Comunicaciones

REDES DE DATOS Temas: CAPA FÍSICA SEÑALES CODIFICACIÓN MEDIOS DE TRANSMISIÓN.

Teoría de la Información  Origen: Surge en los años 40, tras la Segunda Guerra Mundial, con el artículo de Claude E. Shannon Una teoría matemática de la comunicación (1948).  Antecedentes:  Andrei A. Markov (1910) con sus cadenas de probabilidad.  Ralph Hartley (1927), precursor del lenguaje binario.  Alan Turing (1936), con el concepto de máquina que procesa información mediante símbolos.  Shannon y Weaver establecieron el modelo de un sistema de comunicación y sus partes.  Se considera uno de los avances científicos más importantes del siglo XX.  Sus aplicaciones se extienden a la física, la química, la biología, la inferencia estadística, robótica, criptografía, computación, la lingüística, el reconocimiento de patrones, entre otros..

Teoría de la Información  Motivación: La creciente complejidad y masificación de medios como teléfono, teletipo y radio exigía una base teórica para optimizar la transmisión de mensajes.  Alcance: Se aplica a todas las formas de transmisión y almacenamiento de información: televisión, computadoras, grabación óptica de datos e imágenes.  Objetivo: Garantizar que el transporte masivo de datos mantenga la calidad, incluso con compresión, permitiendo la restauración de la información original en el destino. 3.

Partes de un sistema de comunicación Fuente: genera un mensaje a ser recibido en el destinatario. Transmisor: transforma el mensaje generado en la fuente en una señal a ser transmitida. En los casos en los que la información es codificada, el proceso de codificación también es implementado por el transmisor. Canal: cualquier medio que sirva para que la señal se transmita desde el transmisor al receptor (cable, fibra óptica, inalámbrica) Receptor: que reconstruye el mensaje a partir de la señal Destinatario: quien recibe el mensaje..

Partes de un sistema de comunicación 5 Fuente: A Mathematical Theory of Communication.

6 CAPA FISICA  Capa/Nivel uno del modelo OSI  Abarca la interfaz física entre dispositivos y las reglas/protocolos para el intercambio de bits. Función principal: transportar la señal entre dos componentes de la red a través de un medio de transmisión..

7 Características definidas en el Nivel Físico  Mecánicas: relaciona propiedades físicas de la interfaz con el medio de transmisión. Por ejemplo: especificación de conectores.  Eléctricas: relaciona presentación de bits (niveles de voltaje) y la tasa de transmisión de datos.  Funcional: especificación de funciones realizadas por circuitos individuales de la interfaz.  De procedimiento: especifica secuencia de eventos para el intercambio de bits..

8 Tipos de señales  Continua : la señal varía suavemente en el tiempo, no presenta saltos o discontinuidades  Discreta: se mantiene constante durante un intervalo determinado de tiempo, tras lo cual pasa a otro valor constante Amplitud (voltios) tiempo Amplitud tiempo.

9 Señales periódicas El tipo de señales mas sencillo a considerar son las periódicas, caracterizadas por tener un patrón que se repite a lo largo del tiempo. Una señal s(t) se llama periódica si s(t + T) = s(t) para -   t  +  Las figuras siguientes muestran dos ejemplos:  señal periódica continua (onda sinusoidal)  señal periódica discreta (onda cuadrada).

10 Es la señal continua fundamental. Presenta 3 parámetros que pueden variar :  Amplitud ( A ) : Es el valor de pico de la señal. En una señal eléctrica se mide en voltios.  Frecuencia ( f ) : Es la cantidad de veces que se repite en un intervalo de tiempo. Se mide en ciclos por segundo (c/s) o Herzios o Hertz (Hz). Un parámetro equivalente es el período (T), que se define como el intervalo de tiempo entre 2 repeticiones consecutivas de la señal. Por tanto T = 1/f  Fase ( ) : Es una medida de la posición relativa de la señal dentro de un período de la misma Onda Sinusoidal Φ.

11 El grafico muestra los efectos de la variación de los tres parámetros:.

12 En la práctica cada señal electromagnética está compuesta por distintas frecuencias. Espectro de una señal : es el conjunto de frecuencias que la componen Ancho de banda absoluto : es la anchura del espectro Ancho de banda efectivo : es el ancho de banda donde se concentra la mayor parte de la energía de la señal Señal Electromagnética.

13 1. Aunque la forma de onda de la señal contenga un rango de frecuencias, en la practica el medio de transmisión solo podrá transmitir una banda limitada de frecuencias. 2. Esto significa que la velocidad de transmisión máxima en el medio también está limitada.  Entonces:  Cuanto mayor sea el ancho de banda, mayor será el costo del medio de transmisión y mayor es la velocidad a que se pueden transmitir los datos en ese medio.  Cuanto menor sea el ancho de banda, mayor será la distorsión de la señal reconstituida y por lo tanto la posibilidad de cometer errores en el receptor. Velocidad de Transmisión y Ancho de Banda.

14 TRANSMISION DE DATOS Y SEÑALES  Los datos analógicos toman valores dentro de cierto intervalo continuo  La voz humana es un ejemplo clásico de datos analógicos. Está compuesta por ondas acústicas en el rango de frecuencias entre 20 Hz y 20 KHz  Los datos digitales toman valores discretos  Ejemplo: texto, definido por una secuencia de caracteres. Para transmitirlos se han definido códigos que permiten representar cada uno de ellos por una secuencia de bits (secuencia de señales eléctricas usando niveles de voltaje).

15 Transmisión de señales Los ejemplos anteriores corresponden a datos analógicos representados por señales analógicas o datos digitales representados por señales digitales. Otras posibilidades:  Datos digitales representados por señales analógicas : mediante un modem (modulador-demodulador) que convierte la secuencia de pulsos binarios en una señal analógica, variando algún parámetro de la señal llamada portadora. En el otro extremo de la línea se realiza el proceso inverso.  Datos analógicos representados por señales digitales : mediante un codec (codificador-decodificador) que aproxima la señal analógica a una secuencia de bits que se usan para reconstruir la señal..

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17 Problemas en la transmisión  En un sistema de comunicaciones real, la señal recibida difiere de la señal transmitida debido a distintas causas.  En una transmisión analógica esas causas provocan una degradación de la calidad de la señal.  En una digital provocan una inversión de la señal (0 en 1 y viceversa).  Las causas mas importantes son :  Atenuación  Distorsión por retardo  Ruido.

18 Atenuación : la potencia de la señal decrece con la distancia sobre cualquier medio de transmisión. Implica:  dificultad de detección por el receptor  mayor posibilidad de ser afectada por el ruido  distorsión Distorsión por retardo : la velocidad de propagación de la señal en un medio físico guiado varía con la frecuencia. Por tanto los componentes de frecuencia de una señal arriban al receptor a diferentes momentos Problemas en la transmisión.

19 Ruido : la señal recibida es modificada también por otras señales no deseadas que se incorporan en el trayecto del transmisor al receptor. Estas últimas pueden clasificarse en 4 categorías Problemas en la transmisión  ruido termal (o ruido blanco) uniforme para todas las frecuencias  ruido de intermodulación, producido por señales a diferentes frecuencias que comparten el mismo medio  crosstalk producido por acoplamiento de 2 señales transmitidas sobre medios muy cercanos  ruido impulsivo de corta duración y de relativamente gran amplitud.

20 Componentes de la capacidad de un canal Velocidad de datos en bits por segundo (bps) Ancho de banda de la señal transmitida, que está limitada por el transmisor y la naturaleza del medio de transmisión. (Ciclos por segundo (c/s) o Herz) Nivel medio de ruido a través del camino de transmisión. Tasa de error es la relación entre bits erróneos y total de bits transmitidos. = velocidad de transmisión.

21 Relación entre estos conceptos:  Cuando mayor es el ancho de banda, mayor es el costo del canal.  En la práctica todos los canales de transmisión disponibles están limitados en banda, ya sea por el medio o por limitaciones que se imponen al transmisor para evitar interferencias sobre otros canales.  Se trata de hacer el uso mas eficiente del ancho de banda disponible tratando de obtener la mayor velocidad de datos posible sin elevar la tasa de errores.  El mayor inconveniente para lograr esto es el nivel de ruido. Componentes de la capacidad de un canal.

22 Considerar  Que a mayor velocidad de transmisión, la duración de la señal básica se acorta y por lo tanto una onda de ruido impulsivo afectará mas bits. Esto aumentará la tasa de error. ¿Una solución a este problema será aumentar la energía de la señal?  Existe una relación (cociente) entre la potencia de la señal y la potencia del ruido en un punto determinado del medio de transmisión (típicamente se mide en el receptor), que se mide en decibeles - dB.

23 Baudio : es la cantidad de cambios de estados de la señal en un segundo (velocidad de modulación) Bits / segundo : es el número de bits enviados en un segundo (los valores son iguales a los de velocidad de modulación cuando se transmite un solo bit por cambio de estado de la señal) Unidades de medida.

24 ESQUEMAS DE CODIFICACIÓN 1. Datos digitales y señales digitales Señal digital : es una secuencia de pulsos discretos y discontinuos, donde cada pulso es un elemento de señal. Los datos binarios se transmiten codificando cada bit de datos en cada elemento de señal. La señal puede ser:  unipolar : los elementos de la señal tienen el mismo signo algebraico  bipolar : los elementos tienen un valor positivo y uno negativo.

25 Esquemas de codificación Tareas al interpretar las señales digitales en el receptor:  Conocer o determinar la duración de cada bit, es decir, cuando comienza y termina.  Determinar si el nivel para cada bit es alto (1) o bajo (0) Para mejorar la realización de estas tareas y la prestación del sistema, se utilizan distintos Esquemas de codificación.

26 Esquemas de codificación Un esquema de codificación es la correspondencia establecida entre los bits de los datos con los elementos de la señal. Los esquemas mas comunes son: » NRZ » Binario Multinivel » Bifase.

27 Esquemas de codificación NRZ (Nonreturn to Zero) En estos códigos el nivel de tensión se mantiene constante en la duración de un bit, sin retorno al nivel cero de tensión (sin transiciones). Variantes • NRZ-L (Nonreturn to Zero Level): codifica el bit 0 a nivel alto y el 1 como bajo. • NRZ-I (Nonreturn to Zero, invert on ones): un 1 se codifica mediante la transición al comienzo del intervalo y un 0 se representa con la ausencia de transición (Codificación diferencial)..

28 Esquemas de codificación Binario Multinivel Estos códigos usan mas de dos niveles de señal Ejemplos:  Bipolar- AMI: el 0 se representa por ausencia de señal y el 1 como un pulso positivo o negativo en forma alternada.  Pseudoternario: similar al anterior. El bit 1 se representa por la ausencia de señal y el 0 por pulsos positivos o negativos alternados..

29 Esquemas de codificación Bifase Estas técnicas fuerzan al menos una transición por cada bit en un periodo. Ejemplos  Manchester: la transición en la mitad del intervalo de cada bit sirve para sincronización a la vez que para transmitir datos. Transición bajo-alto representa un 1, y alto-bajo un 0.  Manchester Diferencial: la transición en la mitad del intervalo solo sirve para sincronización. Un 0 se codifica por la transición al principio del intervalo de un bit y el 1 por ausencia de transición..

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31 2. Datos Digitales y señales analógicas  Caso transmisión de datos digitales a través de la red telefónica, diseñada para transmitir y conmutar señales analógicas en la banda de frecuencias de 300 a 3.400 Hz .  Se usa un dispositivo MODEM (Modulador-Demodulador) que produce señales analógicas en la banda de voz a partir de los datos digitales y viceversa. También puede producirlas en frecuencias más altas como las que usan las microondas.  La codificación se basa en la modulación de algún parámetro de la onda portadora en función de los datos digitales recibidos. Esquemas de codificación.

32 Esquemas de codificación Desplazamiento de amplitud (ASK) Desplazamiento de frecuencia (FSK) Desplazamiento de fase (PSK).

33 3. Datos analógicos y señales digitales La conversión de datos analógicos en digitales se realiza en base a un dispositivo denominado CODEC (Codificador-Decodificador). Las 2 técnicas más importantes son:  Modulación por impulsos codificados (MIC), cuyas siglas en ingles son PCM= Pulse Code Modulation . Se basa en la codificación digital de la amplitud que va tomando la señal analógica a intervalos regulares. Las muestras obtenidas contienen toda la información de la señal original  Modulación delta (DM= Delta modulation), codifica digitalmente la diferencia de amplitud de la señal de 2 muestras sucesivas . Esquemas de codificación.

34 Se realiza en 2 pasos  Se muestrea la señal analógica a intervalos regulares de tiempo con una frecuencia mayor que el doble de la frecuencia significativa más alta de la señal (teorema de muestreo). Estas muestras se representan por pulsos de corta duración cuya amplitud es proporcional al valor de la señal original, conteniendo toda la información de la señal original.  La amplitud de estos pulsos se codifica con un entero de n bits. Por ej. n = 3 disponiéndose de 8 niveles. Esto implica que se realiza una aproximación que generará cierto nivel de error. Esquemas de codificación : MODULACIÓN POR IMPULSOS CODIFICADOS (MIC).

35 Esquemas de codificación : MODULACIÓN POR IMPULSOS CODIFICADOS (MIC) Si la señal de voz tiene un ancho de banda de 4 Khz , para codificarla digitalmente se debe muestrear a una tasa de 8.000 veces por segundo. En el receptor se realiza el proceso inverso aunque la señal original solo será aproximada. Esto se mejora mediante técnicas de cuantificación no lineal o de compresión proporcional previa..

36 Esquemas de codificación : MODULACIÓN DELTA  Analiza la amplitud de la señal analógica y detecta el sentido de la diferencia de muestras consecutivas, codificando con 1 si es incremento y 0 si es decremento. Es simple de implementar, pero requiere una velocidad de muestro superior a PCM. Muchos sistemas usan 32.000 muestras por segundo para obtener una señal digital de 32 Kbps..

37 Esquemas de codificación : TRANSMISIÓN DE ESPECTRO EXPANDIDO (SPREAD SPECTRUM)  Esta técnica se puede usar para transmitir tanto señales analógicas como digitales, mediante la utilización de una señal analógica.  Utilizada inicialmente en el ambiente militar, consiste en expandir la información de la señal sobre un ancho de banda mayor para con ello dificultar las interferencias y su interpretación.  Presenta 2 variantes que se utilizan en redes de datos y de telefonía inalámbricas.

38 Esquemas de codificación: SPREAD SPECTRUM – SALTO DE FRECUENCIAS  Los datos codificados producen una señal analógica por los métodos habituales, pero esta señal es nuevamente modulada a partir de una secuencia de números pseudoaleatorios, saltando de frecuencia en frecuencia. Los números actúan como punteros en una tabla de frecuencias.  En el receptor se produce la decodificación a partir de la misma secuencia de números pseudoaleatorios..

39 Esquemas de codificación: SPREAD SPECTRUM – SECUENCIA DIRECTA  Cada bit de la señal original se representa mediante varios bits de la señal transmitida (código de compartición). Esta codificación expande la señal a una banda de frecuencias mayor, directamente proporcional al número de bits que se usen.  Consiste en combinar la cadena de dígitos binarios de los datos con la cadena de bits pseudoaleatorios mediante un OR-exclusivo. código de compartición de 4 bits.

40 El medio de transmisión es el camino físico entre el transmisor y el receptor. Las características y la calidad de la transmisión de datos están determinados por la naturaleza de la señal y del medio. Distinguimos :  medios con guía : las señales electromagnéticas se propagan a través de medios físicos determinados (pares trenzados, cable coaxil, fibra óptica)  medios sin guía : Usan antenas para la transmisión y recepción, donde una emite energía electromagnética y la otra la capta luego de atravesar el espacio (radio , microondas terrestres, microondas satelitales) MEDIOS DE TRANSMISION.

41 Transmisión de datos  La información puede transmitirse por medio de cables cuando se varían algunas de sus propiedades físicas (voltaje)  El tiempo que se necesita para transmitir un carácter depende del método de codificación y de la velocidad de la señal.  Velocidad de la señal = numero de veces que la señal cambia de valor en un segundo (variación de voltaje)  El cambio de estado se mide en baudios..

42 Medios de transmisión: Medios con guía/Guiados  La señal se propaga por un medio físico.  Cableado según la norma internacional EIA/TIA 568  Medios:  Par trenzado  Cable coaxial  Fibra óptica.

43 Medios de transmisión guiados: PAR TRENZADO  Soporte basado en hilos eléctricos, protegidos por una cubierta aislante (PVC).  Las interferencias eléctricas (diafonía) se minimizan por estar trenzados.  Se agrupan en multipares : 2, 4, 6, 8, 14 hasta 300. Existen diferentes calidades:  STP (Shielded Twister Pair) : sin blindaje y con pantalla  UTP (Unshielded Twister Pair) : sin blindaje y sin pantalla La tendencia es usar UTP debido a su menor costo y fácil mantenimiento..

44 Medios de transmisión guiados: PAR TRENZADO Categorías:  Categoría 1: Transmisión de voz.  Categoría 2: Datos hasta 4 Mbps.  Categoría 3: voz y datos hasta 10 Mbps.  Categoría 4: Datos hasta 16 Mbps. (Token Ring)  Categoría 5: voz y datos hasta 100 Mbps.  Categoría 6: voz y datos superior a 100 Mbps.

45 Medios de transmisión guiados: PAR TRENZADO  El par trenzado puede usarse para transmisión analógica y digital.  Distancia máxima: 100 mts.  Para distancias mayores, repetidores y amplificadores de señal.  Implica el uso de concentradores de cableado..

46 Medios de transmisión guiados: PAR TRENZADO.

47 Medios de transmisión guiados: COAXIAL  Alcanza distancias mayores que el par trenzado.  Velocidad de transmisión hasta 10 Mbits/seg. o mas, dependiendo de la distancia.  Usados para redes locales, audio y video. RG6 para TV digital, satelital, cable modem. RG59 para CCTV (cámaras seguridad).

Las primeras LAN con CABLE RG 58 – 10 BASE 2  También llamado coaxial fino.  Ofrece una velocidad de 10 Mbps. en 200 mts.  El empalme a este cable necesita conector BNC en T.  Es mas barato pero de distancia y números de conexiones limitados. 48.

49 Medios de transmisión guiados: FIBRA OPTICA  Proporciona el mayor ancho de banda.  Ha sustituido al cobre en troncales telefónicos.  Requiere equipos especializados.  Multimodo/monomodo..

50 Medios de transmisión guiados: FIBRA OPTICA.