28 (UIT-T) o EIA/TIA-RS-232 7.2 PROTOCOLOS Un protocolo es un conjunto de reglas formales que permiten a dos entidades establecer una comunicación. Su estudio exhaustivo se verá a partir del Modelo OSI de referencia. 7.2.1.- Protocolos orientados al carácter Son para transmisiones asíncronas. El código básico utilizado es el ASCII de 7 bits o el EBCDIC de 8. Sin embargo dentro de esta codificación hay una serie de caracteres de control (no imprimibles, del 0 al 31). Los 3 caracteres que se usan para indicar el comienzo de una trama son: DLE: Data Link Escape STX: Start of Text ETX: End of Text Por o que para el inicio de trama se envían DLE+STX y para el fin de trama DLE+ETX. Se podría dar el caso que el carácter DLE formase parte de la trama de datos, para evitar esta imitación del código, cada vez que se envía DLE, este se duplica. Se suele enviar también el número de caracteres que forman la trama para mayor redundancia. Este protocolo es muy dependiente del código de caracteres que se emplee. 36 También se emplean códigos no válidos para marcar comienzo y fin de trama, que se conoce como violación de código, lo que permite no emplear el relleno de DLE. 7.2.2.- Protocolos orientados al bit Están pensados para transmisiones síncronas. Donde se encuentre el código patrón de Preámbulo ‘01111110’, allí comienza o termina una trama de datos. Para evitar la repetición de este código dentro de la trama de datos, el transmisor hace un relleno (bit stuffing), cada vez que se tenga un cero seguidos de 5 unos, se inserta un cero. El receptor reconstituye esta información. Hay diversos protocolos que se basan en estos mecanismos: HDLC, SDLC, LAPB, PPP, etc. Para enviar emplear el relleno, se usan códigos no válidos. Por ejemplo Token Ring y FDDI utilizan códigos 4B5B, es decir cada 4bits se le asigna una combinación de 5, habiendo 16 combinaciones de 5 bits no válidas para datos y detectar violaciones de código. Este aumento de la redundancia permite detectar errores 7.2.3.- Protocolos de Control del flujo Es una técnica para que el emisor no sobrecargue al receptor al enviarle más datos de los que pueda procesar. El receptor tiene un buffer de una cierta capacidad para ir guardando los datos recibidos y tras procesarlos, enviarlos a capas superiores. Vamos a suponer que todas las tramas recibidas llegan con un poco de retardo pero sin errores y sin adelantarse unas a otras. -Control de flujo mediante parada y espera Consiste en que el emisor envía una trama y al ser recibida por el receptor, éste confirma al emisor (enviándole un mensaje de confirmación) la recepción de la trama. Este mensaje recibido por el emisor es el que le indica que puede enviar otra trama al receptor. De esta forma, cuando el receptor esté colapsado (el buffer a punto de llenarse), no tiene más que dejar de confirmar una trama y entonces el emisor esperará hasta que el receptor decida enviarle el mensaje de confirmación, una vez que tenga espacio en el buffer. Tiene el problema que se infrautiliza la línea al estar parada mientras los mensajes del receptor llegan al emisor. -Control del flujo mediante ventana deslizante El problema de que sólo hay una trama cada vez en tránsito por la red se soluciona con este sistema de ventanas deslizantes. En este sistema, el receptor y el emisor se ponen de acuerdo en el número de tramas que puede guardar el receptor sin procesar (depende del tamaño del buffer). El emisor transmite tramas por orden (cada trama va numerada módulo 2número de bits) hasta un máximo de el número máximo de tramas que quepan en el buffer del receptor (por ejemplo, 7). El receptor irá procesando las tramas que le lleguen y confirmando que admite tramas a partir de una dada (hasta un máximo de 7 en el ejemplo). Por ejemplo, si ha procesado hasta la trama 5, confirmará el número 6 (es decir, que puede procesar las tramas 6, 7, 0, 1, 2, 3 y 4). Al recibir el emisor la 37 confirmación de la trama 6, emitirá todas las que no haya transmitido desde la 6 hasta la 4 (6, 7, 0, 1, 2, 3 y 4. Por ejemplo, ya se había enviado la 6, 7, 0 y 1, sabe que puede enviar la 2, 3 y 4. Existe la posibilidad de indicarle al emisor la confirmación de tramas recibidas y prohibirle el envío de más tramas (con el mensaje de Receptor No Preparado). Cuando las dos estaciones son emisoras y receptoras, se deben utilizar dos ventanas por estación, una para el envío y otra para la recepción. Se puede utilizar la misma trama para enviar datos y confirmaciones, mejorando así la utilización del canal. Este sistema de transmisión es mucho más eficiente que el de parada y espera, ya que pueden haber más de una trama a la vez en las líneas de transmisión (en el de parada y espera sólo puede haber una trama a la vez). 8 MEDIOS DE TRANSMISIÓN El medio de transmisión constituye el soporte físico a través del cual emisor y receptor pueden comunicarse en un sistema de transmisión de datos. Se distinguen dos tipos de medios: guiados y no guiados. En ambos casos la transmisión se realiza por medio de ondas electromagnéticas. Los medios guiados conducen (guían) las ondas a través de un camino físico, ejemplos de estos medios son el cable coaxial, la fibra óptica y el par trenzado. Los medios no guiados proporcionan un soporte para que las ondas se transmitan, pero no las dirigen; como ejemplo de ellos tenemos el aire y el vacío. La naturaleza del medio junto con la de la señal que se transmite a través de él constituye una serie de factores determinantes de las características y la calidad de la transmisión. En el caso de medios guiados es el propio medio el que determina el que determina principalmente las limitaciones de la transmisión: velocidad de transmisión de los datos, ancho de banda que puede soportar, si es punto a punto o multipunto y espaciado entre repetidores. Sin embargo, al utilizar medios no guiados resulta más determinante en la transmisión el espectro de frecuencia de la señal producida por la antena que el propio medio de transmisión. 8.1 MEDIOS GUIADOS 8.1.1.- Líneas de hilo desnudo Es el medio más simple de transmisión, pero ha caído ya en desuso. La información se transmite por medio de cables conductores sin recubrimiento aislante que deben por tanto, ir separados. La señal, que es típicamente un voltaje o nivel relativo de corriente respecto a una referencia, se aplica a uno de los hilos mientras que el otro se conecta a tierra. No constituye un buen medio porque tiene una elevada atenuación y además es muy sensible a los ruidos eléctricos (diafonía) causados por el acoplamiento capacitivo entre dos hilos. Además su tendido constituye una antena gigante capaz de decepcionar radio. Su uso siempre fue en zonas rurales y para aplicaciones de telefonía. 38 8.1.2.- Pares trenzados Este consiste en dos alambres de cobre aislados, en general de 1mm de espesor. Los alambres se entrelazan en forma helicoidal. La forma trenzada del cable se utiliza para reducir la interferencia electromagnética con respecto a los pares cercanos que se encuentran a su alrededor, es decir la diafonía, el paso del trenzado es variable. (Dos cables paralelos constituyen una antena simple, o un capacitor, en tanto que un par trenzado no.) El número de pares por cable son 4, 25, 50, 100, 200 y 300. Cuando el número de pares es superior a 4 se habla de cables multipar. La aplicación más común del par trenzado es el sistema telefónico, casi todos los teléfonos están conectados a la oficina de la compañía telefónica a través de un par trenzado. La distancia que se puede recorrer con estos cables es de varios kilómetros, sin necesidad de amplificar las señales, pero si es necesario incluir repetidores en distancias de más de 10 Km. (dependiendo del calibre del cable). Los pares trenzados se pueden utilizar tanto para transmisión analógica como digital, y su ancho de banda depende del calibre del alambre y de la distancia que recorre; en muchos casos pueden obtenerse transmisiones de varios megabits por segundo, en distancias de pocos kilómetros y constituye la principal forma de cablear las redes de áreas locales. El principal factor limitador de las líneas de par trenzado es causado por un fenómeno conocido como efecto pedicular de la corriente. Al aumentar la velocidad de transmisión y por tanto la frecuencia de la señal transmitida, la corriente tiende a fluir únicamente por la superficie del cable. Esto tiene el efecto de aumentar la resistencia de los hilos para las señales de alta frecuencia, lo que provoca una mayor atenuación de las señales transmitidas. A altas frecuencias una cantidad creciente de la potencia de la señal se pierde debido a los efectos de la radiación, es decir el cable se convierte en una antena. Se suele poner una cubierta exterior para minimizar este fenómeno. Hay cables UTP (Unshielded Twisted Pair) y STP (Shielded Twisted Pair), o sea cables trenzados sin apantallar y apantallados respectivamente. El cable STP tiene un recubrimiento de material conductor para disminuir interferencias, se lo usa en ambientes con contaminación electromagnética. Esta malla metálica se la conecta a tierra para tener un blindaje tipo Jaula de Faraday (los campos magnéticos no atraviesan conductores a potencial constante). Su ancho de banda es también mayor que los UTP. -Ventajas: económico, de fácil instalación. -Desventajas: permiten varios megabits en distancias de un kilómetro 8.1.3.- Cable coaxial El cable coaxial consta de un alambre de cobre duro en su parte central, es decir, que constituye el núcleo, el cual se encuentra rodeado por un material aislante. Este material aislante está rodeado por un segundo conductor cilíndrico que frecuentemente se presenta como una malla de tejido trenzado. El conductor externo está cubierto por una capa de plástico protector. De esta forma el campo magnético queda confinado al interior del cable (no hay pérdidas por irradiación) y tampoco recibe del exterior. 39 La velocidad de propagación dentro del cable es entre un 60 a 99% que si se realiza en el éter (por los aislantes cilíndricos de polietileno entre los dos conductores). Las características de relación de diámetros en los conductores da origen a la impedancia característica, que es necesaria para construir circuitos adaptados, típicamente de 50, 75, 93 o 125Ω. Su denominación comercial son del tipo RGx, por ejemplo: IEEE802.3 10 BASE 2 50 OHMIOS RG 58 50 OHMIOS (Ethernet delgado) RG 62 93 OHMIOS RG 59 75 OHMIOS [la impedancia característica es aquella que ofrece una línea de transmisión para longitud y frecuencias infinitas]. La construcción del cable coaxial produce una buena combinación: un gran ancho de banda, una baja atenuación y una excelente inmunidad al ruido. Los cables coaxiales se empleaban en redes de área local y para transmisiones de largas distancia del sistema telefónico. Actualmente su uso está indicado en la conectividad de antenas y en distribución de televisión por cable en la última milla. Es indicado en transmisiones digitales y analógicas. -Ventajas: mayor ancho de banda (más de 500 Mhz), largas distancias combinado con repetidores. Ideal para redes de alta velocidad (4 a 16 Mbit/s). -Desventaja: su coste, su manipulación y doblado dificulta la instalación. Tiene mala conducción para frecuencias inferiores a 60 Khz. Figura –23 Sección de cable coaxial Tipos de Cable Coaxial: -Thick: Es el cable coaxial grueso empleado por el estándar 10Base5, comúnmente conocido como 'cable amarillo' debido al color del revestimiento PVC. Sus característica físicas más importantes son: impedancia: 50 Ohm, la longitud máxima del segmento es de 500 m. -Thin: Es un cable coaxial de menor diámetro empleado por el estándar 10Base2, comúnmente conocido como 'Cheapernet” por su menor coste. Sus características físicas más importantes son: impedancia: 50 Ohm, la longitud máxima del segmento es de 200 m.

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