transmision de datos yanedis gerardino unad

Transmisión de Datos

Yanedis GerardinoRedes Locales Basico

Universidad Nacional Abierta y a DistanciaCead Valledupar

2012

2

El éxito de la transmisión depende de:◦ La calidad de la señal que se transmite◦ Características de medios de transmisión

Transmisión de Datos

3

La transmisión de datos ocurre entre un transmisor y un receptor a través de un medio de transmisión.

El medio de transmisión puede ser guiado o no guiado.

En ambos casos la comunicación es en forma de ondas electromagnéticas.

Terminología

4

Las ondas son guiadas a lo largo de un camino físico:

Ejemplos:◦ Par trenzado◦ Cable coaxial◦ Fibra óptica

Medios guiados

5

Proveen un medio para la transmisión de ondas electromagnéticas pero sin guiarlas:

Ejemplos:◦ Aire◦ Agua◦ Vacío

Medios no guiados

6

Enlace Directo (direct link) Camino de transmisión entre 2 dispositivos en el cual la señal se propaga directamente del transmisor al receptor sin dispositivos intermedios.

Puede incluir sólo amplificadores y/o repetidores.

Terminología

7

Un medio guiado de transmisión es: Punto a punto, si provee un enlace directo

entre 2 dispositivos y estos son los únicos dispositivos que comparten el medio.

Multipunto, cuando más de dos dispositivos comparten el medio.

Terminología

8

Transmisor/Receptor

Amplificadoro Repetidor Medio

Transmisor/Receptor

0 o más

• Punto a Punto

• Multipunto

Medio

Transmisor/Receptor

Transmisor/Receptor

…..

MedioAmplificadoro Repetidor

Transmisor/Receptor

Transmisor/Receptor

…..

Medio

0 o más

Configuración de transmisiones guiadas

9

La transmisión puede ser: ◦ simplex◦ half-duplex◦ full-duplex

Terminología

10

Se usa cuando los datos son transmitidos en una sola dirección. Ejemplo: radio.

Simplex

11

Se usa cuando los datos transmitidos fluyen en ambas direcciones, pero solamente en un sentido a la vez. Ejemplo?

Half-Duplex

12

Es usado cuando los datos a intercambiar fluyen en ambas direcciones simultáneamente. Ejemplo: ?

Full-duplex

Teléfono

13

Una señal puede ser expresada como una función:

s(t), en función del tiempo s(f), en función de la frecuencia

Frecuencia, Espectro y Ancho de Banda

14

Una señal s(t) es continua si:◦ La señal varia durante el tiempo pero tiene una

representación para todo t. Una señal es discreta si:

◦ está compuesta de un número finito de valores

Con respecto al tiempo

15

Con respecto al tiempo

Señal Continua

Señal Discreta

16

Un señal s(t) es periódica si y sólo si:

s (t + T) = s(t) -∞ < t < +∞donde T es el periodo de la señal.

Conceptos básicos de señales

17

Las 3 características más importantes de una señal periódica son:

1. Amplitud2. Frecuencia3. Fase


18

Amplitud.◦ Es el valor instantáneo de una señal en

cualquier momento. ◦ En transmisión de datos, la amplitud está

medida en volts.


19

Frecuencia.◦ Es el inverso del perido (1/T)◦ Representa el número de repeticiones de un

periodo por segundo.◦ Expresado en ciclos por segundo, o hertz (Hz).


20

t

T1/f1

A

A

T1/f1

t

Señales periódicas

T : periodoA : Amplitudf : frecuencia1

21

Fase.◦ Es una medida de la posición relativa en el

tiempo del periodo de una señal.


22

Ejemplo de una diferencia de fase

t

La diferencia de fase es de π/2 radianes

π /2

2π

23

Una señal senoidal puede ser expresada como:

s(t) = A sin (2 πf1t + θ)

A es la amplitud máximaf1 es la frecuencia

θ es la faseRecordemos que: 2π radianes = 360º = 1 periodo


A

T1/f1

t

s(t) = A sin (2πf1t) ó

s(t) = A cos (2πf1t - π/2)

24

Por ejemplo, para la señal: s(t) = sin (2πf1t) + 1/3 sin (2π(3f1)t)

los componentes de esta señal son ondas senoidales de frecuencias f1 y 3f1 respectivamente.

Con respecto a la frecuencia

25

s(t) = sin (2πf1t) + 1/3 sin (2π(3f1)t)

1/3 sin (2π(3f1)t)

sin (2πf1t)

0.5 1.0 1.5 2.0T

0.5 1.5 2.0T

0.5 1.0 1.5 2.0T

1.0

0.5

0.0

-0.5

-1.0

1.0

0.5

0.0

-0.5

-1.0

1.0

0.5

0.0

-0.5

-1.0

26

La segunda frecuencia es múltiplo de la primera.

Cuando todas las frecuencias en los componentes de una señal son múltiplos de una frecuencia, a esta última se le conoce como frecuencia fundamental.

Observaciones

27

El periodo de la señal total es igual al periodo de la frecuencia fundamental.

Como el periodo del componente sin (2πf1t) es T = 1/ f1, entonces el periodo

de s(t) es también T.

Observaciones

28

El análisis de Fourier, permite demostrar que cualquier señal está formada por componentes de diferentes frecuencias, en donde cada componente es una senoidal.

Observaciones

29

El espectro de una señal es el rango de frecuencias que ésta contiene.

Para el ejemplo anterior, el espectro va de f1 a 3f1.

El ancho de banda absoluto de una señal está dado por el tamaño del espectro. En el ejemplo, el ancho de banda es de 2f1.

Terminología

30

Los componentes de frecuencia en una señal cuadrada están dados por:

s(t) = A x ∑k=1 1/k sin (2πkf1t)

para k impar. Entonces, el número de componentes de

frecuencia es infinito; por lo tanto, el ancho de banda también es infinito.

Señal cuadrada

∞

31

Sin embargo, la amplitud del k-ésimo componente de frecuencia kf1, es 1/k.

Por lo tanto, la mayor parte de la energía en este tipo de onda está en los primeros componentes de frecuencia.

Señal cuadrada

32

Supongamos que un sistema transmite señales con un ancho de banda de 4 MHz.

Queremos transmitir una secuencia de 1s y 0s usando los primeros 3 componentes de la señal cuadrada.

¿Qué tasa de transmisión de datos es posible alcanzar?

Relación entre el ancho de banda y la tasa de transmisión

33

Primeramente, ¿Cuál sería la representación de la señal a transmitir?

¿Cuál es la frecuencia fundamental f1 para un ancho de banda de 4Mhz

f1 = 106 ciclos/segundo = 1 MHz?


34

T = 1/10 =10 = 1μsec. Tasa de transmisión = 2b/T Tx= 2 Mbps. Entonces, con un ancho de banda de 4 Mhz,

es posible alcanzar una tasa de transmisión de 2 Mbps.


6 -6

35

Realizar el mismo análisis con un sistema capaz de transmitir con un ancho de banda de 8 MHz.

Primeramente, buscar el valor de f1 máximo.

En este caso, si duplicamos el ancho de banda, duplicamos la tasa de transmisión posible.


36

Usando los 2 primeros componentes de frecuencia de la señal cuadrada, calcular la tasa de transmisión y el ancho de banda resultantes, con f1 = 2 MHz.


37


Componentes de la señal cuadrada

Frecuencia Ancho de Banda Tasa detransmisión

3 1 MHz 4 MHz 2 Mbps



38

Una señal digital tiene un ancho de banda infinito.

Si intentamos transmitir esta señal sobre un medio, la naturaleza del mismo limitará el ancho de banda que puede ser transmitido.

Para cualquier medio, entre mayor es el ancho de banda que permite, mayor su costo.

Conclusiones

39

La información digital debe ser aproximada por una señal con un ancho de banda limitado.

Limitar el ancho de banda, genera distorsión de la información.

Si la tasa de transmisión de la señal digital es de W bps, entonces, una buena representación de la señal puede ser alcanzada con un ancho de banda de 2W Hz.

Conclusiones

40

Entre mayor sea el ancho de banda de un sistema de transmisión, mayor será la tasa de transmisión alcanzable por dicho sistema.

Conclusiones

41

Atenuación: Una señal, al ser propagada por un medio, sufre de pérdida o atenuación de su potencia.

Es necesario el uso de amplificadores.

Potencia de la señal

42

Para expresar pérdidas y ganancias se utilizan los decibeles.

El decibel es la medida de la diferencia de dos niveles de potencia.

Ndb = 10 log10 (P2 / P1)


43

Calcule la pérdida en decibeles de una señal cuya potencia inicial es de 10 mW. Esta potencia después de cierta distancia es de 5 mW.

Una pérdida de 1000 W a 500 W es también de -3dB.

Entonces, una pérdida de 3 dB reduce a la mitad la magnitud y una ganancia de 3 dB duplica la magnitud.


44

El decibel es usado también para medir diferencias de voltaje. (P = V2 / R.)

Ndb = 20 log10 (V2 / V1)


45

El decibel hace referencia a magnitudes relativas o cambios en la magnitud y no a un nivel absoluto.

Es importante poder hacer referencia a valores absolutos de potencia y voltaje en decibeles y así facilitar los cálculos de pérdidas y ganancias.


46

El dBW (decibel-watt) es usado para referirse al nivel absoluto de potencia en decibeles, y se define como:

Power(dBW) = 10 log (Power(W)/ 1W)

El valor de 1 W es escogido como referencia y definido como 0 dBW.


47

Por ejemplo: Una potencia de 1000 W es equivalente

a __ dBW. Una potencia de 1 mW es equivalente a

__ dBW.


48

El dBmV (decibel-milivolt) es usado para referirse al nivel absoluto de voltaje en decibeles, y se define como:

Power(dBmV) = 20 log (Voltage(mV)/ 1mV)

El valor de 1 mV es escogido como referencia y definido como 0 dBmV.


49

Considere un enlace punto a punto que consiste de una línea de transmisión y un amplificador en medio. Si la pérdida en la primera parte de la línea es de 13 dB, la ganancia del amplificador es de 30 dB, y la pérdida en la segunda parte de la línea es de 40 dB, calcule la pérdida (o ganancia) total en dB.

Ejemplo 1

50

Ejemplo 1

1mW

-13 dB

30 dB

-40 dB

51

Ejemplo 2

a) ¿Cuál es la pérdida o ganancia total del sistema?b)

R=50 ohms R=50 ohms

V1= 8 v V3= 16vV2= 4v

P1=? P2=?

NdB=?

P3=?

NdB=? NdB=? NdB=? NdB=?

P6= 0.4 w

V5= 30v

V4= ?

P4= 2 w P5=?

V6= ?

52

Analógico ⇔ ContinuoDigital ⇔ Discreto

Transmisión Analógica y Transmisión Digital

53

Datos: Entidades que poseen un significado. Señales: Codificación eléctrica o

electromagnética de datos. Señalización: Es el acto de propagar la señal

a lo largo de un medio. Transmisión: Es la comunicación de datos a

partir de la propagación y procesamiento de señales.

Definiciones

54

Datos analógicos: Toman valores continuos en un intervalo dado.

Ejemplo: voz y video. Datos digitales: Toman valores discretos. Ejemplo: código ASCII.

Datos

55

En un sistema de comunicaciones, los

datos son propagados de un punto a otro a

través de señales eléctricas. Una señal analógica es una onda

electromagnética propagada a través de

diferentes medios, dependiendo de su

espectro.

Señales

56

Una señal digital es una secuencia de

pulsos de voltaje transmitido a través de un

medio guiado.

Señales

57

Señales analógicas Representan datos con ondaselectromagnéticas que varían constantemente

Datos analógicos

Datos digitales

Señales Digitales y Analógicas de Datos Analógicos y Digitales

Pulsos deVoltaje Binario

Módem SeñalAnalógica

(FrecuenciaPortadora)

TransmisiónAnalógica

TransmisiónDigital

Voz(Ondas de Sonido)

Teléfono SeñalAnalógica

TransmisiónAnalógica

58

Señales digitales Representan datos con secuencia de pulsos de voltaje

Datos analógicos

Señales Digitales y Analógicas de Datos Analógicos y Digitales

Datos digitales

Datos Digitales

Transmisordigital

SeñalDigital

TransmisiónDigital

SeñalesAnalógicas (voz)

CODEC SeñalDigital

59

Se transmiten señales analógicas sin importar su contenido.

Las señales analógicas transmitidas pueden representar:

◦Datos analógicos (e.g., voz).◦Datos digitales (e.g., datos binarios que pasan por un módem).

Transmisión Analógica

60

Después de cierta distancia, la señal analógica pierde potencia (atenuación).

Es necesario el uso de amplificadores. Desventaja: amplifican también el ruido. Lo anterior no representa mayor

problema en el caso de datos analógicos, y sí en el caso de datos digitales.

Transmisión Analógica

61

En este tipo de transmisión el contenido de la señal es de vital importancia.

Al transmitir una señal digital, el problema de atenuación es resuelto con repetidores.

Un repetidor recupera el patrón de 1’s y 0’s y retransmite una nueva señal digital.

Transmisión Digital

62

La misma técnica es usada para transmitir digitalmente una señal analógica. Se asume que codifica datos digitales.

El sistema de transmisión cuenta con repetidores en lugar de amplificadores.


63

El repetidor recupera los datos digitales de la señal analógica y genera una nueva señal analógica; de esta manera el ruido no se acumula.


64

Dos alternativas: 1. La señal ocupa el mismoespectro que los datos analógicos2. Los datos analógicos están codificados para ocupar una porción diferente del espectro.

Los datos digitales son codificados utilizando un módem para producir una señal analógica.

Los datos analógicos son codificados utilizando un codec para producir un flujo de bits digital.

Dos alternativas: 1. La señal consiste de dos niveles de voltaje para representar los dos valores binarios.2. Los datos digitales están codificados para producir una señal digital con propiedades deseadas.

Transmisión Digital y Analógica

Señal Analógica Señal DigitalD

atos

Ana

lógi

cos

Dat

os D

igita

les

a) Datos y Señales

66

1 Atenuación

2 Distorsión por retraso

3 Ruido

Problemas en la transmisión

67

La potencia de la señal se debilita con la distancia al viajar a través de cualquier medio de transmisión.

Atenuación

68

Es un fenómeno particular propio de los medios guiados de transmisión.

El tiempo de propagación de una señal varía con la frecuencia.

La velocidad es mayor cerca de la frecuencia central y menor en las orillas de la banda.

Distorsión por retraso

69

Por lo tanto algunos componentes de frecuencia de una señal llegan al receptor en tiempos diferentes.

A este fenómeno se le conoce como interferencia entre símbolos el cual es una limitante mayor para alcanzar máximas tasas de transmisión.

Distorsión por retraso

70

Es una señal no deseada que acompaña la transmisión de una señal.

Es el factor principal que limita el desempeño de un sistema de comunicaciones.

Ruido

71

Ruido térmico

Ruido intermodular

Crosstalk

Ruido por impulsos

Se clasifica en 4 categorías:

72

Está en función de la temperatura.

Es causado por una agitación térmica de los electrones en un conductor.

Está presente en todos los dispositivos electrónicos.

Ruido térmico

73

Está distribuido de manera uniforme a través del espectro de frecuencias.

Es conocido como ruido blanco. No puede ser eliminado; por lo tanto impone

una cota superior en el desempeño de un sistema de comunicaciones.

N=kTW (Ruido en Watts)k=Boltzmann´s constant=1.3803x10-23 J/°KT= Temperatura en KelvinW= Ancho de Banda

N=10logk+10logT+10logW (Ruido en Decibel-Watts)N= -228.6dBW+10logT+10logW

Ruido térmico

74

Calcular el ruido en decibeles/watts que se mide en la salida de una transmisión si se tiene una temperatura de 100 °k y un ancho de banda de 10 Mhz.

-138.6 dBw

Ruido térmico

75

Ocurre cuando señales a diferentes frecuencias comparten el mismo medio de transmisión.

Este tipo de ruido produce señales a una frecuencia que puede ser la suma o la diferencia de las 2 frecuencias originales o múltiplos de esas frecuencias.

Ruido Intermodular

76

Por ejemplo, la combinación de las señales con las frecuencias f1 y f2 pueden producir una señal con frecuencia f1 + f2. Esta señal puede interferir con la señal intencionada con frecuencia f1 + f2.

Ruido Intermodular

77

Ruido por Intermodulación

0.5 1.0 1.5 2.0T

0.5 1.5 2.0T

f1

f2

mix

f1+f2

La mezcla de f1 y f2 puede interferir con f1 + f2

78

Ejemplo: Cuando una tercera conversación no deseada entra durante una llamada telefónica.

Se debe al acoplamiento eléctrico de las señales.

Crosstalk

79

No continuo, compuesto por pulsos irregulares de poca duración y de gran amplitud.

Causada por factores electromagnéticos externos como relámpagos y por deficiencia en el sistema de comunicaciones.

Es la principal fuente de error en la transmisión de señales digitales.

Ruido por impulsos

80

Nos interesa saber de qué manera los problemas de transmisión previamente mencionados afectan la tasa de transmisión de un sistema de comunicaciones.

Definimos la capacidad del canal como la tasa a la cual pueden ser transferidos los datos, a través de dicho canal.

Capacidad del canal

81

Parámetros que afectan:◦ Tasa de transmisión (bps)◦ Ancho de Banda (Hz)◦ Ruido ◦ Tasa de error

Capacidad del canal

82

Considere un canal libre de errores. La tasa de transmisión está limitada por el

ancho de banda de la señal. La formula de Nyquist:

Dado un ancho de banda W, la máxima tasa de transmisión que puede ser alcanzada es 2W.

Esta limitante se debe a la distorsión por retraso.

Capacidad del canal

83

Considere la transmisión vía módem de datos digitales. Asuma un ancho de banda de 3100 Hz. Entonces la capacidad C del canal es de 2W = 6200 bps.

Si usamos una señal con 4 niveles de voltaje entonces, cada nivel de la señal puede representar 2 bits.

Ejemplo:

84

Por lo tanto, con señalización multinivel, la fórmula de Nyquist queda:

C = 2W log2Mdonde M es el número de niveles de

voltaje.

Para M = 8, entonces C = 18,600 bps.

Ejemplo:

85

Para un ancho de banda dado, la tasa de transmisión se puede incrementar aumentando el número de señales diferentes.

Sin embargo, esto ocasiona problemas en el receptor: tiene que distinguir entre las M posibles señales.

Los valores prácticos de M están limitados por los problemas de transmisión mencionados.

Conclusiones

86

Si la tasa de transmisión crece, más bits son afectados por un patrón de ruido existente.

A un nivel de ruido dado, un incremento en la tasa de transmisión, ocasiona un incremento en la tasa de error.

Relación entre la tasa de transmisión, ruido y tasa de error

87

La fórmula de Claude Shannon expresa:

(S/N)db = 10 log S NS=Potencia de la señalN=Potencia de Ruido Representa la relación de la potencia de

una señal con respecto a la potencia de ruido presente en un punto particular de la transmisión.

Relación entre la tasa de transmisión, ruido y tasa de error

88

Es medida en el receptor. Expresa la cantidad en decibeles por la

cual la señal deseada excede el nivel de ruido.

Una relación alta (S/N) significa una alta calidad de señal y un número bajo de repetidores intermedios requeridos.

Relación S/N

89

La relación señal-ruido es importante en la transmisión de datos digitales ya que representa una cota superior para la tasa de transmisión alcanzada.

Relación S/N

90

El resultado de Shannon muestra la máxima capacidad del canal en bits por segundo y obedece la siguiente ecuación:

C = W log2 (1 + S )

NEn donde: C es la capacidad del canal en bps y W es el ancho de banda en Hz.

Capacidad del canal

91

Considere un canal de voz para transmitir datos digitales vía módem.

Asuma un ancho de banda de 3100 Hz. Un valor típico para una línea VG (voice

grade) es de 30 dB o una relación de 1000:1.

Capacidad del canal

92

W = 3100 Hz(S/N)db = 30 dBC = 3100 log2 (1 + 1000)

= 30, 898 bps

Capacidad del canal

93

Si se tiene un canal cuyo espectro esta entre 3Mhz y 4Mhz y la relación (S/N)db de potencias entre señal y ruido es del 24dB encontrar la capacidad máxima del canal de acuerdo a la consideración de Shanon.

S/N=251 C=8Mbps

Capacidad del canal (Shanon y Nyquist´s)

94

Considerando que la tasa anterior puede alcanzarse y de acuerdo a la fórumula de Nyquist´s, ¿cuantos niveles de señalización serían necesarios?

M=16

Capacidad del canal (Shanon y Nyquist´s)

95

Lo anterior representa el máximo teórico que puede ser alcanzado.

En la práctica, sólo es posible alcanzar tasas inferiores.

Capacidad del Canal

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Esto, debido a que la fórmula de Shannon sólo asume ruido blanco; no incluye:

◦ Ruido por impulsos◦ Atenuación◦ Distorsión por retraso

Capacidad del Canal

97

La eficiencia está dada por la relación C/W (bits por hertz alcanzados).

Eficiencia de una transmisión digital

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