75.43 Introduccion a los Sistemas Distribuidos

Practica 2: Capa FısicaResumen

En los enlaces como Ethernet, Wi-fi o lıneas seriales que integran las redes de computado-ras, se utilizan esquemas de codificacion que traducen los bits de datos en una senal digital oanalogica que se transmite por el medio (par trenzado, fibra optica, etc). Las distintas codi-ficaciones existentes tienen varios objetivos, como ser: facilitar la sincronizacion entre emisory receptor, adaptarse a las caracterısticas del medio de transmision, complejidad e inmunidadal ruido. En esta practica se estudiaran varios esquemas de codificacion y sus propiedades,empleando el software de simulacion matematica Scilab, junto con el Data CommunicationsScilab Toolbox desarrollado en la materia, que puede descargarse de SourceForge. El tool-box implementa la capa fısica, con codificaciones digitales como NRZL, AMI y Manchester, yanalogicas como BPSK y QAM. Tambien se ejercitaran los teoremas de Nyquist y Shannon ylas caracterısticas de distintos medios de transmision.

1. Multiple Choice

1. Se transmite una tira de bits [1 1 1 ... 1], con una velocidad de transmision de 10 Mbps. Bajoestas condiciones, indique si las siguentes afirmaciones son verdaderas o falsas, justificandocada una.

a) La codificacion Manchester genera una senal cuadrada de perıodo igual a 0.2 us.

b) Si el medio de transmision es el aire y se emplea 802.11g, es posible emplear codificacionManchester.

c) La codificacion AMI genera una senal autosincronizada.

d) Usar codificacion HDB3 generarıa una senal sin componente continua, mientras que conAMI la senal resultante sı tendrıa componente continua.

e) Empleando una codificacion FSK de 2 sımbolos, el tiempo de baud es el doble del tiempode bit.

2. Fibras Opticas. Indique V o F y justifique.

a) Las fibras opticas multimodo tienen mayor ancho de banda que las monomodo.

b) Las fibras multimodo son de construccion mas costosa respecto a las monomodo debidoa su ancho nucleo.

c) Las fibras monomodo permiten alcanzar mayores distancias respecto a las multimodo.

d) El fenomeno de dispersion modal se produce solo en las fibras opticas multimodo, perono en las monomodo.

3. El siguiente grafico muestra el ancho de banda de una fibra optica en funcion de la distancia.La curva se ajusta a la funcion f(x) [Mhz] = 25

x[km] . ¿Cual es la maxima distancia a la que sepueden transmitir 80 Mbps de datos empleando una codificacion 4B5B? Nota: La codificacion

4B5B tiene 2 niveles, y cada 4 bits de datos agrega un quinto bit de control en la senal.

a) 0, 25km.

b) 0, 5km.

c) 1km.

d) 1, 5km.

e) 2km.

f ) 2, 5km.

g) Ninguna de las anteriores.

4. Medios de transmision. Indique V o F y justifique.

a) El trenzado de los hilos de un cable UTP se realiza con el fin de brindar proteccioncontra interferencias electromagneticas.

b) El ancho de banda del par trenzado disminuye con la distancia.

c) Para transmitir datos a traves del aire en la zona infrarroja del espectro (300 GHz) esnecesario contar con una licencia gubernamental.

d) El cable coaxil sufre menor atenuacion por km que el par trenzado.

e) Las interfaces de comunicaciones ‘balanceadas’ son mas inmunes al ruido que las ‘nobalanceadas’, pero implican mayores costos.

f ) Es posible transmitir datos a traves de un medio no guiado (p. ej el aire) empleando lazona del espectro correspondiente a la luz visible.

5. Se dispone de un canal con 30MHz de ancho de banda y un SNR de 10dB. Se quiere emplearuna codificacion PSK de N niveles y un data rate de (60 · log2 N)Mbps (es decir, la capacidaddel canal segun Nyquist). Indique que codificaciones se pueden emplear sin sobrepasar ellımite de Shannon.

64-QAM.

8PSK.

QPSK.

BPSK.

Ninguna de las anteriores.

2. Codificaciones digitales

En este punto y en el siguiente emplearemos el software Scilab y el Data CommunicationsScilab Toolbox. Cuando se pide graficar senales con el software, no es necesario que las dibuje enel informe.

Para los siguientes ejercicios, considerar una lınea de comunicaciones digital con un data ratede 20 Kbps.

1. Se transmitira la secuencia [1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1]. Obtenga la senal atransmitir codificada en: NRZL, AMI, HDB3, Manchester, Manchester Diferencial. Grafiquelas senales en el tiempo y obtenga conclusiones respecto a las ventajas y desventajas de cadaesquema.

2. Empleando las senales NRZL y AMI obtenidas en el punto anterior, agregue 8 dB de ruidoy grafique las senales resultantes. ¿Cual de ellas cree que es mas inmune al ruido? ¿A que sedebe?

3. A partir de una secuencia de 10000 bits al azar, obtenga la senal a transmitir en: NRZL,AMI, HDB3, Manchester, Manchester Diferencial, y muestre en un mismo grafico el espectroen frecuencia de todos los esquemas. Obtenga conclusiones.

4. Elabore una tabla comparativa sintetica entre los esquemas anteriores, calificando: sincronizacion,ancho de banda, complejidad, componente continua, inmunidad al ruido.

3. Codificaciones analogicas

Considerar ahora un canal de comunicacion inalambrico que emplea dos antenas y trabaja conuna frecuencia de portadora de 2.0 MHz, con un ancho de banda de 200 KHz (es decir, el rangode frecuencias es [1.9 MHz-2.1 MHz]).

1. Dada la secuencia [0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0], codifiquela en BPSK y 8PSK con un data rate de100 kbps. Grafique las senales en el tiempo y obtenga conclusiones respecto a las ventajas ydesventajas de cada esquema. Complete la siguiente tabla.

Codificacion fc Data Rate tbit tbaud

BPSK 1.5 MHz 100 Kbps8PSK 1.5 MHz 100 Kbps

2. Complete la siguiente tabla general, expresando tbit y tbaud en funcion de las variables f yDR.

Codificacion fc Data Rate tbit tbaud

BPSK f DR8PSK f DR64-QAM f DR

3. A partir de una secuencia de 10000 bits al azar, obtenga la senal a transmitir en: BPSK,QPSK y 8QAM, con un data rate de 100 kbps. Muestre en un mismo grafico el espectro enfrecuencia de los 3 esquemas y responda:

(a) ¿Cual requiere menor ancho de banda?

(b) ¿Como se relaciona el ancho del primer lobulo con el tbaud?

4. (Lımite de Nyquist) Genere una secuencia de 1000 bits y codifıquela en BPSK, pero ahoracon un data rate de 800 kbps.

Decodifique la senal resultante y indique el porcentaje de bits que coinciden con lasecuencia original. Ayuda: La funcion sum calcula la suma de todos los elementos de un vector.

Simule el ancho de banda real del cable. Para ello, debera filtrar la senal en el rangode frecuencias [1.9 MHz-2.1 MHz]. Grafique en el tiempo y en frecuencia la senal yafiltrada. Explique que sucedio con la senal al atravesar el medio fısico.

Decodifique la senal que sale del medio fısico y calcule la tasa de error.

Repita los items anteriores con un data rate de 400 kbps y extraiga conclusiones.

5. Suponiendo que este canal es libre de ruido,

(a) ¿Puede transmitirse por BPSK a 600 kbps?

(b) ¿Cual es la maxima velocidad de transmision empleando BPSK?

(c) ¿De que forma puede incrementarse la velocidad de transmision? ¿Existe algunlımite?

6. Si consideramos ahora que el canal tiene un ruido tal que el SNR es de 20 dB, ¿Cual es lamaxima velocidad de transmision empleando BPSK impuesta por el lımite de Shannon?

Tener en cuenta:

Modalidad: La practica se realiza en grupos de 2 o 3 personas. Cada alumno entregara uninforme individual con el desarrollo de todos los puntos anteriores.

Entrega: El informe se entrega al finalizar la clase, o bien el viernes 03/09. Los alumnosausentes a la clase deberan desarrollar la practica en su casa y entregarla el viernes 03/09.En caso de ausentarse en la fecha de entrega, deben hacer llegar el informe por algun medio,de lo contrario cuenta como entrega tarde (ver reglamento).

Asistencia: La asistencia a la clase se verifica al finalizar la misma, mostrando el trabajorealizado.

Funciones del toolbox:

datos=rand data(length) Genera un vector de datos binarios aleatorios

signal=c nrzl(datos, DR, amplitud) Codifica un vector de datos en NRZL, con undata rate DR y una determinada amplitud. Por defecto, DR=1 y amplitud=1.

signal=c nrzi(datos, DR, amplitud)

signal=c ami(datos, DR, amplitud)

signal=c b8zs(datos, DR, amplitud)

signal=c hdb3(datos, DR, amplitud)

signal=c manchester(datos, DR, amplitud)

signal=c manchester diff(datos, DR, amplitud)

signal=c bpsk(datos, DR, amplitud, fc) Codifica un vector de datos en BPSK, conun data rate DR y una determinada amplitud y frecuencia de portadora. Por defecto,DR=1, amplitud=1 y fc=1.

signal=c qpsk(datos, DR, amplitud, fc)

signal=c 8psk(datos, DR, amplitud, fc)

signal=c 8qam(datos, DR, amplitud, fc)

signal2=add noise(signal, db) Agrega un cierto nivel de ruido a una se~nal

plot time(signal) Grafica una se~nal en el tiempo

plot spec(signal1, signal2, ...) Grafica el espectro en frecuencia de 1 o masse~nales

signal2=filter(signal, frec inic, frec final) Filtra una se~nal con un pasabandasentre la frecuencia frec inic y la frecuencia frec final.

Permite simular el comportamiento de un medio fısico.

datos=d nrzl(signal) Decodifica una se~nal NRZL.

datos=d nrzi(signal)

datos=d ami(signal)

datos=d b8zs(signal)

datos=d hdb3(signal)

datos=d manchester(signal)

datos=d manchester diff(signal)

datos=d bpsk(signal)

datos=d qpsk(signal)

datos=d 8psk(signal)

datos=d 8qam(signal)

Referencias

[1] “Data and Computer Communications”, W. Stallings, 5ta Edicion, Cap. 4 - “Data Encoding”[2] “Redes de Computadoras”, A. S. Tanenbaum, 4ta Edicion, Cap.2 - “Capa Fısica”[3] http://www.scilab.org/download/5.1/scilab-5.1.bin.linux-i686.tar.gz (GNU/Linux),[4] http://www.scilab.org/download/5.1/scilab-5.1.exe (Windows 2000/XP/Vista, Marcar las

’Development Tools’ al instalarlo).[5] http://sourceforge.net/projects/data-comm/