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Comunicación de DatosEscuela Superior de Informática

Tema 1Fundamentos de la Comunicación de Datos

COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM

2

Terminología (1)TransmisorReceptorMedio

Medio guiadoPar trenzado, cable coaxial, fibra óptica

Medio no guiadoAire, agua, vacío


3

Terminología (2)Enlace directo

Sin dispositivos intermedios

Punto a punto Enlace directo Sólo intervienen dos dispositivos en el enlace

Enlace múltiple Intervienen más de dos dispositivos en el

enlace


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Terminología (3)Simplex

Una direcciónEj: Radiodifusión

Semi duplex Dos direcciones, pero no simultáneas

Ej: Radioaficionados

Duplex Dos direcciones simultáneas

Ej: Teléfonos


5

Frecuencia, espectro y ancho de bandaConceptos en el dominio del tiempo

Señal continuaVaría de una forma continua en un margen de

tiempo

Señal discretaMantiene constante un nivel y cambia a otro nivel

distinto

Señal periódicaRepite un patrón en el tiempo

Señal no periódicaNo repite un patrón en el tiempo


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Señales Continuas y Discretas


7

Señales periódicas


8

Onda sinusoidadAmplitud de pico (A)

Máxima intensidad de la señal Voltios

Frecuencia (f) Ritmo de cambio de la señal Hertzios (Hz) o ciclos por segundo Periodo = tiempo de una repetición (T) T = 1/f

Fase () Posición relativa en el tiempo


9

Distintas ondas sinusoidales en función de sus parámetros


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Longitud de onda Distancia entre dos puntos con la misma fase

temporal en dos ciclos consecutivosDistancia ocupada por un cicloDistancia recorrida por al onda en un períodoSuponiendo que la velocidad de la señal es v

= v T0

F0 = v v = 3*108 m/s (velocidad de la luz en espacio libre)


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Conceptos en el Dominio de la FrecuenciaLa señal periódica se compone de la

superposición de varias frecuencias, todas ellas múltiplos de la llamada frecuencia fundamental

La frecuencia fundamental coincide con la frecuencia de la señal periódica

Las componentes son ondas sinusoidalesSe puede demostrar (Fourier) que cualquier

señal periódica está construida como suma se señales sinusoidales

Se pueden representar funciones en el dominio de la frecuencia


12

Suma de componentes de frecuencia


13

Dominio de la Frecuencia

Señal periódica

Señal no periódica: pulso rectangular


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Espectro y Ancho de BandaEspectro

Margen de frecuencias contenidas en la señal

Ancho de Banda absoluto Anchura del espectro

Ancho de Banda efectivo A menudo es el mismo que el Ancho de Banda Banda de frecuencias que contienen la mayor

parte de la energía

Componente continua (DC) Componente de frecuencia cero


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Señal con Componente Continua

)2·3sin()3/1()2sin()/4(1)( ftfttx


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Ancho de Banda y Velocidad BinariaCualquier sistema de transmisión tiene

una banda limitada de frecuenciasEllo limita la velocidad binaria que puede

soportar


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Onda cuadradaUna sucesión de pulsos cuadrados de 0 y

1 se puede ver como la suma de los infinitos múltiplos impares de la frecuencia fundamental

También es una señal digital binaria a una determinada velocidad en bits por segundo (bps)

k

fktk

ts )2sin(14

)(


18

Componentes en frecuencia de una onda cuadrada


19

Distintos casosCaso 1. Frecuencia 1 MHz. Anchura bit 0,5 µs(desde f hasta 5 f), Ancho de banda = 4 MHz Velocidad de transmisión = 2 MbpsCaso 2. Frecuencia 2 MHz. Anchura bit 0,25 µs(desde f hasta 5f), Ancho de banda = 8 MHz Velocidad de transmisión = 4 MbpsCaso 3. Frecuencia 2 MHz. Anchura bit 0,25 µs(hasta 3f) Ancho de banda = 4 MHz Velocidad de transmisión = 4 Mbps

ANCHO DE BANDA=2·VELOCIDAD (o menor)


20

Efecto del ancho de banda en las señales digitales


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DatosAnalógicos

Valores continuos en un intervalo determinado Ej: sonido, video, ...

Digitales Valores discretos Ej: texto, números enteros, ...


22

Transmisión de Datos Analógicos y Digitales

Datos Entidades que portan información

Señales Representación eléctrica o electromagnética

de datos

SeñalizaciónPropagación física de señales por el medio

adecuado

Transmisión Comunicación de datos mediante la

propagación y proceso de señales


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Espectro acústico (analógico)


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SeñalesAnalógicas

Variable de forma continua Varios medios

Cable, fibra óptica, espacio (aire o vacío)

Ancho de Banda de voz de 100 Hz a 7 KHz Ancho de Banda telefónico de 300 Hz a 3400 Hz Ancho de Banda de video 4 MHz

Digitales Usan dos componentes continuas Se convierten datos discretos de varios valores

en binario (ASCII)


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Datos y señales

Señal analógica Señal digital Datos analógicos

Hay dos alternativas: la señal ocupa el mismo espectro que los datos analógicos, los datos analógicos se codifican ocupando una porción distinta del espectro

Los datos analógicos se codifican utilizando un codec para generar una cadena de bits

Datos digitales

Los datos digitales se codifican usando un modem para generar señal analógica

Hay dos alternativas: la señal consiste en dos niveles de tensión que representan dos valores binarios, los datos digitales se codifican para producir una señal digital con las propiedades deseadas


26

Señales analógicas que portan datos analógicos y digitales


27

Señales digitales que portan datos analógicos y digitales


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Transmisión analógicaLa señal analógica se puede transmitir sin

tener en cuenta el contenido: puede provenir de una señal analógica original (voz) o ser el resultado de pasar por un modem una señal original

Se atenúa con la distanciaSe usan amplificadores para reforzar la señalTambién se amplifica el ruido y se acumulaSe puede tolerar una pequeña distorsión.

Ejemplo: la voz, sigue siendo inteligible


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Transmisión digital Se tiene en cuenta el contenido de la señal La integridad de los datos se daña con el ruido, la

atenuación, etc. Se usan repetidores Se produce regeneración

Los repetidores reciben la señal Extraen el patrón de bits Lo retransmiten

La atenuación se elimina El ruido no se amplifica ni se acumula Una señal analógica se puede aprovechar de estas

ventajas si se convierte previamente a digital


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Ventajas de la transmisión digital Tecnología digital

Bajo coste tecnología LSI/VLSI Integridad de los datos

El uso de repetidores permite mayores distancias incluso en líneas de baja calidad

Utilización de la capacidad Se ha conseguido mayor ancho de banda en enlaces baratos Mayor grado de multiplexación y más fácil con técnicas

digitales Seguridad y Privacidad

Cifrado Integración

Se pueden tratar los datos analógicos y digitales de forma similar, independientemente de cuál sea su origen (voz, datos)


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Perturbaciones en la transmisión

La señal recibida puede diferir de la señal transmitida

Analógico - degradación de la calidad de la señal

Digital – Errores de bitsCausado por

Atenuación y distorsión de atenuación Distorsión de retardo Ruido


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Atenuación La intensidad de la señal disminuye con la

distancia Depende del medio La intensidad de la señal recibida:

Debe ser suficiente para que se detecte Debe ser suficientemente mayor que el ruido para que

se reciba sin error Crece con la frecuencia

Ecualización: amplificar más las frecuencias más altas

Problema menos grave para las señales digitales


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Distorsión de retardoSólo en medios guiadosLa velocidad de propagación en el medio

varía con la frecuenciaPara una señal limitada en banda, la

velocidad es mayor cerca de la frecuencia central

Las componentes de frecuencia llegan al receptor en distintos instantes de tiempo, originando desplazamientos de fase entre las distintas frecuencias


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Ruido (1)Señales adicionales insertadas entre el

transmisor y el receptorTérmico

Debido a la agitación térmica de los electrones Aumenta linealmente con la temperatura (N0=

kT) Uniformemente distribuido en la frecuencia Ruido blanco (NBW= kTB)

Intermodulación Señales que son la suma y la diferencia de

frecuencias originales Se produce por falta de linealidad


35

Ruido (2)Diafonía

Una señal de una línea se mete en otra

Impulsivo Impulsos irregulares o picos Ej: Interferencia electromagnética externa

(tormenta) Corta duración Gran amplitud


36

Efecto del ruido en señal digital


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Conceptos relacionados con la capacidad del canalVelocidad de datos

En bits por segundo Velocidad a la cual se pueden transmitir los

datos

Ancho de Banda En ciclos por segundo Limitado por el transmisor y el medio

Ruido, nivel medio a través del camino de transmisión

Tasa de errores, cambiar 0 por 1 y viceversa


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Ancho de Banda de Nyquist (ancho de banda teórico máximo)

Para 2 niveles SIN RUIDO Velocidad binaria

Para M niveles SIN RUIDO Velocidad binaria

1 Baudio = 1 estado señalización /sg 1 Baudio = 1 bps si M=2 La relación entre la velocidad de transmisión C y

la velocidad de modulación V es:

)(2)( HzBbpsC

)(log)(2)( 2 nivelesMHzBbpsC

MbaudiosVbpsC 2)·log()(


39

Capacidad de Shannon (1) Para un cierto nivel de ruido, a mayor velocidad,

menor período de un bit, mayor tasa de error (se pueden corromper 2 bits donde antes se corrompía 1 bit)

Relación Señal / Ruido (Signal Noise Ratio, SNR) en dB

Restricción: no se puede aumentar M cuanto se quiera porque debe cumplirse:

RuidoPotencia

SeñalPotenciaSNRSNRdB _

_log10)log(10

SNRM 1


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Capacidad de Shannon (2) En principio, si se aumenta el ancho de banda B

y la potencia de señal S, aumenta la velocidad binaria C.

Pero: Un aumento del ancho de banda B aumenta el ruido Un aumento de potencia de señal S aumenta las no

linealidades y el ruido de intermodulación

Por tanto, la velocidad binaria teórica máxima será:

Es decir,

2222 ·log·log·2·log)( MBMBMVbpsC

)1()·log()( 2 SNRHzBbpsCmáx


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EjemploCanal entre 3 MHz y 4 MHzRelación señal ruido = 24 dB,

SNR=102,4=251Calcular ancho de banda

Respuesta: B = 1 MHz

Calcular la velocidad binaria teórica máxima y el número de niveles Respuesta: SNR = 251 Respuesta: C = 8 Mbps Respuesta: M = 16 niveles


42

Relación Eb/N0 (1)Eb: energía de señal por bit

(Eb=S·Tb=S/R) siendo S potencia señal, Tb tiempo de un bit, R

bits/sg

N0: densidad de potencia de ruido por HzSe demuestra fácilmente que:

O bien

kTR

S

N

RS

N

Eb 00

/

6,228log10log100

TRS

N

EdBW

dB

b


43

Relación Eb/N0 (2)siendo k la constante de Boltzmann, cuyo valor es

y siendo T la temperatura absoluta en grados Kelvin

Ejemplo: Para obtener una relación Eb/N0 = 8,4 dB a una temperatura ambiente de 290 ºK y una velocidad de transmisión de 2.400 bps, ¿qué potencia de señal recibida se necesita?

Respuesta:

KJk /º10·3803,1 23

8,161dBWS

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