Transmisión de Datos
| Sitio: | Facultad de Ingeniería U.Na.M. |
| Curso: | Comunicaciones 2 ET544 |
| Libro: | Transmisión de Datos |
| Imprimido por: | Invitado |
| Día: | miércoles, 4 de diciembre de 2024, 23:32 |
1. Cuestiones Básicas
La mayoría de las imágenes publicadas en la presentación pertenecen a:
Stallings, William.Data and computer communications/William Stallings.—Tenth edition
1) Todos los tipos de información considerados en este texto (voz, datos, imágenes, vídeo) se pueden representar mediante señales electromagnéticas. Para transportar la información, dependiendo del medio de transmisión y del entorno donde se realicen las comunicaciones, se podrán utilizar señales analógicas o digitales.
2) Cualquier señal
electromagnética, analógica o digital, está formada por una serie de
frecuencias constituyentes. Un parámetro clave en la caracterización de
la señal es el ancho de banda, definido como el rango de
frecuencias contenidas en la señal. En términos generales, cuanto mayor
es el ancho de banda de la señal, mayor es su capacidad de transportar
información.
3) Uno de los problemas principales en el diseño de un sistema de comunicaciones reside en minimizar las dificultades, o defectos, de las líneas de transmisión. Las dificultades más importantes a superar son
- la distorsión
- por atenuación
- por retardo
- los distintos tipos de ruido.
- térmico
- intermodulación
- diafonía
- impulsivo
Al usar señales analógicas, las dificultades en la transmisión causan efectos de naturaleza aleatoria que degradan la calidad de la información recibida y pueden afectar a la inteligibilidad.
Cuando se utilizan señales digitales, los defectos en la transmisión pueden introducir bits erróneos en la recepción.
4) El diseñador de un sistema de comunicaciones debe tener presente cuatro factores determinantes todos relacionados
- el ancho de banda de la señal,
- velocidad de transmisión de la información digital,
- cantidad de ruido, además de otros defectos en la transmisión.
- la proporción o tasa de errores tolerable.
El ancho de banda disponible está limitado por el medio de transmisión así como por la necesidad de evitar interferencias con señales cercanas. Debido a que el ancho de banda es un recurso escaso, es conveniente hacer máxima la velocidad de transmisión para el ancho de banda disponible.
La velocidad de transmisión está limitada por el ancho de banda, por la presencia ineludible de defectos en la transmisión, como el ruido, y, finalmente, por la tasa de errores que sea tolerable.
1.1. Conceptos y Términos
Medios Guiados
En los medios guiados, por ejemplo en pares trenzados, en cables coaxiales y en fibras ópticas, las ondas se transmiten confinándolas a lo largo de un camino físico
Medios No Guiados
los medios no guiados, también denominados inalámbricos, proporcionan un medio para transmitir las ondas electromagnéticas sin confinarlas, como por ejemplo en la propagación a través del aire, el mar o el vacío.
Enlace Directo
El término enlace directo se usa para designar un camino de transmisión entre dos dispositivos en el que la señal se propague directamente del emisor al receptor sin ningún otro dispositivo intermedio que no sea un amplificador o repetidor.
Punto a Punto
Un medio de transmisión guiado es punto a punto si proporciona un enlace directo entre dos dispositivos que comparten el medio, no existiendo ningún otro dispositivo conectado. Ver que aqui no se menciona Repetidor o Amplificador
Multipunto
En una configuración guiada multipunto, el mismo medio es compartido por más de dos dispositivos.
Simplex
En la transmisión simplex, las señales se transmiten sólo en una única dirección; siendo una estación la emisora y otra la
receptora.
Half Duplex
En half-duplex, ambas estaciones pueden transmitir, pero no simultáneamente.
ó 
Full Duplex
En full-duplex, ambas estaciones pueden igualmente transmitir y recibir, pero ahora simultáneamente. En este último caso, el medio transporta señales en ambos sentidos al mismo tiempo.
FRECUENCIA, ESPECTRO Y ANCHO DE BANDA
Figura 1
En el punto que indica la flecha tendremos los conceptos de:
- Frecuencia
- Espectro
- Ancho de Banda
Señal Digital
Señal digital es aquella en la que la intensidad se mantiene constante durante un determinado intervalo de tiempo, tras el cual la señal cambia a otro valor constante. En la Figura 1 ( g(t) y g'(t) ) se muestran ejemplos de ambos tipos de señales. La señal continua puede corresponder a voz y la señal discreta puede representar valores binarios (0 y 1).
Señales Periódicas
señales periódicas son el tipo de señales más sencillas que se puede considerar; se caracterizan por contener un patrón que se repite a lo largo del tiempo. Matemáticamente, una señal s(t) se dice periódica si y solamente si:
Estas señales periódicas se pueden representar matemáticamente por una serie de Fourier que constituyen la herramienta matemática básica del análisis y que consiste en la descomposición de dicha función periódica en una suma infinita de funciones sinusoidales mucho más simples (como combinación de senos y cosenos con frecuencias enteras).
Señal No periódica.
En cualquier otro caso la señal no es periódica.
Figura 2
Sería una señal analógica y no periódica.
Figura 3
Sería una señal digital no periódica
Longitud de Onda.
Se define como Longitud de onda, la distancia que ocupa un ciclo o, en otras palabras, se define como la distancia entre dos puntos de igual fase en dos ciclos consecutivos, esto por supuesto es para ondas periódicas.
Frecuencia Fundamental.
Cuando todas las componentes de una señal tienen frecuencias múltiplo de una dada, esta última se denomina frecuencia fundamental, esto es fácil de ver en una onda cuadrada.
Armónico.
Un armónico de una onda es un componente sinusoidal de una señal, esto es fácil de ver en una onda cuadrada
Fourier.
Según Fourier, que cualquier señal está constituida por componentes sinusoidales de distintas frecuencias. Sumando un número suficiente de señales sinusoidales, cada una con su correspondiente amplitud, frecuencia y fase, se puede construir cualquier señal
electromagnética. En otras palabras, se puede demostrar cualquier señal electromagnética que está constituida por una colección de señales periódicas analógicas (ondas seno) con diferentes amplitudes, frecuencias y fases. Veamos en el domínio tiempo.
Figura 4
Veamos un ejemplo con Python y Fourier vamos a mostrar gráficas de 5 , 10 y 50 armónicos para ver como se aproxima a la onda cuadrada..
5 Armónicos.
10 Armónicos.
50 Armónicos.
Si continuamos sumando infinitos armónicos impares podríamos lograr una onda cuadrada perfecta:
Figura 5
En el dominio de la Frecuencia esto ser vería de la siguiente manera:
Figura 6
Espectro.
Se define el espectro de una señal como todo el conjunto de frecuencias que la constituyen
Ancho de banda efectivo.
La mayor parte de la energía de la señal se concentra en una banda de frecuencias relativamente estrecha. Esta banda se denomina ancho de banda efectivo o, simplemente, ancho de banda. Si lo pensamos en términos de conjunto y sub-conjunto:
1.2. Ancho de Banda vs. Capacidad
Vamos a fijar el concepto de la relación entre al Ancho de banda de un canal y la velocidad de transferencia de un canal.
Imaginemos una onda cuadrada de una frecuencia de 2 Hz., si el pulso positivo es un uno y el negativo un cero. podemos decir:
1 Hz => 2 bits / Segundo ó 2 bps.
Haciendo un razonamiento extensivo
1000 Hz => 1000 bps
10 MHz => 10 Mbps.
En esta suposición los "datos" son en realidad una onda cuadrada periódica.. algo que en realidad difícilmente exista como dato.
Conclusión de hacer un razonamiento extensivo es que cuando mayor es el Ancho de banda , mayor podría ser la velocidad de transmisión.
En la Figura 1 se muestra una cadena de bits con una velocidad de transmisión de 2.000 bits por segundo. Con un ancho de banda igual a 2.500 Hz, o incluso 1.700 Hz, la representación es bastante buena. Es más, estos resultados son generalizables de la siguiente manera. Si la velocidad de transmisión de la señal digital es W bps, entonces se puede obtener una representación muy buena con un ancho de banda de 2W Hz. No obstante, a menos que el ruido sea muy elevado, la secuencia de bits se puede recuperar con un ancho de banda menor
Figura 1
Esto permite fijar el concepto sobre la estrecha relación entre la forma de la onda, el ancho de banda y la velocidad
1.3. Dato, Información y Señal
Dato.
se define dato como cualquier entidad capaz de transportar información. Las señales son representaciones eléctricas o electromagnéticas de los datos
Información NO es Dato !!
Lo que hace la diferencia entre Datos e Información es el Procesador ( persona o máquina)
Entonces podemos decir que "la información es el conocimiento producido como resultado del procesamiento de los datos."
Señal
Las señales son representaciones eléctricas o electromagnéticas de los datos.
Señalización.
La señalización es el hecho de la propagación física de las señales a través de un medio adecuado.
Transmisión.
Se define transmisión como la comunicación de datos mediante la propagación y el procesamiento de señales.
1.4. Decibel
En comunicaciones se utiliza el Decibel para expresar relación entre dos magnitudes , por ejemplo entre:
- Entrada y Salida.
- Señal y Ruido.
- Si un dispositivo presenta una Ganancia (Salida mayor a la entrada) esta se expresa como un valor en dB de valor positivo.
- Si presenta una Atenuación (Salida menor a la entrada) ella se representa como un valor en dB de valor negativo.
- Cuando el valor en dB es 0, representa que el cuadripolo no "gana" ni "atenúa"
dB (Decibeles razón de tensiones)
Para Medir los instrumentos en general NO miden potencia, si no Tensiónes o Corrientes, por lo cual esto produce una variante en los Decibeles que fueron definidos como relación de potencias.
P = V2 / Z , ,con V: Tensión y Z: IMpedancia.
Si Reemplazamos en la Expresión [1] tendremos:
dB=10 .log10 (V2 input/ Zinput ) / (V2 output / Zoutput ) = 20 log10 ( V input / V output ) + 10 log10 ( Z input / Z output )
Si la impedancia de Salida y de Entrada son iguales, el termino de las impedancias se elimina , ya que el logaritmo en base 10 de 1 es cero. Entonces podemos tener un instrumento que exprese dB midiendo Tensiones independizandose de las Impedancias. Si fuera el caso en que las impedancias NO fueran iguales, se debe agregar un factor de correción.
El valor de Impedancia de referencia que usan normalmente los equipos es de 600 ohms, este era un valor histórico usado en Telecomunicaciones de Telefonía y Telegrafía.
dBm (razón de Potencias en Miliwatios)
Un valor mas comúnmente usado es el dBm el cual es el valor en dB de una señal respecto a un valor de potencia de referencia de 1 mW (milivatio) .
Ejemplo: Si tengo una Potencia de 0.5W
dBm= 10 . log 10 (0,5W/ 1mW) =10. log 10 500 =27dBM
dBmV ( usada en CATV)
Dado que el dB es una unidad de relaciones de potencia, para que se refiere a voltajes las impedancias donde se midan deben ser exactamente iguales. Generalmente esta impedancia es de 75 o 50 ohms. La referencia que se establece es de Vref = 1 mVolt.
3dB expresa una relación de media Potencia!!2. Capacidad del Canal
La mayoría de las imágenes publicadas en la presentación pertenecen a:
Stallings, William.Data and computer communications/William Stallings.—Tenth edition y anteriores.
Se denomina capacidad del canal a la velocidad máxima a la que se pueden transmitir los datos en un canal, o ruta de comunicación de datos, bajo unas condiciones dadas.
Hay cuatro coneptos relacionados con esto.
- La velocidad de transmisión de los datos: velocidad, expresada en bits por segundo (bps), a la que se pueden transmitir los datos.
- El ancho de banda: ancho de banda de la señal transmitida; éste estará limitado por el transmisor y por la naturaleza del medio de transmisión; se mide en ciclos por segundo o hercios.
- El ruido: nivel medio de ruido a través del camino de transmisión.
- La tasa de errores: tasa a la que ocurren los errores. Se considera que ha habido un error cuando se recibe un 1 habiendo transmitido un 0, o se recibe un 0 habiendo transmitido un 1.
2.1. Ancho de Banda Nyquist
Para comenzar, considérese el caso de un canal exento de ruido. En este entorno, la limitación en la velocidad de los datos está impuesta simplemente por el ancho de banda de la señal. Nyquist formalizó esta limitación, afirmando que si la velocidad de transmisión de la señal es 2B, entonces una señal con frecuencias no superiores a B es suficiente para transportar esta velocidad de transmisión de la señal. Y viceversa: dado un ancho de banda B, la mayor velocidad de transmisión de la señal que se puede conseguir es 2B. Esta limitación está provocada por la interferencia entre símbolos que se produce por la distorsión de retardo. Este resultado es de utilidad en el diseño de convertidores digital a analógico
Si las señales a transmitir son binarias (dos niveles de tensión) pensemos para facilitar el razonamiento en una onda cuadrada, la velocidad de transmisión de datos que se puede conseguir con B Hz es igual a 2B bps.
Figura 1
Supóngase un ancho de banda de 3100 Hz., entonces, la capacidad C del canal es 2B = 6.200 bps.
No obstante, como se verá mas adelante, se pueden usar señales con más de dos niveles; es decir, cada elemento de señal puede representar
a más de dos bits.
Por ejemplo, si se usa una señal con cuatro niveles de tensión, cada elemento de dicha señal podrá representar dos bits. La formulación de Nyquist para el caso de señales multinivel es:
C = 2.B.log2 M
donde M es el número de señales discretas o niveles de tensión y B el ancho de banda.
Así pues, para M=8, valor típico que se usa en algunos módem, la capacidad resulta ser 18.600 bps, siendo el ancho de banda igual a 3.100 Hz.
Que consecuencias trae en el diseño electrónico procurar un M grande?
Que consecuencias trae el ruido en un diseño con M grande?
El ruido, aparece en la expresión ?
2.2. Capacidad de Canal según SHANNON
La fórmula de Nyquist implica que al duplicar el ancho de banda se duplica la velocidad de transmisión, si todo lo demás se mantiene inalterado. Ahora establezcamos una relación entre la velocidad de transmisión, el ruido y la tasa de errores, esto hace la expresión de Shannon.
La presencia de ruido puede corromper uno o más bits.
Si se aumenta la velocidad de transmisión, el bit se hace más «corto», de tal manera que dado un patrón de ruido, éste afectará a un mayor número de bits. Así pues, dado un nivel de ruido,
cuanto mayor es la velocidad de transmisión, mayor es la tasa de errores.
La relación señal-ruido es importante en la transmisión de datos digitales, ya que ésta determi-
na la máxima velocidad de transmisión que se puede conseguir.
Una conclusión de Shannon es que la capacidad máxima del canal, en bits por segundo, verifica la ecuación:
C=B log2 (1 + SNR)
C: Capacidad del Canal, B:Ancho de Banda.
La fórmula de Shannon representa el máximo límite teórico que se puede conseguir. Sin embargo, en la práctica, se consiguen velocidades mucho menores. Una razón para esto reside en el
hecho de que la fórmula anterior supone ruido blanco (ruido térmico) y no se han tenido en
cuenta el ruido impulsivo, la distorsión de atenuación o la distorsión de retardo.
La capacidad, tal y como se ha calculado en la fórmula precedente, se denomina capacidad
libre de errores
Como puedo mejorar la capacidad del Canal ?
Que consecuencias puede tener incrementar la potencia de la señal?
Que consecuencias tiene el incrementar el ancho de banda respecto de SNR?