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  • 1. Comunicación de Datos Escuela Superior de Informática Tema 1 Fundamentos de la Comunicación de Datos
  • 2. Terminología (1) „ Transmisor „ Receptor „ Medio ƒ Medio guiado ‚ Par trenzado, cable coaxial, fibra óptica ƒ Medio no guiado ‚ Aire, agua, vacío COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 2
  • 3. Terminología (2) „ Enlace directo ƒ Sin dispositivos intermedios „ Punto a punto ƒ Enlace directo ƒ Sólo intervienen dos dispositivos en el enlace „ Enlace múltiple ƒ Intervienen más de dos dispositivos en el enlace COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 3
  • 4. Terminología (3) „ Simplex ƒ Una dirección ‚ Ej: Radiodifusión „ Semi duplex ƒ Dos direcciones, pero no simultáneas ‚ Ej: Radioaficionados „ Duplex ƒ Dos direcciones simultáneas ‚ Ej: Teléfonos COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 4
  • 5. Frecuencia, espectro y ancho de banda „ Conceptos en el dominio del tiempo ƒ Señal continua ‚ Varía de una forma continua en un margen de tiempo ƒ Señal discreta ‚ Mantiene constante un nivel y cambia a otro nivel distinto ƒ Señal periódica ‚ Repite un patrón en el tiempo ƒ Señal no periódica ‚ No repite un patrón en el tiempo COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 5
  • 6. Señales Continuas y Discretas COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 6
  • 7. Señales periódicas COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 7
  • 8. Onda sinusoidad „ Amplitud de pico (A) ƒ Máxima intensidad de la señal ƒ Voltios „ Frecuencia (f) ƒ Ritmo de cambio de la señal ƒ Hertzios (Hz) o ciclos por segundo ƒ Periodo = tiempo de una repetición (T) ƒ T = 1/f „ Fase (φ) ƒ Posición relativa en el tiempo COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 8
  • 9. Distintas ondas sinusoidales en función de sus parámetros COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 9
  • 10. Longitud de onda „ λ „ Distancia entre dos puntos con la misma fase temporal en dos ciclos consecutivos „ Distancia ocupada por un ciclo „ Distancia recorrida por al onda en un período „ Suponiendo que la velocidad de la señal es v ƒ λ = v T0 ƒ λ F0 = v ƒ v = 3*108 m/s (velocidad de la luz en espacio libre) COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 10
  • 11. Conceptos en el Dominio de la Frecuencia „ La 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 sinusoidales „ Se puede demostrar (Fourier) que cualquier señal periódica está construida como suma se señales sinusoidales „ Se pueden representar funciones en el dominio de la frecuencia COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 11
  • 12. Suma de componentes de frecuencia COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 12
  • 13. Dominio de la Frecuencia Señal periódica Señal no periódica: pulso rectangular COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 13
  • 14. Espectro y Ancho de Banda „ Espectro ƒ Margen de frecuencias contenidas en la señal „ Ancho de Banda absoluto ƒ Anchura del espectro „ Ancho de Banda efectivo ƒ A menudo es el mismo que el Ancho de Banda ƒ Banda de frecuencias que contienen la mayor parte de la energía „ Componente continua (DC) ƒ Componente de frecuencia cero COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 14
  • 15. Señal con Componente Continua x(t ) = 1 + (4 / π ) sin( 2πft ) + (1 / 3) sin(3·2πft ) COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 15
  • 16. Ancho de Banda y Velocidad Binaria „ Cualquier sistema de transmisión tiene una banda limitada de frecuencias „ Ello limita la velocidad binaria que puede soportar COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 16
  • 17. Onda cuadrada „ Una sucesión de pulsos cuadrados de 0 y 1 se puede ver como la suma de los infinitos múltiplos impares de la frecuencia fundamental 4 1 s (t ) = π ∑ k k sin( 2πfkt ) „ También es una señal digital binaria a una determinada velocidad en bits por segundo (bps) COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 17
  • 18. Componentes en frecuencia de una onda cuadrada COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 18
  • 19. Distintos casos Caso 1. Frecuencia 1 MHz. Anchura bit 0,5 µs (desde f hasta 5 f), Ancho de banda = 4 MHz Velocidad de transmisión = 2 Mbps Caso 2. Frecuencia 2 MHz. Anchura bit 0,25 µs (desde f hasta 5f), Ancho de banda = 8 MHz Velocidad de transmisión = 4 Mbps Caso 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) COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 19
  • 20. Efecto del ancho de banda en las señales digitales COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 20
  • 21. Datos „ Analógicos ƒ Valores continuos en un intervalo determinado ƒ Ej: sonido, video, ... „ Digitales ƒ Valores discretos ƒ Ej: texto, números enteros, ... COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 21
  • 22. Transmisión de Datos Analógicos y Digitales „ Datos ƒ Entidades que portan información „ Señales ƒ Representación eléctrica o electromagnética de datos „ Señalización „ Propagación física de señales por el medio adecuado „ Transmisión ƒ Comunicación de datos mediante la propagación y proceso de señales COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 22
  • 23. Espectro acústico (analógico) COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 23
  • 24. Señales „ Analógicas ƒ Variable de forma continua ƒ Varios medios ‚ Cable, fibra óptica, espacio (aire o vacío) ƒ Ancho de Banda de voz de 100 Hz a 7 KHz ƒ Ancho de Banda telefónico de 300 Hz a 3400 Hz ƒ Ancho de Banda de video 4 MHz „ Digitales ƒ Usan dos componentes continuas ƒ Se convierten datos discretos de varios valores en binario (ASCII) COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 24
  • 25. Datos y señales Señal analógica Señal digital Hay dos alternativas: la señal Los datos analógicos se ocupa el mismo espectro que codifican utilizando un los datos analógicos, los datos codec para generar una Datos analógicos analógicos se codifican cadena de bits ocupando una porción distinta del espectro Los datos digitales se codifican Hay dos alternativas: la usando un modem para señal consiste en dos generar señal analógica niveles de tensión que Datos digitales representan dos valores binarios, los datos digitales se codifican para producir una señal digital con las propiedades deseadas COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 25
  • 26. Señales analógicas que portan datos analógicos y digitales COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 26
  • 27. Señales digitales que portan datos analógicos y digitales COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 27
  • 28. Transmisión analógica „ La 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 distancia „ Se usan amplificadores para reforzar la señal „ También se amplifica el ruido y se acumula „ Se puede tolerar una pequeña distorsión. Ejemplo: la voz, sigue siendo inteligible COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 28
  • 29. 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 ƒ Los repetidores reciben la señal ƒ Extraen el patrón de bits ƒ 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 COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 29
  • 30. Ventajas de la transmisión digital „ Tecnología digital ƒ Bajo coste tecnología LSI/VLSI „ Integridad de los datos ƒ El uso de repetidores permite mayores distancias incluso en líneas de baja calidad „ Utilización de la capacidad ƒ Se ha conseguido mayor ancho de banda en enlaces baratos ƒ Mayor grado de multiplexación y más fácil con técnicas digitales „ Seguridad y Privacidad ƒ Cifrado „ Integración ƒ Se pueden tratar los datos analógicos y digitales de forma similar, independientemente de cuál sea su origen (voz, datos) COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 30
  • 31. Perturbaciones en la transmisión „ La señal recibida puede diferir de la señal transmitida „ Analógico - degradación de la calidad de la señal „ Digital – Errores de bits „ Causado por ƒ Atenuación y distorsión de atenuación ƒ Distorsión de retardo ƒ Ruido COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 31
  • 32. Atenuación „ La intensidad de la señal disminuye con la distancia „ Depende del medio „ La intensidad de la señal recibida: ƒ Debe ser suficiente para que se detecte ƒ Debe ser suficientemente mayor que el ruido para que se reciba sin error ƒ Crece con la frecuencia „ Ecualización: amplificar más las frecuencias más altas „ Problema menos grave para las señales digitales COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 32
  • 33. Distorsión de retardo „ Sólo en medios guiados „ La velocidad de propagación en el medio varía con la frecuencia „ Para 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 COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 33
  • 34. Ruido (1) „ Señales adicionales insertadas entre el transmisor y el receptor „ Térmico ƒ Debido a la agitación térmica de los electrones ƒ Aumenta linealmente con la temperatura (N0= kT) ƒ Uniformemente distribuido en la frecuencia ƒ Ruido blanco (NBW= kTB) „ Intermodulación ƒ Señales que son la suma y la diferencia de frecuencias originales ƒ Se produce por falta de linealidad COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 34
  • 35. Ruido (2) „ Diafonía ƒ Una señal de una línea se mete en otra „ Impulsivo ƒ Impulsos irregulares o picos ƒ Ej: Interferencia electromagnética externa (tormenta) ƒ Corta duración ƒ Gran amplitud COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 35
  • 36. Efecto del ruido en señal digital COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 36
  • 37. Conceptos relacionados con la capacidad del canal „ Velocidad de datos ƒ En bits por segundo ƒ Velocidad a la cual se pueden transmitir los datos „ Ancho de Banda ƒ En ciclos por segundo ƒ 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 COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 37
  • 38. Ancho de Banda de Nyquist (ancho de banda teórico máximo) Para 2 niveles SIN RUIDO ƒ Velocidad binaria C (bps ) = 2 B ( Hz ) Para M niveles SIN RUIDO ƒ Velocidad binaria C (bps ) = 2 B( Hz ) log 2 M (niveles) ƒ 1 Baudio = 1 estado señalización /sg ƒ 1 Baudio = 1 bps si M=2 ƒ La relación entre la velocidad de transmisión C y la velocidad de modulación V es: C (bps ) = V (baudios )·log 2 M COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 38
  • 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 Potencia _ Señal SNRdB = 10 log(SNR ) = 10 log Potencia _ Ruido „ Restricción: no se puede aumentar M cuanto se quiera porque debe cumplirse: M ≤ 1 + SNR COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 39
  • 40. 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: ƒ Un aumento del ancho de banda B aumenta el ruido ƒ Un aumento de potencia de señal S aumenta las no linealidades y el ruido de intermodulación „ Por tanto, la velocidad binaria teórica máxima será: C (bps ) = V ·log 2 M = 2·B·log 2 M = B·log 2 M 2 „ Es decir, Cmáx (bps ) = B( Hz )·log 2 (1 + SNR ) COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 40
  • 41. Ejemplo „ Canal entre 3 MHz y 4 MHz „ Relación señal ruido = 24 dB, SNR=102,4=251 Calcular ancho de banda ƒ Respuesta: B = 1 MHz „ Calcular la velocidad binaria teórica máxima y el número de niveles ƒ Respuesta: SNR = 251 ƒ Respuesta: C = 8 Mbps ƒ Respuesta: M = 16 niveles COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 41
  • 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 Hz „ Se demuestra fácilmente que: Eb S/R S = = N0 N0 kTR „ O bien  Eb   N  = S dBW −10 log R −10 log T +228,6   0 dB COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 42
  • 43. Relación Eb/N0 (2) siendo k la constante de Boltzmann, cuyo valor es −23 k = 1,3803·10 J /º K 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: S dBW = −161,8 COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 43