arquitectura de redes sistemas y servicios

ARQUITECTURA DE REDES SISTEMAS Y SERVICIOS.

2 Ing. Telecomunicacin. Curso 2010/11

CONCEPTOS BSICOS DE TRANSMISIN Y DIGITALIZACIN

1. 1.1 1.2

INTRODUCCIN A LA TRANSMISIN........................................................................ 4 CARACTERSTICAS DE LAS SEALES.................................................................................. 4 UNIDADES DE MEDIDA ........................................................................................................ 6DB ...................................................................................................................................... 6

1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.4 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4 1.5.4.1 1.5.4.2 2. 2.1 2.2 2.2.1

DBM ................................................................................................................................... 7 DBU.................................................................................................................................... 7 PROBLEMAS DE LA TRANSMISIN ..................................................................................... 8 ATENUACIN ..................................................................................................................... 9 RUIDO .............................................................................................................................. 10 DISTORSIN ..................................................................................................................... 11 RETARDO DE PROPAGACIN ............................................................................................. 11 SOLUCIONES A LOS PROBLEMAS DE TRANSMISIN ............................................................. 12 CAPACIDAD DE LOS CANALES REALES............................................................................. 14 MEDIOS DE TRANSMISIN ................................................................................................ 16 EL CABLE DE PARES .......................................................................................................... 16 CABLE COAXIAL ................................................................................................................ 18 FIBRA PTICA ................................................................................................................... 19 OTROS MEDIOS DE TRANSMISIN....................................................................................... 22 RADIOCOMUNICACIONES ............................................................................................... 22 GUAS DE ONDA ............................................................................................................ 24

MODULACIN Y DIGITALIZACIN.......................................................................... 24 CONCEPTOS DE MODULACIN Y DEMODULACIN.......................................................... 24 MODULACIN POR ONDA CONTINUA, PORTADORA SENOIDAL ...................................... 26 MODULACIN EN AMPLITUD ............................................................................................ 27

Arquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

2 Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin2.2.1.1 2.2.1.2 2.2.2 2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.3 2.2.3.1 2.2.3.2 2.2.4 2.3 MODULACIN ANALGICA: AM .................................................................................... 27 MODULACIN DIGITAL: ASK ........................................................................................ 27 MODULACIN EN FRECUENCIA ........................................................................................ 28 MODULACIN ANALGICA: FM .................................................................................... 28 MODULACIN DIGITAL: FSK ......................................................................................... 28 MODULACIN EN FASE .................................................................................................... 29 MODULACIN ANALGICA: PM .................................................................................... 29 MODULACIN DIGITAL: PSK ......................................................................................... 29 MODULACIONES MULTIFASE Y MULTINIVEL ...................................................................... 30 CAPACIDAD DE TRANSMISIN Y MODULACIN: EFICIENCIA DE LA MODULACIN

DIGITAL ....................................................................................................................................... 31

2.4 2.4.1

MODULACIN EN BANDA BASE........................................................................................ 33 CDIGOS UNIPOLARES ..................................................................................................... 34 UNIPOLAR SIN RETORNO A CERO (NRZ) ......................................................................... 34 UNIPOLAR CON RETORNO A CERO (RZ) .......................................................................... 34 CDIGOS BIPOLARES ........................................................................................................ 35 BIPOLAR SIN RETORNO A CERO. ...................................................................................... 35 BIPOLAR CON RETORNO A CERO, AMI ............................................................................ 36 BIPOLAR DE GRAN DENSIDAD (HDBN) ........................................................................... 36 CDIGOS MANCHESTER ............................................................................................. 37 MANCHESTER TRADICIONAL ........................................................................................... 37 MANCHESTER DIFERENCIAL ........................................................................................... 38 COMPARACIN DE CDIGOS ............................................................................................. 38 VENTAJAS DE LA TRANSMISIN DIGITAL ........................................................................ 39 DIGITALIZACIN ............................................................................................................... 40 TCNICAS DE TRANSMISIN DIGITAL ................................................................... 44 TRANSMISIN PARALELO V.S. TRANSMISIN SERIE ....................................................... 44 TRANSMISIN SIMPLEX, SEMI-DUPLEX O DUPLEX .......................................................... 44 TRANSMISIN ASNCRONA, SNCRONA Y PLESICRONA ................................................ 44 TCNICAS DE MULTIPLEXIN .................................................................................. 45 CONCEPTO DE MULTIPLEXIN ......................................................................................... 45 NECESIDAD DE MULTIPLEXIN ........................................................................................ 46 PROBLEMAS A RESOLVER ................................................................................................. 47

2.4.1.1 2.4.1.2 2.4.2 2.4.2.1 2.4.2.2 2.4.2.3 2.4.3 2.4.3.1 2.4.3.2 2.4.4 2.5 2.6 3. 3.1 3.2 3.3 4. 4.1 4.2 4.3


Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin 34.3.1 4.3.2 4.3.2.1 4.3.2.2 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.5 4.6 4.6.1 4.6.2 DIVISIN EN SUBCANALES ................................................................................................. 47 ASIGNACIN DE SUBCANALES............................................................................................ 48 ASIGNACIN ESTTICA O DETERMINISTA ........................................................................ 48 ASIGNACIN DINMICA O ESTADSTICA .......................................................................... 49

MULTIPLEXIN POR DIVISIN DE FRECUENCIA (FDM) ................................................. 49 FUNDAMENTOS ................................................................................................................. 49 POSIBLES USOS ................................................................................................................ 50 NORMALIZACIN PARA TELEFONA ANALGICA ................................................................. 51 MULTIPLEXIN POR DIVISIN DE CDIGO (CDM) ......................................................... 53 MULTIPLEXIN POR DIVISIN DE TIEMPO (TDM) ......................................................... 54 FUNDAMENTOS ................................................................................................................. 54 MULTIPLEXIN ESTADSTICA POR DIVISIN DE TIEMPO ..................................................... 57


4 Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin

1. INTRODUCCIN A LA TRANSMISIN 1.1 Caractersticas de las seales Podemos distinguir dos tipos de seales: Seales analgicas: Pueden ser representadas mediante funciones que toman un

nmero infinito de valores en cualquier intervalo de tiempo considerado, como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Seal continua

-

Seales discretas: Pueden ser representadas mediante funciones que toman un

nmero finito de valores en cualquier intervalo de tiempo, como se muestra en la figura 2.

Figura 2. Seal discreta

Recordando el modelo de las comunicaciones, la comunicacin se basa en la transmisin de una seal entre el transmisor y el receptor. Esa seal contiene la informacin que la fuente quiere enviar al destino. Para facilitar el tratamiento de las seales implicadas en un sistema de comunicacin, siempre que se cumplan ciertas condiciones (Dirichlet), stas se pueden descomponer en componentes elementales de frecuencias puras, es decir en una suma de seales senoidales de distintas frecuencias, tal y como se muestra en la figura 3. Esto es lo que se conoce como desarrollo en serie de Fourier, que persigue la simplificacin del estudio y desarrollo de los sistemas de comunicacin. As de una representacin de la seal en el dominio del tiempo, en el que podemos observar como cambia su forma de onda a lo largo del tiempo, pasamos a una representacin de la misma en el dominio de la frecuencia, en la que observamos las componentes en frecuencias elementales.Arquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin 5

f (t ) =T/2

n =0

a

n

cos(2 nf t ) + bn sen(2nf t )n =0

an = f(t)cos(2 nft ) dt- T/2

bn = f(t)sen(2 nft ) dt- T/2

T/2

Figura 3. Desarrollo en serie de Fourier

Esta representacin en frecuencia de una seal muestra cmo se distribuye la energa de la seal entre las distintas frecuencias elementales (armnicos) que la componen. El valor cuadrtico medio de las componentes a y b en una frecuencia determinada es proporcional a la energa transmitida a la frecuencia

correspondiente, esto es lo que se representa en el dominio de la frecuencia para cada componente de frecuencia y la representacin se suele conocer como espectro de la seal.

-X

X

f (Hz) Y Z

Figura 4. Componentes en frecuencia y ancho de banda

Para seales reales el espectro en frecuencia es simtrico respecto al eje ordenadas, pero slo tendremos en cuenta las frecuencias positivas. En la figura 4 se representan dos seales en el dominio de la frecuencia, es decir se representan las componentes en frecuencia de las mismas. El ancho de banda de estas dos seales ser X Hz y (Z-Y)Hz respectivamente. Se suele elegir el primer cruce por cero como el ancho de banda de la seal.



Definimos ancho de banda de una seal como el intervalo de frecuencias en el cual se concentra la mayor parte de la energa de la seal.

1.2 Unidades de medida Para facilitar los clculos implicados en el desarrollo de sistemas de comunicacin se suelen utilizar unidades logartmicas en lugar de unidades naturales. A continuacin detallamos estas unidades de medida. 1.2.1 dBP1 Sistema P2

Figura 5. Modelo de un sistema de transmisin

Unidad que indica una relacin de potencias, tensiones o intensidades entre dos valores de seal. Es por tanto una unidad de medida relativa, pues no tiene un valor patrn de comparacin, sino que compara dos seales distintas. Se aplica a la especificacin de ganancias o atenuaciones de una seal. Por ejemplo en la figura 5 se muestra un esquema de un sistema de transmisin donde P1 y P2 representan la seal a la entrada del sistema y la seal a la salida del mismo. La relacin de ganancia en dB se expresara como: Ganancia de Potencia G(dB)= 10 log (P2/P1) Ganancia de Tensiones G(dB)= 20 log (V2/V1), dado que P=V2/R Ganancia de Intensidades G(dB)= 20 log (I2/I1), dado que P=I2R

Segn se est relacionando la potencia, la tensin o la intensidad de la seal. La relacin de atenuacin en dB se expresara Atenuacin de Potencia A(dB)= 10 log (P1/P2)


Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin 7 Atenuacin de Tensiones A(dB)= 20 log (V1/V2) Atenuacin de Corrientes A(dB)= 20 log (I1/I2)

Como puede apreciarse, al trabajar con unidades logartmicas, la atenuacin no es ms que la ganancia con el signo negativo. De modo que una ganancia de 5 dB equivale a una atenuacin de 5dB. 1.2.2 dBm No es una unidad de medida relativa sino absoluta, a diferencia del dB. Mide la potencia de una seal respecto de un valor fijo de 1mW. Siempre que la comparacin se efecta respecto de valores de potencia por debajo de 1mW el resultado ser negativo. P(dBm) = 10 log (P(mW)/1mW) En algunos casos se utiliza tambin un valor fijo de 1 W, en este caso la unidad se denomina dBW 1.2.3 dBu Es una unidad de nivel absoluto, usada para comparar tensiones respecto de un valor fijo de 0.775 V. Este valor es el que resulta cuando sobre una impedancia de 600 Ohms se aplica una potencia de 1mW. V(dBu)= 20log(V / 0.775V) P(dBm)=10log(P(mW)/1mW)=10log((V2/Z)/(0.7752/600Ohm)) P(dBm)=dBu+10log(600/Z) La utilizacin de unidades logartmicas se hace especialmente til para operar con seales que sufren atenuaciones o ganancias en sucesivas etapas, ya que en estos casos las unidades logartmicas pueden restarse/sumarse directamente. Para demostrarlo, partimos de la frmula de la atenuacin en decibelios: A(dB)=10 log (P1/P2), por lo que P1(W)=P2(W)10A(dB)/10

, pasando a dBm tendremos:

10log(P1(mW)/1mW)=10log (P2 (mW)/1mW)+10A(dB)/10 o lo que es igual,Arquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

8 Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin P1(dBm)=P2(dBm)+A(dB) O P2(dBm)=P1(dBm)-A(dB) Y si se trabaja del mismo modo con la ganancia se obtiene que: P1(dBm)=P2(dBm)-G(dB) O P2(dBm)=P1(dBm)+G(dB) Si tenemos varias etapas en serie de amplificacin y de atenuaciones, podemos especificar la siguiente frmula general:P2 ( dBm)=P1 ( dBm) + Gi ( dB ) A j (dB )i j

Cuestin 1. Dado un amplificador con ganancia 20dB. Si la seal a la entrada tiene una potencia de 1W Cul ser la potencia a la salida? G(dB)=10log(Pout/Pin) 20=10log(Pout (W)/1(W)) Pout=100W

Cuestin 2. Si la seal que llega a un amplificador tiene 15 dBm, Qu potencia tendr en W? 15=10log(Pot(mW)/1(mW)) Pot(mW)=316 mW 1.3 Problemas de la Transmisin Cuando una seal atraviesa un canal de comunicaciones sufre tres tipos de fenmenosArquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin 9 que hacen variar su forma original: atenuacin, distorsin y ruido

Cuestin 3. Al transmitirse una seal por un cable sufre unas prdidas de 10dB. Si se necesita recibir 2W de potencia Cuntos dBm habr que transmitir? 1) Si trabajamos con unidades naturales y al final pasamos a dBm A=10log(Pin / Pout) Pin=Pout 10A/10=20W Pin(dBm)=10log(20 103mW/1mW)=43dBm 2) Si trabajamos con unidades logartmicas Pin (dBm)-A(dB)=Pout(dBm) Pout=2W Pin=43dBm 1.3.1 Atenuacin Atenuacin significa prdida de energa. Es una disminucin en la amplitud de la seal a medida que sta va recorriendo el medio de transmisin. Este fenmeno est relacionado con la resistividad del conductor y por tanto depende de la misma. La seal pierde energa al tener que vencer la resistencia del medio en la propagacin. Cuestin 4. Una seal de 100 dBm se transmite por un cable conductor de 10 metros de longitud. Si la atenuacin del cable es 10 dB/m, qu potencia llegar al otro extremo? La atenuacin sufrida por la seal ser 10m*10dB/m=100 dB, por tanto llegarn 100 dBm100 dB=0dBm, o lo que es igual 1mW. Podemos apreciar que la atenuacin sufrida por la seal al recorrer un conductor es directamente proporcional a la distancia recorrida, por lo que se suele especificar, para los medios de transmisin, en dB/m, mientras que resulta ser inversamente proporcional a la seccin del conductor. Por lo que a secciones mayores del conductor, menorArquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

Pot(dBm)=10log(2 103mW/1mW)=33dBm

10 Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin atenuacin, y a longitudes mayores de conductor, mayor atenuacin. 1.3.2 Ruido Es toda perturbacin o interferencia no deseada que se introduce en el canal de comunicaciones y se suma a la seal til. Existen mltiples fuentes de ruido, unas externas, como el motor de un coche o de un ascensor, y otras internas al propio sistema de comunicacin, como el ruido trmico. Es imposible predecir la magnitud del ruido en un momento determinado, por lo que se suele tratar de forma estadstica. Existen diferentes tipos de ruido pero destacaremos: Ruido Blanco: Su densidad de energa se distribuye por igual en todo el rango de frecuencias. Por ejemplo el ruido trmico, provocado por el movimiento aleatorio de los electrones de un metal, que ser proporcional a la temperatura. Como se observa en el canal superior de la figura 6. Ruido Impulsivo: Producido a intervalos irregulares con picos muy pronunciados y de corta duracin. Suelen tener origen externo como el encendido de una luz, rels, Como se muestra en el canal inferior de la figura 6. Ruido de lnea o simple: Producido normalmente por la presencia de lneas elctricas que suministran energa para iluminacin. stas inducen corrientes en sistemas de comunicacin cercanos.

R. Blanco

CANAL

t

t CANAL

t R. Impulsivo

Figura 6. Rudo blanco e impulsivo en un canal de comunicacin


Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin 11 Para que un sistema de transmisin funcione correctamente el ruido no puede llegar a enmascarar a la seal til, de manera que la potencia de la seal til (S) siempre debe ser varios rdenes de magnitud superior a la potencia del ruido interferente (N). El parmetro que mide la relacin entre ambas seales (til y ruido) se denomina relacin seal a ruido (SNR, Signal Noise Ratio) y se suele expresar en dBs. ste es un parmetro fundamental para determinar la calidad de un sistema de transmisin. SNR=10log(S/N) Cuestin 5. Supongamos un ordenador que genera una seal digital de 1W. Dicha seal atraviesa un conductor de 30 km de longitud cuya atenuacin es de 2 dB/km. Si el equipo receptor seal (modem) necesita como mnimo 10dBm de potencia a la entrada para poderla interpretar correctamente. Ser necesaria la amplificacin?

1.3.3 Distorsin Este fenmeno se observa como una deformacin de la seal original. Debido a las caractersticas inductivas y capacitivas de los diferentes medios de transmisin, la atenuacin que ste presenta vara con la frecuencia. De este modo las distintas componentes de la seal en frecuencia se atenan de distinto modo, lo que provoca una distorsin o deformacin de la forma de onda de la seal al atravesar el medio. Cuando el medio de transmisin es metlico, uno de los efectos que contribuyen a la distorsin es el conocido efecto pelicular. Cuando aumenta la frecuencia, la corriente de electrones tiende a circular slo por la superficie del mismo. Se puede interpretar que al subir la frecuencia de la seal se redujese la seccin del conductor aumentando por tanto la resistencia y, en consecuencia, la atenuacin en estas frecuencias ms altas. As que las componentes de la seal en frecuencias altas se atenuarn ms que las componentes en frecuencias bajas, provocando una distorsin de la seal. 1.3.4 Retardo de propagacin Cuando el transmisor inserta una seal en un extremo del medio de transmisin transcurre un tiempo hasta que sta es recibida por el receptor, este tiempo se conoce como retardo de propagacin. El retardo de propagacin depender de la velocidad de propagacin de la seal en el medio de transmisin y de la longitud que sea necesarioArquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

12 Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin recorrer. Dado que la velocidad de propagacin puede variar con la frecuencia de la seal el retardo de propagacin tambin puede variar en distintas frecuencias, de modo que las distintas componentes de la seal podran sufrir distintos retardos lo que se traduce en una distorsin de la forma de onda de la seal. Cuestin 6. Piense en un sistema de telecomunicacin en el que el retardo de propagacin pueda ser crtico

1.3.5 Soluciones a los problemas de transmisin A lo largo del sistema de transmisin se incorporan equipos y se usarn tcnicas para intentar resolver estos problemas. Cuando la transmisin es analgica se utilizan amplificadores, que aumentan la potencia de la seal de entrada, para intentar resolver la atenuacin. El amplificador aumenta no slo la potencia de la seal de entrada si no tambin la del ruido que la acompaa. Por otro lado en el proceso de amplificacin hay un proceso de intermodulacin que provoca la aparicin de componentes espreas, es decir, componentes en frecuencia que antes no existan, de manera que en realidad se est aadiendo ruido. Esto provoca que al introducir un amplificador hay una degradacin de la SNR y dado que ste parmetro debe mantenerse por encima de un valor determinado ser necesario limitar el nmero de amplificadores en cascada, o en serie, en una lnea de transmisin. Esto limita la longitud en las lneas de transmisin analgicas. Para resolver la atenuacin en lneas de transmisin digitales se utilizan repetidores regenerativos, que permiten regenerar la seal recibida y volver a recuperar la seal original. El repetidor recupera la secuencia digital original, es decir la secuencia de unos y ceros, y vuelven a generar la seal modulada. Si al recuperar la seal original no se cometen errores sera exactamente la misma seal que cre el transmisor. Por tanto estos dispositivos no degradan la relacin SNR y, en teora, las lneas de transmisin digitales podran tener cualquier longitud. Sin embargo el funcionamiento de los repetidores, que se basa en una sincronizacin previa a la seal de entrada, y el incremento de jitter (variacin en la posicin ideal de los pulsos) que introducen,Arquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin 13 provocan que las lneas de transmisin digitales tampoco puedan tener una longitud infinita, aunque s muy superior a las lneas analgicas. Cuestin 7. Partiendo de los datos de la cuestin 5. Supongamos que se dispone de repetidores regenerativos que necesitan a la entrada 0 dBm y producen una seal de 10 dBm a su salida. Cuntos debera utilizar?, a qu distancia del equipo origen?.

Para solucionar el problema de la distorsin se utilizan elementos ecualizadores, cuya misin ser compensar el comportamiento variable del canal para distintas frecuencias. Para ello el ecualizador atena ms aquellas frecuencias que fueron menos atenuadas por el canal, intentando mantener la atenuacin lo ms constante posible en el rango de frecuencias utilizado en el canal de comunicacin y por tanto realizando el efecto inverso al mismo, as se recupera la forma de onda original de la seal. Este proceso se

PotSeal a la entrada del canal Seal distorsionada, a la salida del canal

Seal ecualizada

frecFigura 7. Ecualizacin

representa en la figura 7. La finalidad es simular el efecto contrario al que ha producido el canal, tratando tambin a unas frecuencias de forma distinta a otras. Los ecualizadores pueden formar parte de otros equipos o ser independiente y colocarse expresamente sobre el canal para mejorarlo. Para evitar el ruido la forma de proceder es intentar eliminarlo o minimizarlo, por ejemplo aislando el medio de transmisin con una pantalla metlica que absorba la mayora del ruido externo y evitando a la vez la salida de interferencias al exterior, o simplemente alejando los sistemas de transmisin de fuentes de ruido, como porArquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

14 Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin ejemplo lneas elctricas. Tambin es necesario considerar que el ruido ser perjudicial slo si afecta a las frecuencias donde se transmite la energa de las seales tiles, ya que si est fuera de esta banda puede ser filtrado y eliminado sin ningn problema. De manera que otro mecanismo importante para reducir los efectos del ruido es no utilizar la banda de frecuencias del canal donde ste es especialmente perjudicial (p.e. los 50Hz). 1.4 Capacidad de los canales reales En un sistema de transmisin es necesario considerar la cantidad de informacin que podemos transmitir, esto est representado por la capacidad del canal de comunicacin. Para caracterizar la capacidad de un canal de comunicacin primero es necesario definir el concepto de ancho de banda de un canal de comunicacin. Se define ANCHO DE BANDA (BW) DE UN CANAL de comunicaciones como el intervalo de frecuencias para las cuales la atenuacin, distorsin y ruido del medio de transmisin permanecen bajo unos lmites determinados y aproximadamente constantes. Por tanto es la regin del espectro en frecuencia que puede utilizarse para enviar seales. Los valores que se toman como referencia para establecer los lmites de esta regin til pueden ser arbitrarios, pero es habitual definir las frecuencias de corte, o lmites del ancho de banda del canal, en aquellas frecuencias para las cuales la atenuacin es de 3dB con respecto al valor que tiene la seal a la frecuencia de referencia. Este es el denominado ancho de banda de 3dB y se muestra en la Figura 8. Los lmites del ancho de banda, en este caso, se denominan frecuencias de corte de 3dB. El ancho de banda de un canal est directamente relacionado con la cantidad de informacin que puede pasar a travs de l, ya que limita las frecuencias que pueden utilizarse para enviar seales sobre el mismo. Para sistemas analgicos el ancho de banda se suele expresar en Hz, mientras que para sistemas digitales en bits trasmitidos por segundo. En 1924 Nyquist dedujo que para un canal sin ruido con ancho de banda B (Hz) y si se transmite una seal con V niveles discretos (es decir V smbolos) el rgimen binario mximo en el canal es: Rb= 2BWseal. La seal de entrada deber estar limitada en frecuencia, lo que se consigue con un filtro paso de baja antes del muestreo. Para canales telefnicos se

Seal de entrada

Seal muestreada

t

t Filtro LP muestreo

t

f(Hz) f(Hz) BW BW -fs fs

f(Hz)

Tren de impulsos: fs (reloj)

Figura 31. Etapa de muestreo en la MIC

considera un ancho de banda de 4kHz y por tanto una frecuencia de muestreo de 8kHz,Arquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

42 Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin lo que corresponde a un periodo de muestreo de 125 s b) Cuantificacin: las amplitudes de los impulsos en la seal muestreada varan de

forma analgica, pudiendo adoptar cualquier valor. En esta etapa debemos fijar un nmero finito de valores para dichas amplitudes. Cuanto mayor sea el nmero de valores posibles, menor diferencia habr entre la seal muestreada antes y despus de la cuantificacin y por tanto menor el error cometido.

8 4 7 6 3 5 4 2 1 Seal muestreada Cuantificada: 4 niveles 3 2 1 Cuantificada: 8 niveles

Figura 32. Etapa de cuantificacin en la MIC

La reconstruccin de la forma de onda original se har en base a la seal cuantificada, por lo que la diferencia entre sta y la seal original puede interpretarse como un ruido (ruido de cuantificacin). El ruido de cuantificacin disminuye al incrementarse el nmero de escalones o niveles de cuantificacin. Para codificar el valor de una muestra ser necesario emplear un nmero de bits tal que permita identificar el escaln en el que se sita la muestra, de manera que a mayor nmero de escalones mayor nmero de bits se necesitan para codificar cada muestra. As, con 4 escalones, para indicar el valor de la muestra slo necesitar 2 bits, mientras que con 256 escalones sern necesarios 8 bits. En general:

N E = log 2 ( E ) , siendo NE el nmero de bits por muestra y E el nmero de escalones en la etapa de cuantificacin. Cuando todos los escalones tienen el mismo tamao hablamos de cuantificacin uniforme, y la potencia del ruido de cuantificacin resulta (asumiendo una resistencia de 1) NQ=q2/12, siendo q la altura del escaln o intervalo mnimo de cuantificacin. De este modo el rgimen binario a la salida del codificador ser: Rb = f s N E , donde fsArquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin 43 es la frecuencia de muestreo. Para digitalizacin de seales vocales la ITU-T define en la recomendacin G.711 el uso de 8 bits por muestra y fs de 8000 Hz. Cuando se utiliza cuantificacin uniforme la relacin seal a ruido es mayor cuando la potencia de la seal aumenta, mientras que disminuye cuando lo hace la potencia de la seal, dado que el ruido de cuantificacin es siempre el mismo. Para solucionar este problema se emplea la cuantificacin no uniforme, donde los escalones

correspondientes a los niveles de seal ms bajos son ms pequeos, disminuyendo as el ruido de cuantificacin, y stos aumentan cuando lo hace la potencia de la seal. De este modo la figura S/N es aproximadamente constante para cualquier potencia de la seal de entrada. En este aspecto la ITU-T ha definido en la recomendacin G.711 dos tipos de cuantificacin no uniforme: la ley A, utilizada en Europa, y la ley , usada en Estados Unidos y Japn. c) Codificacin: consiste en convertir los pulsos cuantificados en un grupo

equivalente de pulsos binarios. En Europa para codificar la voz en telefona se utilizan 8 bits, donde el primer bit identificar el signo de la muestra y los 7 restantes el nmero de escaln en binario contado a partir del 0.

Cuestin 21. La calidad mnima para la voz digitalizada es una SNR > 26 dB. La

amplitud mxima de la seal es 1V. Cuntos bits por muestra necesitar como mnimo?

Cuestin 22. Una seal senoidal de amplitud mxima 1V se quiere digitalizar con

una SNR de 30 dB. Cuntos bits tendr que utilizar por cada muestra?. Si la frecuencia de dicha seal es de 4 kHz qu rgimen binario tendr tras su digitalizacin?Qu SNR se tiene realmente?

A partir de la seal digital, podemos recuperar la seal analgica original siguiendo el proceso contrario.


44 Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin3. TCNICAS DE TRANSMISIN DIGITAL 3.1 Transmisin paralelo v.s. transmisin serie

La informacin a transmitir entre dos equipos suele agruparse en conjuntos de varios bits (normalmente 8, 16 o 32) denominados palabras. Cuando la distancia entre transmisor y receptor es pequea, el coste en medios de transmisin no resulta elevado, por lo que podemos utilizar distintos medios para cada bit que conformen la palabra. Esto consigue minimizar el retardo de transferencia de informacin. Ejemplo: Buses en ordenadores, o cables paralelo de la impresora. Si transmisor y receptor se encuentran fsicamente separados (varios metros) se suele utilizar slo dos hilos, transmitiendo los bits de uno en uno en un modo de operacin denominado en serie, frente al anterior que se llama paralelo.3.2 Transmisin simplex, semi-duplex o duplex

El intercambio de informacin entre dos entidades puede realizarse en tres formas: Simplex o unidireccional: cuando los datos viajan en un solo sentido. Semi-duplex o Half duplex: si los dispositivos se intercambian informacin

alternativamente, pero en distintos intervalos de tiempo, pudiendo cambiar entre emisin y recepcin tras cada intercambio. Duplex o Full duplex: Cuando los dos dispositivos intercambian informacin

simultneamente en ambos sentidos.3.3 Transmisin asncrona, sncrona y plesicrona

Un problema bsico a resolver cuando dos entidades intercambian datos digitales es lograr que transmisor y receptor tengan una base de tiempos comn, que permita decodificar los bits de forma correcta. Podemos distinguir distintas tcnicas de transmisin en este sentido: a) Transmisin Asincrona: donde transmisor y receptor no tienen un reloj comn.

Se transmiten palabras de pocos bits (normalmente 8), y cada una va delimitada por un bit especial denominado de arranque y otro al final denominado de parada, que se utilizan para sincronizar temporalmente transmisor y receptor. Slo se envan palabras aArquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin 45 la lnea cuando hay informacin para transmitir, y el rendimiento de la transmisin es pobre debido a los bits adicionales que es necesario transmitir para lograr la sincronizacin instantnea. Los equipos utilizados son de bajo coste y es adecuada para transmisiones irregulares de bajo rgimen binario. b) Transmisin Sncrona: transmisor y receptor tienen un reloj comn e idntico.

Para lograr ese sincronismo se pueden usar distintos mtodos, por ejemplo el receptor extrae la informacin del reloj a partir de la seal de entrada y con ella ajusta la frecuencia del reloj con el que se interpretan los datos. En este caso en el cdigo de lnea debe aparecer de forma implcita la seal de reloj. Tambin puede existir un reloj de referencia comn a los equipos transmisor y receptor. Los equipos utilizados son ms caros y complejos, aptos para lneas de alta capacidad y rendimiento (flujos de transmisin continuos). c) Transmisin Plesicrona o casi sncrona: se podra entender como una variante

del caso anterior en la que transmisor y receptor utilizan distintos relojes pero sincronizados a la misma frecuencia nominal, sin embargo, gracias a las tcnicas de justificacin que veremos ms adelante, estn permitidas pequeas desviaciones en los relojes. Esta tcnica tambin es apta para lneas de gran capacidad y rendimiento.

Cuestin 23. Analice detenidamente la diferencia entre transmisin sncrona y

plesicrona qu diferencias observa? A primera visa qu ventajas y desventajas tiene una frente a la otra?

En temas posteriores se estudiar ms detenidamente el sincronismo en la transmisin, especialmente en el caso de la RTC.

4. TCNICAS DE MULTIPLEXIN 4.1 Concepto de multiplexin

Se denomina multiplexar a repartir un canal de comunicacin, con capacidad C, entre varios subcanales que requieran capacidades inferiores. Demultiplexar consistir en realizar la operacin inversa, es decir, volver a obtener cada uno de los subcanales que se estn transmitiendo sobre el mismo canal. La figura 33 muestra una representacin de esta idea.Arquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez


MUX

MUX

Figura 33. Multiplexin de varias comunicaciones sobre un mismo enlace

La finalidad de la multiplexin de la capacidad disponible ser utilizar el mismo medio fsico para la transmisin de varias comunicaciones (distintos canales), sin que stas se interfieran entre si. As se aprovecha la totalidad de la capacidad disponible y el uso del medio de transmisin es mucho ms eficiente, lo que supone un ahorro considerable de costes. Esta tarea puede realizarse de forma distribuida cuando son los terminales implicados los que se encargan de la multiplexin. Tambin puede estar centralizada en equipos que realicen esta funcin, stos reciben el nombre de multiplexores. Estos equipos multiplexarn los subcanales a la entrada del circuito de datos y los demultiplexarn a la salida del mismo, todo ello de forma transparente a la fuente y al sumidero de datos. En ningn momento interpretan la informacin que pasa por ellos, de manera que no tienen porqu conocer cmo la utilizarn los equipos entre los que es intercambiada. Esto facilita el que los canales que comparten el medio de transmisin puedan prestar servicios diferentes y transportar trfico de distinta naturaleza. Es usual que en el mismo nodo de red se realicen tareas de multiplexin y conmutacin.4.2 Necesidad de multiplexin

Hay muchos motivos que justifican la utilizacin de tcnicas de multiplexin: El caso ms claro sera, quiz, la necesidad de transmitir informacin simultnea

entre dos puntos, con varios terminales en cada uno, a travs de un medio fsico compartido. Compartir el medio fsico entre los terminales que conforman redes que utilicen

la tcnica de difusin, como redes de rea local de tipo ethernet o token ring.Arquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin 47 Si se utiliza la red telefnica conmutada, compartir un canal vocal entre varias

comunicaciones que requieran un ancho de banda inferior al de un canal telefnico analgico (3100 Hz). Por ejemplo transmisiones de datos a baja velocidad. Si se empleara un canal vocal para cada una de estas transmisiones el ancho de banda disponible estara infrautilizado. Usar un canal de banda ancha, es decir con capacidad del orden de Mbit/s, para

la transmisin de varias comunicaciones simultneas con velocidades inferiores. Se podran multiplexar, por ejemplo, varios canales vocales, o combinar canales que presten servicios diversos y as simultanear transmisin de datos, voz, imgenes... enlace. Y, por supuesto, el ahorro en los costes de transmisin al utilizar circuitos de Combinar comunicaciones que necesiten distinta capacidad sobre un mismo

mayor capacidad. Teniendo muy en cuenta que el coste de instalar y mantener medios de transmisin de baja capacidad viene a ser igual que el de medios de alta capacidad.4.3 Problemas a resolver

Se plantean dos problemas principales a la hora de realizar el reparto de la capacidad ofrecida por el medio: Se debe especificar cmo se divide el canal en subcanales y como se asignan estos subcanales a las comunicaciones que pretendan utilizar el medio fsico.4.3.1 Divisin en subcanales

Las comunicaciones debern utilizar subcanales dentro del medio fsico compartido y ser imprescindible saber extraer, cuando sea necesario, la informacin de cualquiera de las comunicaciones que se estn transmitiendo por el canal. Las tcnicas de multiplexin se pueden clasificar segn la caracterstica (o caractersticas) de la seal que se utilicen para discriminar una comunicacin de las restantes. Algunas de las ms empleadas son: Multiplexado por divisin de frecuencia (FDM o Frequency Division

Multiplexing). Cada subcanal utiliza una regin del espectro determinada dentro del ancho de banda total del canal de comunicacin. En comunicaciones pticas se sueleArquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

48 Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin hablar de multiplexin por longitud de onda, cada comunicacin utiliza luz con una longitud de onda distinta sobre la misma fibra. Multiplexado por divisin de tiempo (TDM o Time Division Multiplexing).

Cada subcanal utiliza el canal a compartir slo durante un intervalo de tiempo determinado. Multiplexado por divisin de cdigo (CDM o Code Division Multiplexing).

Cada subcanal utiliza un cdigo determinado para la transmisin de su informacin. Multiplexado por polarizacin. Cada subcanal se transmite con una polarizacin

determinada. Tambin se pueden combinar las tcnicas anteriores, de manera que una comunicacin se distingue de las dems por variar en ms de una caracterstica. Por ejemplo, se transmiten en distinta zona del espectro y adems en distintos intervalos de tiempo.4.3.2 Asignacin de subcanales

Habr que asignar los subcanales creados a las comunicaciones que necesitan ser transmitidas por el medio fsico a compartir. As se realiza el reparto de la capacidad del canal, que es lo que se est persiguiendo. Se podran distinguir dos formas bsicas de asignacin de canales:4.3.2.1 Asignacin esttica o determinista

Es la forma ms sencilla de realizar el reparto. Consistira en hacerlo de forma esttica, es decir, para cada comunicacin se reserva un subcanal que sta utiliza de forma exclusiva. Esta tcnica se ha venido utilizando tradicionalmente, por ejemplo, para compartir troncales telefnicas. Sin embargo el trfico generado en una comunicacin en concreto puede tener muy diversos comportamientos. Si un terminal genera datos con un rgimen binario constante asignarle de forma esttica un subcanal con la capacidad que necesita sera fcil y eficiente. Pero puede que el trfico generado sea a rfagas, es decir, se genere informacin en intervalos de tiempo discontinuos, asignar un subcanal estticamente podra resultar derrochador, si se reserva la capacidad necesaria durante una rfaga de trfico, o insuficiente, si se reserva en base a los periodos de silencio.Arquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin 49 Hay que tener en cuenta que la suma de capacidades de las comunicaciones que comparten el canal no supera, en ningn momento, la capacidad del canal que se estCuestin 24. Analice las ventajas o desventajas que este tipo de asignacin puede

tener para trfico con un comportamiento peridico como la voz, donde siempre se transmiten 8 bits cada 125s. Por qu se utiliza este tipo de asignacin en enlaces de telefona? repartiendo.4.3.2.2 Asignacin dinmica o estadstica

En este caso el reparto de la capacidad del medio se har de forma dinmica, es decir, se asigna capacidad a una comunicacin slo cuando sea necesario transmitir informacin. Esta tcnica es ms compleja y existen muchas variantes para conseguirlo. En esta ocasin la suma de capacidades de las comunicaciones que comparten el canal puede superar, aunque slo instantneamente, la capacidad del canal que se est repartiendo. Se utilizan memorias o buffers para almacenar la informacin hasta que le sea asignado el subcanal apropiado. La asignacin de capacidad puede estar en manos de los que compiten por ella, como ocurre en redes de rea local. Pero tambin podra haber algn elemento que se encargara de la asignacin, por ejemplo un nodo de conmutacin que pasa al siguiente enlace los datos segn cierto orden de preferencia. Los sistemas en los que pueden ocurrir conflictos a la hora del reparto, provocndose colisiones en el medio fsico, se suelen conocer como sistemas de contienda.

Cuestin 25. Analice las ventajas o desventajas que este tipo de asignacin puede

tener para trfico con un comportamiento peridico como la voz, donde siempre se transmiten 8 bits cada 125s. Por qu no se utiliza este tipo de asignacin en enlaces de telefona?

4.4 Multiplexin por divisin de frecuencia (FDM) 4.4.1 Fundamentos

Esta tcnica consistir en repartir el ancho de banda de un nico canal de comunicacinArquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

50 Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin entre varios subcanales independientes entre s centrados en distintas frecuencias, como indica la figura 34. De esta manera a cada subcanal se le asigna un rango de frecuencias distinto y, por supuesto, comprendido en el ancho de banda total disponible en el enlace a repartir. Normalmente cada subcanal se separa del siguiente por una banda de proteccin o seguridad. Esta banda de guarda evitar que si la frecuencia central de un canal se desplaza, por ejemplo por imperfecciones en los relojes utilizados para generar las portadoras, los subcanales adyacentes se solapen, evitando as el denominado ruido de intermodulacin. Se suele utilizar esta tcnica cuando las seales multiplexadas son de naturaleza analgica de modo que stas varan de forma continua con el tiempo. En consecuencia ser necesario proteger la seal transmitida para mantener tales variaciones intentando evitar o compensar efectos como el ruido, interferencias electromagnticas o la atenuacin sufrida por la distancia.

f1 f1 - 3.4 KHz f1 - 300Hz f1 + 300Hz f1 + 3.4 KHz



300 Hz 3.4 KHz


frecuenciaFigura 34. Multiplexin por divisin de frecuencia

4.4.2 Posibles usos

La multiplexin en frecuencia se ha venido utilizando, tradicionalmente, para transmitir varios canales de frecuencia vocal por un nico medio de comunicacin. Al incorporarArquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin 51 tcnicas digitales en las troncales telefnicas este uso cada vez es menos frecuente. Se suele utilizar en radioenlaces y en la interfaz radio de redes de telefona mvil, sobre todo en combinacin con otras tcnicas de multiplexin, como TDM o CDMA. As en GSM, la norma europea para telefona mvil de segunda generacin, se utiliza multiplexin de frecuencia y dentro de cada frecuencia se utiliza multiplexin por divisin en el tiempo, que se ver ms adelante. Para la interfaz radio de UMTS se combina multiplexin de frecuencia y de cdigo.Cuestin 26. Piense en otros sistemas de telecomunicacin que utilicen este tipo de

multiplexin.

4.4.3 Normalizacin para telefona analgica

Si una seal vocal, con ancho de banda entre 0.3 y 3.4 kHz, modula en amplitud una portadora de fi kHz, se traslada sta a la banda comprendida entre fi 3.4 y fi 0.3 kHz, conteniendo la misma informacin inicial pero desplazada a otra regin del espectro, como se puede observar en la figura 34. Si se modulan distintas comunicaciones con portadoras, separadas convenientemente en el espectro, se obtendr un conjunto de seales agrupadas o multiplexadas en un nico ancho de banda lo que permitir su transmisin a travs de un mismo medio portador. Las compaas telefnicas han venido utilizando, mientras las redes an eran analgicas, esta tcnica de multiplexin. Para facilitarles tanto este aprovechamiento de medios de transmisin como las conexiones internacionales el CCITT, que ahora forma parte del UIT-T, normaliz los parmetros involucrados. Fija los valores de las frecuencias portadoras, el nmero de comunicaciones que alberga cada conjunto y, consecuentemente, el ancho de banda necesario para la transmisin. El objetivo de las administraciones telefnicas se centraba en aprovechar al mximo el mismo portador, aun teniendo que instalar equipos de repeticin, siempre que los anlisis econmicos as lo aconsejasen. En consecuencia se extendi la fabricacin de equipos multicanales que se encargan de desarrollar modulaciones y demodulaciones de orden superior y que se sitan en los extremos de los medios portadores. Los equipos multiplexores unirn normalmente nodos de conmutacin telefnicos de mucho trfico, estos canales sern transmitidos por un nico medio de transmisin. Los canales deArquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

52 Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin frecuencia de voz, a los que se les aade cierta informacin de sealizacin, se acomodan en canales tpicos de 4kHz de ancho de banda. La tabla ii muestra el esquema de multiplexacin de la UIT-T para 2700 canales analgicos de voz. Esta normalizacin establece varios niveles de multiplexin, cada uno de ellos formado a partir del anterior. El primer nivel de multiplexin est compuesto por 12 canales telefnicos de

4kHz (0,3-3,4 kHz, + sealizacin + banda de seguridad) que modulan 12 portadoras y conforman el denominado grupo primario en la banda. A partir de 5 grupos primarios, que modulan otras tantas portadoras, se forma un

grupo secundario o supergrupo. ste contiene, por tanto, 60 canales vocales.

Canal vocal

Ancho de banda (kHz)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0-4 4-8 8-12 12-16 16-20 20-24 24-28 28-32 32-36 36-40 40-4460 canales 300 canales 900 canales

1 (12 can.) 2 (12 can.) 3 (12 can.) 4 (12 can.) 5 (12 can.) 1 (60 can.) 2 (60 can.) 3 (60 can.) 4 (60 can.) 5 (60 can.) 1 (300 can.) 2 (300 can.) 3 (300 can.) 1 (900 can.) 2 (900 can.) 3 (900 can.)


Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin 53 12 44-48 Grupo Secundario Ancho de Banda Ancho de Banda 240 kHz Grupo Terciario Ancho de Banda 48 kHz 1200 kHz Grupo Cuaternario Ancho de Banda 3716 kHz 12026 kHz2700 canales

Grupo Primario

Grupo Quinario Ancho de Banda

Tabla II. Esquema de multiplexin por divisin de frecuencia de la UIT-T para canales telefnicos

El siguiente nivel, denominado grupo terciario, se forma con 5 grupos

secundarios que modulan 5 portadoras. Transporta 300 canales Al multiplexar 3 grupos terciarios se forma el grupo cuaternario, con 900

canales. Por ltimo al agrupar 3 grupos cuaternarios se forma el grupo quinario. Este

ltimo grupo contiene 2700 canales vocales. La aparicin de la fibra ptica y la introduccin de tcnicas de modulacin digital desbancan a los sistemas de multiplexin por divisin de frecuencia, que estn siendo sustituidos por los de multiplexin por divisin de tiempo.4.5 Multiplexin por divisin de cdigo (CDM)

En este caso cada comunicacin que se transmite sobre el mismo medio utiliza un cdigo distinto. As se podr extraer la seal deseada, que ser la que est codificada de un modo concreto, y rechazar todo lo dems como si se tratara de un ruido superpuesto. Cada tiempo de bit se subdivide en m intervalos ms cortos (minibits o chips). El nmero de intervalos en cada bit depender del nmero de comunicaciones que se pretendan transmitir sobre el mismo medio. Cada comunicacin tiene asignada una secuencia cdigo concreta con m dgitos, que servir para codificar un 1 lgico. Cuando quiera transmitir un 1 enva esta secuencia y cuando quiera transmitir un 0 enva la secuencia complementaria. Estas secuencias tienen la particularidad de ser ortogonales en pares. As que el producto escalar normalizado de dos secuencias distintas de chipsArquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

54 Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin siempre resultar 0. Cuando se transmiten simultneamente varias comunicaciones sus seales se suman linealmente. Para recuperar informacin de una comunicacin en concreto el receptor debe conocer la secuencia de minibits de su interlocutor. El receptor calcula el producto escalar normalizado de la secuencia recibida, que ser la superposicin de todas las transmitidas, con la secuencia cdigo del transmisor. Esto, por la propiedad de linealidad, equivale a realizar el producto de cada secuencia transmitida por separado y luego sumar los resultados. Si se realizara por separado el producto de la secuencia de cada comunicacin con la secuencia cdigo dara 0 en todos los casos en los que no coincidieran ambas. Por tanto si el resultado del producto escalar que realiza el receptor es 0 se transmiti un 0, si el resultado es 1 se transmiti un 1. Para conseguir que este mtodo funcione bien lo primero ser conseguir una correcta sincronizacin de las transmisiones involucradas. Habr tambin que limitar los efectos del ruido, por ejemplo utilizando secuencias de chips suficientemente largas y usando cdigos correctores de errores. Por ltimo, sealar que los niveles de potencia recibidos de todas las comunicaciones deben ser iguales. Esta potencia depender de la distancia entre emisor y receptor. Esta tcnica de multiplexin es utilizada en el enlace radio de algunos sistemas de telefona mvil, as se permite a distintos terminales acceder a la red compartiendo radiocanales. Se conoce como CDMA (acceso mltiple por divisin de cdigo).4.6 Multiplexin por divisin de tiempo (TDM) 4.6.1 Fundamentos

Esta tcnica consiste en dividir el tiempo de transmisin de un canal de comunicacin en subcanales independientes entre s. De esta forma, como indica la figura 35, a cada subcanal se le asigna un intervalo de tiempo, dentro del tiempo de transmisin total, durante el cual la nica informacin que se transmite por el medio pertenece a este subcanal. Se asigna toda la capacidad a transmitir a un subcanal concreto durante el intervalo de tiempo reservado para l. En el canal de transmisin se crean ranuras o intervalos de tiempo. Puede existir existir un equipo multiplexor encargado de decidir qu comunicacin ocupar cada una de estas ranuras y as en cada subcanal de comunicacin se envan datos de unaArquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin 55 comunicacin distinta. Cuando la asignacin de subcanales es esttica en el medio fsico compartido, se forma una estructura peridica, llamada generalmente trama, con los distintos intervalos de tiempo que contendrn los datos aportados por las diferentes comunicaciones, como se observa en la figura 35. Para caracterizar la trama se indicar el tiempo necesario para transmitirla por el canal y por supuesto la capacidad que se necesita en el medio de transmisin depender del nmero de subcanales que la conforman y del nmero de bits asignados a cada uno.

Cuestin 27. Podra utilizarse multiplexin en tiempo en transmisiones asncronas?

Por qu?

Una de las ventajas de la multiplexin por divisin de tiempo es que se puede aprovechar el tiempo existente entre la transmisin de dos muestras consecutivas del mismo subcanal. Si se toma una muestra de una seal analgica cada 125s, se podrn muestrear, durante el resto del tiempo, otros canales diferentes. Se podra ver como si se estuviera utilizando un conmutador rotativo en el transmisor. ste tomar secuencialmente muestras de cada seal, correspondiente a cada subcanal, que se transmitirn por el medio, utilizando ste de forma exclusiva. En el receptor existir otro conmutador rotativo similar, sincronizado con el del transmisor, para pasar las muestras al equipo apropiado.



4

3

2

1

C bps

4

3

2

1

C bps

MUX

4444333322221111 tiempo0 +4 0 +3 0 +2 0 + 0

4

3

2

1

C bps

C *4 bps

4

3

2

1

C bps tiempo

0 +4

0 +3

0 +2

0 +

0

Figura 35. Multiplexin por divisin de tiempo

Para el armado de las tramas y el sincronismo existen dos formas de adjudicar las ranuras de tiempo. 1. Entrelazado o entramado de bits (dgitos).

Cada intervalo de tiempo se ajusta para que transporte un solo bit de cada terminal. Se utiliza especialmente cuando se combinan flujos de datos provenientes de terminales semejantes. Es sencilla y econmica en cuanto a la electrnica ya que no requiere almacenamiento de cada carcter ni funciones adicionales. 2. Entramado o entrelazado de octetos (caracteres)

Se usa cuando las seales estn compuestas por un grupo de octetos o caracteres que, por razones operativas, es conveniente preservar en su integridad. El conmutador rotativo del multiplexor deber detenerse en cada canal mientras est siendo transferido el carcter. Si los datos llegan continuamente ser necesario algn tipo de almacenamiento local para acumular las seales mientras se espera la siguiente transferencia. La multiplexin por divisin de tiempo facilita la multiplexin de subcanales con distintas capacidades, ya que existen variantes en las que la asignacin del intervalo de tiempo es ponderada, de modo que algunos canales utilizan ms intervalos que otros por necesitar mayor capacidad.Arquitectura de Redes Sistemas y Servicios Cuestin 28. Adems de utilizar Curso 2010/11

distinto nmero de intervalos de tiempo sera

Isabel Romn Martnez posible utilizar intervalos de tiempo de distinto tamao? Qu ventajas aportara?

Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin 574.6.2 Multiplexin estadstica por divisin de tiempo

Con esta tcnica se trata de aprovechar mejor la capacidad de transmisin de los enlaces. Utilizando la multiplexin por divisin de tiempo tradicional los intervalos de tiempo en la trama estn reservados para una comunicacin en concreto, con lo que no se utiliza cuando la misma est inactiva y no transmite nada, pues esa parte de la trama sigue reservada a ese canal y sin embargo no contendr informacin. Esta asignacin de canales se denomina esttica o determinista. Este inconveniente se resuelve al utilizar multiplexin estadstica, en este caso la asignacin de intervalos de tiempo a cada comunicacin no es fija sino que depende de los requisitos de cada comunicacin en cada instante. Los intervalos de tiempo, por tanto, son asignados ahora en forma dinmica y segn la demanda de los usuarios y no de forma esttica como en la multiplexin determinista.

Cuestin 29. Si la asignacin es estadstica ser la trama una estructura

peridica?

Se denominan multiplexores estadsticos porque a los terminales se les asigna un tiempo de transmisin en el canal segn una base estadstica y no igual, por tanto, para cada terminal. Esta base estadstica se determinar en funcin de la actividad que en cada momento tienen los terminales. Mientras que con multiplexin determinista las tramas son rgidas y siempre iguales (asignando intervalos de tiempo de transmisin a cada subcanal en todas las tramas, aunque no haya actividad en alguno) con la multiplexin estadstica los intervalos dentro de la trama se adjudican en funcin de la demanda y por tanto no se pueden identificar estructuras de multiplexin peridicas. Las tramas formadas son ahora distintas ya que los intervalos no pertenecen en exclusiva a un canal en todas las tramas. Se aprovecha mejor la capacidad de transmisin. La multiplexin estadstica tambin se denomina multiplexin asncrona (ATDM) debido a que se asignan los espacios de tiempo disponibles en las tramas en funcin de la demanda y en forma dinmica y la informacin de un mismo canal no se envan a la lnea de transmisin con periodicidad fija, como puede observarse en la figura 36 (no debe interpretarse que la transmisin sea asncrona). Esta multiplexin es ms eficiente en el uso de los canales de comunicacin ya que se asignan los recursos del canalArquitectura de Redes Sistemas y Servicios Curso 2010/11 Isabel Romn Martnez

58 Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin conforme a las necesidades de cada estacin. Sin embargo la administracin de asignacin de ranuras es ms complicada.

2

1

C bps

1

C bps

MUX

2 2 3 1 1 2 1 1 tiempo0 +4 0 +3 0 +2 0 + 0

3

2

1

C bps

C *2 bps

2

1

C bps tiempo

0 +4

0 +3

0 +2

0 +

0

Figura 36. Multiplexin por divisin de tiempo estadstica

Se observa que el nmero de ranuras de tiempo que el multiplexor tiene en la trama suele ser menor que el nmero de terminales a la entrada del medio a compartir. Esto es as porque se cuenta con que no todos los terminales van a transmitir al mismo tiempo. Pero si en un momento determinado todos los equipos quieren enviar simultneamente datos alguno deber esperar. As los datos a enviar deben almacenarse temporalmente en un buffer o memoria tampn. Continuando con la analoga del conmutador rotativo, el multiplexor sondear estas memorias y armar la trama con los datos almacenados en ellas. Si la cantidad de memorias con datos a enviar fuese menor que el nmero de ranuras todos los datos que estn en ellas son transmitidas. Si fuera mayor se toman los datos hasta que se llena y el resto queda para la siguiente trama. La eficiencia de estos equipos se basa en que no todos transmitirn al mismo tiempo, con lo que no tendrn que esperar demasiado tiempo en esta memoria y al mismo tiempo se evitan los tiempos muertos de transmisin durante los periodos de inactividad. Esta tcnica de multiplexin se emplea ampliamente en redes de datos, ya que es la que mejor aprovecha la capacidad del canal, aunque tiene ciertos inconvenientes si el trfico de los canales que comparten el mismo medio fsico es elevado en todos ellos.


Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin 59

Cuestin 30. En una red local de tipo ethernet con topologa en bus hay

multiplexin? Y si la hay de qu tipo? Existe en este caso un equipo multiplexor?


60 Conceptos bsicos de transmisin y digitalizacin Ejercicios 1. Las tablas que tiene a continuacin muestran las bandas de frecuencia y las modulaciones especificadas en el estndar DOCSIS, utilizado en redes de cable. Analcelas y calcule la relacin Baudios/bits por segundo en cada una de las modulaciones mostradas.Canal Descendente Banda Canal Modulacin USA UE Vel. Transm. 6 MHz (USA) 5.2 Msim/s 8 MHz (UE) 6.9 Msim/s 64-QAM 31.2 Mbit/s 256-QAM 41.6 Mbit/s

42-850 MHz 6 MHz

65-850 MHz 8 MHz

64-QAM (6 b/simbolo) 256-QAM (8 b/simbolo) (ms rpido y ms sensible ruido)

41.4 Mbit/s

55.2 Mbit/s

2. Dnde se utiliza tpicamente el cable de pares? 3. Indique usos tpicos de cable coaxial 4. Calcule la capacidad mxima de un canal telefnico si la SNR mnima es de 30dB 5. El bucle de abonado se ha explotado tradicionalmente utilizando una tcnica de modulacin analgica, segn el modelo de las comunicaciones qu elementos ser necesario modificar o aadir para utilizar transmisin digital? 6. Indique las ventajas e inconvenientes de la multiplexin por divisin en el tiempo estadstica frente a la determinista. Indique ejemplos de uso de cada una de estas tcnicas. 7. Qu es un sistema full-dplex? El bucle de abonado es full-dplex? 8. Indique ejemplos de sistemas dplex, semidplex y smplex


arquitectura de redes sistemas y servicios

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