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Apuntes de Clases de:ComunicacionesAutores y Colaboradores: Adrián Botta Daniel Fratte Ignacio Rigoni Franco Zanuso Maximiliano Ambrosini Karim Duzán Matías PorolliAño: 2009Correcciones: 5 de Agosto de 2009 (Ignacio Rigoni y Adrián Botta)Fuentes : SISTEMAS DE COMUNICACIONES. Wayne Tomasi. COM...

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Apuntes de Clases de:

Comunicaciones

Autores y Colaboradores:  Adrián Botta  Daniel Fratte  Ignacio Rigoni  Franco Zanuso Año:

 Maximiliano Ambrosini  Karim Duzán  Matías Porolli

2009

Correcciones: 5 de Agosto de 2009 (Ignacio Rigoni y Adrián Botta)

Fuentes: • SISTEMAS DE COMUNICACIONES. Wayne Tomasi. • COMUNICACIONES Y REDES DE COMPUTADORES William Stallings • REDES DE COMPUTADORAS E INTERNET Fred Halsall • REDES DE AREA LOCAL. Thomas Madron • REDES DE ALTA VELOCIDAD J.García Tomás – Mario Piattini. • TECNOLOGIAS EMERGENTES PARA REDES DE COMPUTADORAS Uyless Black • PRINCIPIOS DE COMUNICACIONES DIGITALES. Rubén Kustra.

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UNIDAD 1: Características de los sistemas de Comunicaciones Objetivo

Sistemas de Comunicación

Diagrama

Definiciones

Clasificación Medios de Enlace Esquemas

Ondas EM

Esquemas Esquemas de Antenas

Definiciones Señales Fourier

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UNIDAD 1: CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES El objetivo de todo Sistema de Comunicación es transmitir información de un origen a un destino, lo más rápido posible, y con la menor cantidad de errores. Datos Señal R Ruido Origen de la inf.

Transductor IN

Transmisor TX

Receptor RX

Transductor OUT

Medio de TX O enlace

Ej: Micrófono

Destino de la inf.

Ej: Parlantes, Pantalla

Dato: Es toda entidad física capaz de transportar información Información: Es todo aquello que genera expectativa, duda o necesidad en el receptor/destino. Señal: Es la representación eléctrica, electromagnética u óptica de los datos Transmisor: Adapta la señal al medio de enlace Medio de Enlace: Medio físico por el cual viajan las señales hacia destino Ruido: Es toda señal espuria o indeseada que se introduce en el canal de información, alterando o modificando mi señal útil y datos. No se lo mide en forma absoluta, sino que se lo compara siempre con la señal, en lo que denominaremos relación Señal/Ruido (Al aumentar la potencia, Disminuye el Ruido). Ahí es donde nos damos una idea si nuestro sistema de comunicación es adecuado o no. Receptor: Adapta la señal del medio físico al transductor de salida OUT: Entrega información al destino S/R [dB = decibel]

Valor Normal (u Óptimo)

 Señal Analógica  Señal Digital

S/R > 50 dB S/R > 15 dB

Más inmune al ruido

En señales digitales, en vez de usar la relación S/R, se utiliza el BER (Bit Error Rate). Ej: 10-6 bits (1 bit erróneo cada 1 millón recibidos). Clasificación de los medios de enlace  Alámbricos o Par Trenzado: Ej: Cable telefónico, UTP o Coaxil: Ej: CATV o Fibra Óptica: Es inmune al ruido. Ej: Reden WAN  Ventajas: Más seguros; permiten un mayor ancho de banda o velocidad  Desventajas: Estoy sujeto a un cable 

Inalámbricos o Radiofrecuencia: RF < 1GHz de frecuencia o Microondas:  Satélite: Ej: TV, Datos  Terrestre: Ej: Celulares, Enlaces Punto a Punto, WiFi o Infrarrojo  Ventajas: No necesitan medios físicos para propagarse, lo que permite la movilidad  Desventajas: Más inseguros; menor ancho de banda

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Ejemplos de Medios de Enlace

Onda Electromagnética (EM)

Utilidad de una Onda EM  Permite transmitir información, aún en el vacío.

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V(t) = A sen ( 2 π f t + Ө )  Ecuación Onda Sinusoidal, con A, f y Ө parámetros  Frecuencia ( f = [Hz] ): Es la cantidad de ciclos por unidad de tiempo que tiene una onda sinusoidal.  Periodo ( T = [s] ): Tiempo en el que una onda completa un ciclo.  Longitud de onda ( λ = [m]): longitud entre 2 máximos o mínimos consecutivos.  Amplitud de Onda ( A = [Volt] ): Valor máximo de la señal en el tiempo.  Desfasaje ( Ө = [radianes] ): desplazamiento de una señal respecto de otra. La onda Electromagnética nos permite transmitir información en el vacío. Su velocidad es de 3 x 108 m/s. Ancho de banda: Tamaño del espectro que ocupa una señal. Espectro: Todas las frecuencias que componen una señal. Señal Analógica: Es aquella que varía en forma continua en el tiempo. Entre dos puntos, hay otros puntos de amplitud. Señal Digital: Tiene un valor que mantiene constante en el tiempo. Luego cambia bruscamente a otro valor que mantiene durante otro tiempo. Es periódica y tiene infinitas componentes de frecuencia por lo tanto su ancho de banda es infinito. Fourier desarrolló una ecuación matemática para señales periódicas y dice: “Toda señal periódica puede descomponerse en una serie de términos con amplitudes decrecientes y frecuencias que sean múltiplos enteros de una frecuencia fundamental y que se llaman armónicas”. f (t) = A0 + A1 cos wt + A2 cos wt2 + A3 cos wt3 + …. + An cos wtn + + B1 sen wt + B2 sen wt2 + B3 sen wt3 + …. + Bn sen wtn Valor Promedio A0 

Frecuencia Fundamental

1 t f ( t) dt t 0

An 

Armónicos

2 t f (t ). cos( n.wt ) dt t 0

Bn 

2 t f (t ).sen (n.wt ) dt t 0

El ancho de banda de una señal digital tendrá en cuenta la capacidad de frecuencia más significativa, es decir, la fundamental y las primeras armónicas, o sea, las que más energía aportan. El ancho de banda de una señal digital es en principio infinito, porque la serie de Fourier se descompone en infinitos términos, pero también sabemos que el ancho de banda para estas señales será la componente fundamental y las primeras armónicas (que son las que aportan la mayor energía), es decir, las más significativas de la serie. Esto se definirá “ancho de banda relativo”, y en definitiva será el ancho de banda a considerar. No obstante, para las señales analógicas el ancho de banda se mide en Hz, y en señales digitales se mide en BPS (bits por segundo). Señal Analógica Señal Digital

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Ancho de Banda BW [Hz] Velocidad de Tx [bps]

Ejemplos 6 MHZ 106 bps

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Espectro de Radiofrecuencia

- Rebotan en obstáculos - Rebotan en la ionosfera

- Se transmiten siguiendo el terreno. - Alcanzan Grandes Distancias - Pasan Obstáculos Ondas Terrestres

3 KHz

30 KHz

300 KHz

- Banda C (3-6 GHz)  Antena focal (3 12 dB, por lo que puedo transmitir con potencias mas pequeñas. Algunas ventajas de las redes digitales son:  Son más inmunes/tolerantes al ruido, eso es porque la señal digital contaminada con ruido puede volver a reconstituirse, no así la señal analógica  Las transmisiones digitales son trasmisiones de números, y esos nº tienen el mismo formato para video, audio y datos (multimedia). Puedo usar los mismos medios para almacenar, procesar, etc. lo mismo. Ej: un DVD, CD, etc permite combinar audio, video, datos, etc. Esto permitió las redes multiservicio.  Las señales digitales son muy fáciles de codificar o cifrar, lo que llamamos encriptación, lo que permiten transmisiones de mucha seguridad. Sin embargo, las señales digitales tienen desventajas:  En general, las señales digitales ocupan mayor ancho de banda, por lo que tendré que comprimir. Ej: Un canal telefónico analógico tiene 4KHz de ancho de banda, mientras que uno digital necesita 64Kbps. (2). Una señal de tv analógica, ocupa 6MHz, y digital 270 Mbps. Para la compresión de fotos se usa JPEG o GIF, para video MPEG, para datos PKZIP, etc.  Es necesario transmitir el clock del transmisor al receptor, o en su defecto, extraer el clock de los datos, para no tener que colocar un segundo enlace. Si no quiero agregar un enlace para el clock, debo codificar los datos para poder extraer el clock de esa transmisión.

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Formas de Transmisión 1- Banda Base (Sin modular): Es transmitir sin modular, solamente codificando. Las señales se transmiten en su frecuencia original. Esto sirve sólo para las distancias cortas, del orden de los metros, ya que la señal se atenúa rápidamente (disminuye la amplitud). Ej: Placa de red (NIC: Network Interface Card), Cable USB, Impresora (Cable Paralelo), RS232 (COM). Esquema de una transmisión en banda base:

Si bien la señal se reconstituye en el decodificador, el ruido fue tan grande que produjo errores en la recepción. Probabilidad de Error Todo sistema de transmisión digital en funcionamiento, tiene una determinada probabilidad de error, cuya unidad es bits. Ej: PE = 10-6 bits ( 1 bit de error en 1 millón de bits recibidos). Esta probabilidad de error es un deseo, es decir, diseñado el enlace, los diseñadores proponen esa probabilidad de error. Esta probabilidad de error, se debe comparar con la lectura instantánea de los errores, denominada BER, que para que todo funcione bien, BER < PE. Interferencia intersímbolo Es la interferencia que produce el espectro de energía de un pulso al pulso siguiente. Debemos tratar de que el máximo valor del espectro de energía del pulso siguiente coincida con el cero del espectro de energía del pulso anterior. 2- Banda Pasante (Modulando): Si deseamos transmitir a mayores distancias utilizando medios alámbricos o inalámbricos, como por ejemplo la red telefónica (que no fue diseñada para transmisión de datos), tenemos que modular, para adaptar esa señal al medio de transmisión, y permitir que se propague. Esto nos permite alcanzar distancias mucho mayores que con transmisión en banda base. Modular significa modificar alguno de los parámetros de una señal analógica llamada “portadora”. Esos parámetros podrán ser amplitud, frecuencia, fase o combinación de ellos.

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Digitalización Las señales analógicas pueden convertirse en digitales, y viceversa. Ej: Placa de Sonido. Para convertir una señal analógica en digital, se utiliza un dispositivo llamado conversor Analógico Digital (o conversor A/D). Señal Analógica Señal Digital A/D

Muestreo

Cuantificación

Codificación

Este dispositivo está constituido por 3 bloques fundamentales, que son: 

Muestreo: Consiste en tomar muestras de la señal analógica a intervalos regulares de tiempo. La frecuencia de muestreo debe ser mayor o igual a 2 veces la frecuencia máxima de la señal analógica a muestrear.

Ts 



1 1  fs 2 f

(Re lación de Nyquist ) max

Cuantificación: Consiste en fijar niveles cuánticos, y comparar las muestras con esos niveles. El error de cuantización es inherente al sistema, no puede eliminarse, pero puede reducirse aumentando la cantidad de niveles cuánticos. Pero esto tiene un costo: aumentar la cantidad de bits a transmitir, con lo que aumenta el ancho de banda necesario. Ej: Señal Telefónica, tiene B=4KHz 4KHz * 2 * 8bits = 64 Kbps  Tasa de TX digital de 1 canal telefónico



Codificación: Del ejemplo anterior, obtenemos los números: 4, 5, 5, 4, 3. Estos números los enviamos como:

El proceso es reversible, es decir, se puede convertir la señal digital en analógica, siempre que se cumpla la relación de Nyquist.

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MODULACIÓN (para transmisión en banda pasante) Modular significa modificar algún parámetro de una señal analógica llamada portadora, por otra señal llamada modulante, que puede ser analógica o digital. El resultado es una señal llamada modulada, que es siempre analógica. El proceso de modulación permite adaptar una señal al medio de transmisión, alcanzando mayores distancias. Ej: MODEM telefónico de la PC Recordemos la ecuación de una señal analógica: V(t) = A cos 2 π ft + θ  Podemos modificar la amplitud, frecuencia o fase Esquema general de la modulación Señal Modulante (Analógica o Digital)

Señal Modulada (Analógica)

X

~ Analógica Tipos de Modulación

V(t)  Portadora (analógica)

 AM  FM  PM  Binaria

 ASK  FSK  PSK

 Multisímbolo

 m-PSK  m-QAM

Digital

Modulación Analógica  AM: La señal portadora se modula de forma que su amplitud varíe con los cambios de amplitud de la señal modulante. El Ancho de banda en AM es igual al doble del ancho de banda de la señal modulada y cubre un rango centrado alrededor de la frecuencia de la portadora. 

FM: Se modula la frecuencia de la señal potadora. El ancho de banda en FM es igual a diez veces el ancho de banda de la señal modulada.



PM: Se modula la fase de la señal portadora

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Modulación Digital Señal Digital [bps]

X

Bps: Medida de velocidad

~

Señal Analógica [baudios]

V(t)  Portadora (analógica)

Baudio: describe la cantidad de veces que la línea de transmisión cambia de estado por segundo. Cada cambio de estado comporta la transmisión de una serie de bits

Si por cada bit tengo un baudio, implica Modulación Digital Binaria. Si tengo más de un bit por baudio, tengo Modulación Digital Multinivel. A continuación, veremos cada una de las modulaciones digitales por separado. ASK (Amplitude Shift Keyding): Fue el primer sistema de modulación de amplitud. Se ha dejado de usar porque es el menos inmune al ruido.

FSK (Frecuency Shift Keyding): Modifica la PSK (Phase Shift Keyding): Modifica la fase frecuencia. Lo usaban los primeros MODEM, los del orden de Kbps. Permiten mucha distancia (16km aprox)

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Diagrama de Constelación En lugar de representar en el dominio del tiempo vamos a representar en el dominio de la fase

En el grafico: los puntos son extremos del vector que nace en (0,0); I = Inphase; Q=Quadrature El círculo punteado (constelación) representa la inmunidad al ruido del sistema. Como se observa, esta señal de PSK (también llamada 2-PSK o B-PSK), es muy inmune al ruido. Para que haya un error, el ruido debe ser suficiente para que “los puntos” salgan de la constelación. Esto nos muestra que las señales digitales son muy inmunes al ruido. Se pueden aumentar la cantidad de bits, lo que disminuye la constelación, disminuyendo la tolerancia al ruido. Esto dio origen a los sistemas multinivel.

A partir de 8 PSK es más conveniente modular en QAM, porque los puntos se encuentran más separados que en 16 PSK, es decir, tengo más inmunidad al ruido. Ahora en QAM, no solo modifico la fase, sino también la amplitud, y obtengo lo que se llama 16 QAM.

¿Cuántas amplitudes y cuántas fases hay en 16 QAM? 12 Fases y3 Amplitudes Después sigue 25 = 32 QAM, 64 QAM, 128 QAM y 256 QAM. Ésta última es la velocidad máxima del MODEM cable. Comunicaciones - Apuntes de Clase

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Diagrama de bloques de los moduladores digitales. FSK

Conve rsor Serie/Paralelo

x sen (wc t)

Datos Binarios de Entrada (en serie)

I

Buffer de Entrada

I Salida FSK

+

Q multiplicador de frecuencia x*wc

+2 Clock de bits

x

QPSK canal I

8PSK +/- sen (wc t)

+/- sen (wc t)

canal I

x

A/D

x

sen (wc t)

sen (wc t)

Oscilador de la portadora sen (wc t)

I

I

cos (wc t)

Sumador Lineal

Q

+

Salida QPSK

cos (wc t)

Q

Defasador de 90º

C

+/- sen (wc t)

¬C

x

A/D

+/- cos(wc t)

x

canal Q

+/- cos(wc t)

8-QAM

16-QAM +/- sen (wc t)

+/- sen (wc t)

c anal I

A/D

Salid a 8PSK

Defasador de 90º

+/- sen (wc t)

canal Q

+

C

A/D

x

x sen (wc t)

sen (wc t)

I

I cos (wc t)

Q

+

C Defasador de 90º

C

A/D c anal Q

cos (wc t) Defasador de 90º

Q

+/- sen (wc t)

A/D

x +/- cos(wc t)

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+

I' Q'

+/- sen (wc t)

C Ahora C influye en la amplitud

Salida 8-QAM

x +/- cos(wc t)

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Salida 16-QAM

SISTEMAS DE MULTIPLEXADO Multiplexar significa transmitir señales que provienen de distintas fuentes por un mismo enlace, de manera de aprovechar su capacidad al máximo. Existen 4 tipos de multiplexado:  SDM (Múltiplex por división de Espacio): Los canales multiplexados disponen de todo el tiempo y todo el ancho de banda del enlace. Ej: multipar telefónico, satélites.



FDM (Múltiplex por división de Frecuencia): Consiste en dividir el ancho de banda disponible del enlace en porciones más pequeñas, y transmitir un canal en cada una de éstas porciones. Entre canal y canal, se deja una pequeña separación, llamada banda de resguardo. Ej: TV por cable, estación de radio.



TDM (Múltiplex por división de Tiempo): Ahora los canales ocupan todo el ancho de banda, pero durante un cierto tiempo (breve, o sea un ratito).



WDM (Múltiplex por división de Longitud de Onda): Es una técnica de multiplexado analógico que combina señales ópticas de distinta longitud de onda (λ). Se utiliza en fibra óptica. En la fibra óptica los datos han sido convertidos en señales ópticas (luz). Aprovechando el ancho de banda de la fibra, podemos enviar varios canales, pero utilizando distintas longitudes de onda. Es muy similar al múltiple de frecuencia. Una longitud de onda para cada canal.

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UNIDAD 4: Codificación de señales y sistemas de conmutación Clasificación de Códigos Codificación

de Línea Formas de Codificación

transmisión de Bloque errores

espacial de Circuitos

Conmutación

temporal

de Datagramas

de Mensajes TIpos de Paquetes

de Circuito Virtual

Tamaño de Paquetes Comparacion de Tipos Costo de Ruteo (o ME)

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UNIDAD 4: CODIFICACIÓN DE SEÑALES Y SISTEMAS DE CONMUTACIÓN Codificar: Significa asignar un valor de tensión al uno binario, y otro distinto al cero. Estos valores deben ser perfectamente detectados por el receptor, para no confundirlos. Ej: La placa de red codifica Recordemos que en las transmisiones digitales es necesario transmitir los datos y la señal de sincronismo (clock), lo cual nos implicaba hacer 2 enlaces. Una alternativa a esto, para hacer solo un enlace, era poder extraer el clock de los mismos datos. CLASIFICACIÓN DE LOS CÓDIGOS SEGÚN LOS NIVELES DE TENSIÓN  Códigos UNIPOLARES  

Tienen sólo un nivel de tensión (+ o -) y necesitan una línea adicional para el clock. Clasificación: o Unipolar RZ (con retorno a Cero) o Unipolar NRZ (sin retorno a Cero)

 Códigos POLARES  

Tienen 2 ...