IV. CONCEPTOS BÁSICOS DE COMUNICACIONES DE DATOS

Transcripción

CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE
COMUNICACIONES DE
DATOS
Comunicación de datos es la transmisión de información
digital, normalmente en forma binaria, (bits: unos y ceros).
Los 1s y 0s pueden provenir de voz codificada, datos o
imágenes codificadas, etc.; esto es, señales digitales que
pueden ser generadas por un computador o por cualquier
otro tipo de dispositivo digital.
Una red de comunicación de datos puede ser tan simple
como dos computadores conectados o tan compleja que
involucre a miles de computadores y terminales.
Las comunicaciones de datos se han expandiendo
vertiginosamente, y son cada vez más los usuarios que
emplean sistemas de comunicaciones basados en
computadores.
ESQUEMA DE UN SISTEMA DE
COMUNICACIÓN DE DATOS
EQUIPO
TERMINAL
DE DATOS
CODEC /
MODEM
CODEC /
MODEM
EQUIPO
TERMINAL
DE DATOS
COMUNICACIÓN DE DATOS:
• DTE (Data Terminal Equipment o Equipo Terminal
de Datos): Incluye al terminal fuente o destino de
datos y al controlador de comunicaciones
• Terminal fuente o destino de datos: PC, terminal,
impresora, cinta magnética, etc. Constituye la
fuente o destino final de los datos.
• Controlador de Comunicaciones: Permite el
manejo adecuado de los datos estableciendo
formatos, protocolos, etc.
• Interfaz: Punto en el cual un equipo se conecta a otro. Ej.
RS232E, V35, X21, etc. Para conectar el DTE al DCE
requerimos del concurso de un interfaz.
COMUNICACIÓN DE DATOS:
• DCE (Data Circuit-Terminating Equipment o Equipo de
Terminación del Circuito de Datos): Tiene como función
adaptar la información a transmitirse al medio de
transmisión, mediante ciertas modificaciones de la
misma, así pues el DCE lo puede constituir:
CODEC, si la transmisión se realiza en banda base,
en cuyo caso no hay traslación de frecuencias y la
señal a transmitirse sigue siendo de naturaleza
digital, aunque el espectro de la señal se puede
modificar en cuestión de forma.
MODEM, si la transmisión se realiza usando una
portadora modulada, en cuyo caso la señal a
transmitirse es analógica, y el espectro se traslada.
CÓDIGOS PARA REPRESENTAR LA
INFORMACIÓN
• Para la transmisión de datos es usual representar la información (sea
ésta: números, letras del alfabeto, símbolos u otros tipos de datos)
como grupos de bits de longitud uniforme establecida o caracteres.
• Un código de “a” bits puede tener 2ª caracteres diferentes.
• Código ASCII normal
•
ASCII (American National Standard Code for Information Interchange).
• Desarrollado por ANSI, código más usado por los terminales
computadora.
• Tiene 8 bits por carácter: 7 bits de datos, con un octavo bit
paridad, de manera que en total se tiene 128 posibles caracteres.
• El bit del extremo derecho es el bit 1 (LSB), siendo el primero
transmitirse en una transmisión serial; y, el del extremo izquierdo
el bit 8 (bit de paridad).
de
de
en
es
Ej: A= 1000001 o 41H
• Dispone de varios caracteres para control, ej: ESC: escape, ETB: fin
de bloque de transmisión, ETX: fin de texto, etc.
Código ASCII
• Una versión modificada de ASCII, denominada
ASCII extendido reemplaza el bit de paridad
con un octavo bit de datos, en cuyo caso se
tienen 256 diferentes caracteres, en los que se
incluyen caracteres de otros idiomas, marcas de
acentuación, caracteres científicos y gráficos.
• Es necesario que entre los equipos que se
establece comunicación, todos usen el mismo
código o haya conversión de código
previamente.
Control de Paridad
• Uno de los aspectos fundamentales en la transmisión de
datos es reconocer cuando ocurren errores en la
transmisión; así pues cuando el transmisor envía un 1L
y el receptor recibe un 0L se ha producido errores en la
transmisión.
• La forma más elemental para detectar errores en una
transmisión es mediante la adición de un bit de paridad,
el cual constituye un bit auxiliar añadido a los bits de
datos y que permite controlar si el caracter se recibió sin
errores.
• El Bit de paridad es calculado evaluando el número de
1s presentes en el caracter. Así se pueden tener dos
alternativas:
Control de Paridad
• Paridad Par:
• Si el número total de 1s de un caracter es un número
impar, el bit de paridad es un 1L, de tal manera que el
número total de 1s de todo el carácter (datos + paridad)
sea un número PAR. Si por el contrario el número de 1s
es par, el bit de paridad será un 0L, de manera que el
número total de 1s sea nuevamente PAR.
• Paridad Impar:
• Similar al control de paridad par, pero en este caso el
número de 1s de un caracter, incluido el de paridad, debe
ser impar.
• Para la detección de errores se compara la paridad
recibida con la paridad local que se calcula en el receptor.
Si éstas son iguales NO se produjo error en la
transmisión. Si éstas difieren, SI se produjo error.
• Si el número de bits errados es par, no se detectan estos
errores mediante el chequeo del bit de paridad.
TRANSMISIÓN DE DATOS SERIAL Y
PARALELA
• 4.4.1 Transmisión Serial
• Los bits que constituyen un caracter son enviados uno a
continuación de otro, a una determinada frecuencia de
reloj, requiriendo de una sola vía de comunicación para
la transmisión.
• Minimiza los costos de transmisión (una sola vía).
• Se utiliza en general para comunicaciones de larga
distancia.
• Su desventaja principal es la reducida velocidad de
transmisión, pues cada caracter debe ser desmembrado
bit a bit para la transmisión y luego reconstituido en el
receptor.
• Utilizada comúnmente para comunicación entre un host
y terminales remotos.
• La mayoría de los sistemas de comunicaciones, debido
a que realizan comunicaciones a gran distancia, son del
tipo serial.
TRANSMISIÓN DE DATOS SERIAL Y
PARALELA
• Transmisión Paralela
• Los bits que conforman un caracter se transmiten
simultáneamente, por tanto se requerirán tantas vías de
comunicación como bits tenga el caracter.
• Permite conseguir mayores velocidades de transmisión.
• Los costos de transmisión se incrementan, pues se
requiere de una infraestructura más compleja.
• Adecuada para cortas distancias, como por ejemplo entre
el computador y la impresora.
• El sincronismo en un sistema de comunicación en paralelo
complica su implementación práctica.
• Generalmente las comunicaciones en paralelo utilizan 8
vías para enviar caracteres de 8 bits de datos (byte)
simultáneamente.
TRANSMISIÓN ASINCRÓNICA Y
SINCRÓNICA DE LA INFORMACIÓN
• Existen dos métodos comunes hoy en día para
realizar una transmisión de información digital.
• Su diferencia radica en la forma como se
establece la referencia de tiempo común
(sincronismo) entre el transmisor y el receptor, a
fin de poder interpretar correctamente la
información que está siendo transmitida.
TRANSMISIÓN ASINCRÓNICA DE LA
INFORMACIÓN
Transmisión Asincrónica o Start-Stop
• Asíncrono significa que transmisor y receptor tienen sus propios
relojes, de igual frecuencia, pero independientes. No existe una
señal de sincronismo enviándose entre Tx y Rx, es decir no
existe una coordinación temporal estricta entre el Tx y Rx.
• La estrategia de este método para solucionar el problema de la
sincronización consiste en NO enviar cadenas de bits largas e
ininterrumpidas. Los datos son transmitidos un CARACTER a la
vez y cada caracter debe consistir de un número reducido de bits
dependiendo del código utilizado.
• La sincronización debe mantenerse solamente dentro de cada
caracter, el receptor tiene la oportunidad de resincronizarse al
inicio de cada nuevo caracter.
• En este modo de transmisión el tiempo transcurrido entre el
envío de un caracter y el siguiente es aleatorio, por lo que la
eficiencia disminuye debido al tiempo que transcurre entre
caracteres.
Transmisión Asincrónica o StartStop
• Cuando se realiza una transmisión asincrónica de un
caracter, se empieza enviando un bit de inicio (start), el
cual es un 0L, seguido entonces por los bits de datos
propiamente, a los que se puede adicionar o no un bit de
control de paridad; y, se termina enviando el o los bits
de parada (1, 1.5 o 2), el cual es un 1L que lleva a la
línea al estado de reposo.
• Es decir el transmisor avisa al receptor que va a llegar
un carácter con el bit de inicio de éste, y la finalización
de dicho carácter con el o los bit(s) de parada.
• En el estado de reposo, el receptor espera por una
transición de 1 a 0 para reconocer el inicio del siguiente
caracter y luego muestrea (lee) la señal entrante
correspondiente a ese caracter a intervalos Tb, tantas
veces cuantos bits tenga el caracter asincrónico que
está siendo leído, quedando luego a la espera de la
siguiente transición de 1 a 0.
Transmisión Asincrónica o StartStop
• No se envía reloj o señales de sincronización con los
datos, sino que el transmisor y el receptor tienen en
una transmisión asincrónica relojes internos que se
sincronizan en cada caracter que está siendo enviado
a partir del bit de inicio.
• Es decir que cuando el bit de inicio llega al Rx, éste
dispara su reloj interno y se mantiene esperando por
la lectura de los bits que vienen luego
(datos+paridad).
• Transmisor y receptor deben trabajar a la misma
velocidad de transmisión.
• Este modo de transmisión es utilizado en general para
bajas velocidades de transmisión.
Transmisión Sincrónica
• Los caracteres en una transmisión sincrónica son
transmitidos uno tras otro de una manera secuencial y
sin pausas entre caracteres.
• Los caracteres a ser transmitidos no incluyen bits de
inicio y de parada, pero en su lugar la sincronización es
provista o bien usando caracteres de sincronismo o bien
usando señales de reloj, prefiriéndose la primera
alternativa.
• La transmisión sincrónica de datos generalmente
involucra el envío de largos bloques de caracteres; y, se
envían caracteres especiales de sincronismo al inicio de
este bloque de datos.
• Estos caracteres de sincronismo constituyen una serie
específica de bits que el dispositivo receptor puede usar
para ajustarse a la velocidad exacta del transmisor.
• Además de los datos y de la sincronización, es
necesario incluir: caracteres de comienzo y de final del
bloque de datos, caracteres para corrección de errores
y control, etc. Toda esta estructura se denomina trama.
• Entre tramas, se mantiene activo el canal con la
transmisión continua de caracteres especiales. De no
utilizarse estos caracteres deberán enviarse dos o más
caracteres de sincronismo.
• El modo de transmisión sincrónica se utiliza para
transmitir grandes bloques de datos o para tener
elevadas velocidades de transmisión.
• La eficiencia en una transmisión sincrónica es
significativamente mayor a la del modo asincrónico
Eficiencia de Transmisión
():
• Es la relación entre el número de bits de datos o
información propiamente transmitidos con respecto al
número de bits totales transmitidos
= # de bits de datos / # total de bits transmitidos
• En una transmisión asincrónica, al introducir en cada
caracter bits de inicio y de parada, disminuye su
eficiencia.
• Se podría aumentar la eficiencia de la transmisión
asincrónica enviando caracteres de mayor longitud, pero
con ello se eleva la probabilidad de error de sincronismo
o temporización.
• La transmisión sincrónica es ventajosa, sobre todo
cuando se envían largos bloques de datos, pues la
eficiencia de transmisión es directamente proporcional al
tamaño del bloque de caracteres que está siendo
transmitido.
Eficiencia de Transmisión ():
• Una transmisión asincrónica con 1 bit de inicio, 1 bit de
paridad y 1 bit de parada; velocidad de transmisión de
2Kbps.
800 bits de datos

= 72.72 %
1100 bits totales
• Una transmisión sincrónica con 1 caracter de
sincronismo, 2 de inicio y fin de bloque y 1 caracter para
control de errores, adicionales a los 100 caracteres.

100 * 8
 96.15%
104 * 8
MODOS DE EXPLOTACIÓN DEL
CANAL DE TRANSMISIÓN
• En comunicaciones de datos se tienen 3 modos de
transmisión: Simplex, Half Duplex, Full Duplex; y,
adicionalmente se habla de un cuarto modo Full Full
Duplex que es una variante del modo Full Duplex.
• Simplex (SX)
• La comunicación se efectúa en un solo sentido, sin
posibilidad de hacerlo en sentido opuesto. Así, un
dispositivo será el encargado específicamente de
transmitir datos y el otro de recibirlos.
• Un sistema de comunicaciones de un aeropuerto, que
informa la llegada y salida de los aviones es un ejemplo
de
comunicación
simplex.
El
Host
está
permanentemente actualizando la información en los
terminales.
• Half Duplex (HDX) o Semiduplex
• La comunicación puede efectuarse en los dos
sentidos pero no al mismo tiempo. Así,
solamente un dispositivo transmite datos a un
tiempo dado; y, generalmente ocurre una pausa
entre el tiempo que terminó de enviar los datos
el un dispositivo y el tiempo en que responde el
otro; esto reduce la eficiencia del sistema.
• Una comunicación entre un terminal bancario y
su correspondiente Host es una comunicación
half duplex.
• Full Duplex (FDX)
• La comunicación se efectúa en los 2
sentidos de manera simultánea, es decir
que ambos dispositivos en comunicación
tienen la capacidad de recibir y transmitir
datos al mismo tiempo.
• Una
comunicación
entre
dos
computadores puede ser un ejemplo de
este tipo de comunicación.
TRANSMISIÓN MUTINIVEL
• En los sistemas de transmisión digital se
utilizan señales multinivel, es decir señales
de más de 2 niveles.
• En este escenario se transmiten símbolos,
donde cada símbolo corresponde a una
grupo de bits, y a cada símbolo diferente
se le asigna un nivel de señal distinto para
su transmisión.
• El objetivo de una transmisión multinivel es
reducir requerimientos de ancho de banda.
TRANSMISIÓN MULTINIVEL
• Cuando se transmiten símbolos, aparece
el concepto de velocidad de símbolo o
velocidad de señal, que es la razón del
número de símbolos que se transmiten
por unidad de tiempo (segundo).
• Un símbolo es la agrupación de m bits.
VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN, VELOCIDAD
DE SEÑAL y VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN
Velocidad de señal: (Vs)
• Expresada en símbolos por segundo o baudios,
constituye la velocidad de transferencia de la
información en baudios o el número de símbolos que se
transmiten por el canal en la unidad de tiempo.
• Otras denominaciones para la velocidad de señal son:
tasa de símbolos (symbol rate), tasa de baudio (baud
rate.
• Una vez que los bits se agrupan en símbolos para la
transmisión, a cada uno de estos símbolos se le asigna
un nivel de señal para efectos de la transmisión. A una
señal de esta naturaleza digital se denomina señal
multinivel.
Velocidad de señal: (Vs)
• El objetivo de trabajar con señales multinivel es
disminuir los requerimientos en ancho de banda para la
transmisión.[1].
• Sea M el número de niveles, un nivel puede transportar
m bits, con m = log2 M, por tanto el tiempo o período de
símbolo, Ts, es:
•
Ts = m Tb
• La velocidad de señal se relaciona con la velocidad de
transmisión de la forma:
Vs = 1/ Ts = 1/mTb = Vt/m = Vt/ log2 M (símbolos/seg o
baudios)
Vt = log2 M * Vs
•
[1] Para una señal binaria el primer cruce por cero del espectro se
da a 1/Tb. El espectro de una señal multinivel mantiene la forma del
espectro de una señal binaria, pero los cruces por cero del espectro
se dan ahora a múltiplos de 1/Ts.
VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN, VELOCIDAD
DE SEÑAL y VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN
Velocidad de transmisión: (Vt)
• Expresada en bits por segundo, bps (bits per
second), constituye la velocidad a la que se
transfiere la información o el número de bits que
se transmiten por unidad de tiempo.
• A la velocidad de transmisión también suele
denominarse: velocidad binaria, velocidad
numérica, tasa de bit (o bit rate).
• Si el tiempo de duración de un bit (período de
bit) es Tb segundos, la velocidad de transmisión
será el inverso del período de bit, esto es:
Vt = 1/Tb (bps)
BER (BIT ERROR RATE)
• TASA DE BITS ERRADOS (BER)
• Tasa a la cual los errores ocurren, donde un
error corresponde a la recepción de un 1
cuando un 0 fue transmitido y viceversa.
• Corresponde el BER entonces a la proporción
de bits errados respecto a los bits transmitidos
en un determinado intervalo de tiempo, así:
BER = Número de bits errados/ Número de bits transmitidos
• Así, si se tiene un bit errado en una transmisión
de 1000 bits promedio, el BER es10-³.
ALTERACIONES DE LA SEÑAL
Ruido
• Constituyen señales indeseables que se
introducen a lo largo del trayecto de transmisión.
• Se considera como ruido a aquella señal fortuita
e impredecible que altera la señal deseada,
generado por causas internas y externas al
sistema.
• Constituye uno de los principales factores que
limitan el desempeño de un sistema de
comunicaciones.
Ruido
Ruido generado por causas externas
• Es el ruido generado fuera del dispositivo o
medio de transmisión. Las fuentes principales
de ruido externo son:
• a.1) Ruido generado por el hombre o ruido
industrial,
más
intenso
en
áreas
metropolitanas pobladas e industriales• ruido generado por las luces fluorescentes, los
conmutadores en los motores eléctricos, etc.
• Con incidencia marcada en el rango de
frecuencias menores a 500 MHz.
Ruido
a.2) Ruido generado por la naturaleza
• a.2.1) Ruido atmosférico: generado por
disturbios eléctricos originados en la atmósfera
terrestre, con incidencia para frecuencias por
debajo de 20 MHz.
• a.2.2)
Ruido extraterrestre o espacial:
Originado fuera de la atmósfera de la tierra, a
veces llamado ruido generado por el espacio
profundo. Con incidencia en el rango de
frecuencias entre 8 MHz y 1.5 GHz. Dentro del
cual se tiene al ruido solar causado por el sol y
al ruido cósmico causado por otras estrellas.
Ruido
Ruido generado por causas internas
•
Generado dentro del dispositivo o medio de transmisión.
Dentro de esta categoría de ruido se tiene
esencialmente al ruido térmico o también denominado
ruido blanco o de Johnson, el cual se genera por el
movimiento aleatorio de los electrones en un conductor
o sistema electrónico debido a la temperatura, siendo
por tanto función de la temperatura.
•
La densidad de potencia No del ruido blanco es
constante para una temperatura dada, esto es:
No = KT (watts/Hz)
•
Donde K es la constante de Boltzman 1.38x10-23 J/°K y
T es la temperatura absoluta.
•
Dado que la densidad espectral de potencia es
constante y tiene todas las componentes de frecuencia
en igual proporción, se suele llamar a este ruido como
ruido blanco, por analogía con la luz blanca.
Ruido Térmico
• La potencia de dicho ruido, N, presente en
un ancho de banda de AB (Hz) es
directamente
proporcional
a
la
temperatura y al ancho de banda (AB) en
consideración, así:
N = KT AB
( watt)
• Donde K es la constante de Boltzman
1.38x10²³ J/°K y T es la temperatura
absoluta (°K).
EL CANAL DE TRANSMISIÓN: ANCHO DE
BANDA, S/N y CAPACIDAD
Ancho de Banda
•
•
•
Una de las características fundamentales de un canal
de transmisión es su ancho de banda, pues éste
determina la capacidad del canal para permitir el paso
(más fielmente) de un rango de frecuencias,
estableciéndose una relación de proporción directa
entre el ancho de banda del canal y su capacidad para
transmitir los datos.
Todos los canales de transmisión en la práctica tienen
un ancho de banda limitado y su costo depende del
mismo.
Dado un canal con un determinado ancho de banda,
se deberá usarlo de la forma más eficiente, esto es
tratando de lograr la máxima velocidad para un límite
de tasa de error (BER, Bit Error Rate).
EL CANAL DE TRANSMISIÓN: ANCHO
DE BANDA, S/N y CAPACIDAD
Relación Señal a Ruido (S/N)
•
•
•
Como se indicó en la sección anterior existen varias
anomalías (ruido, interferencia y distorsión) que
contaminan a una señal que viaja por un determinado
canal de transmisión. Estas anomalías afectan a la
velocidad de transmisión de los datos, dentro de ellas
la más crítica es el ruido.
A un nivel de potencia de ruido dado, N constante,
mientras mayor es la velocidad de transmisión de los
datos más alta es la tasa de bits errados (BER).
La potencia de la señal, S, es determinante en la
velocidad de transmisión, así, dada una determinada
relación S/N, la máxima velocidad de transmisión a la
que se puede transmitir dicha señal dependerá del
valor de S/N.
Teorema de Hartley Shannon
• Este teorema establece que la capacidad (máxima
velocidad de transmisión) de un canal ruidoso depende
de la relación S/N y del ancho de banda AB del canal,
de acuerdo a:
C = AB log2 (1 + S/N)
[bps]
• Donde:
S/N = Relación señal a ruido numérica
AB = ancho de banda del canal
N = potencia de ruido blanco.
• Shannon estableció que si se transmite a una velocidad
de transmisión menor que la capacidad del canal,
teóricamente es posible usar un código de control de
errores adecuado para conseguir una transmisión libre
de errores a través del canal.
• Ejemplo: Si se usa el canal telefónico
para transmitir datos vía módem, donde
una relación S/N típica es de 30dB, la
máxima tasa de transmisión permisible
será:
• AB  4KHz
• S/N = 30 dB = 1000
• C = 4 x 10³ log2 (1+1000)  40 Kbps
Relación de Nyquist
• En un canal ideal sin ruido (S/N =), de determinado
ancho de banda, la capacidad del canal teórica es , es
decir que no habría límite en la máxima velocidad de
transmisión. Sin embargo, en estas condiciones el límite
es impuesto por las características de la señal, más
concretamente por el ancho de banda de la señal. Una
formulación de esta limitación la constituye la
denominada relación o tasa de Nyquist.
Caso binario:
• Dada una señal binaria con un ancho de banda AB,
según Nyquist, la máxima velocidad de transmisión que
se puede lograr con dicha señal es 2AB. Esto es:
Vt máx = 2AB [bps]
Relación de Nyquist
Caso multinivel:
•
Si se usan señales de más de 2 niveles, cada
elemento de señal (símbolo) puede transportar más de
un bit. Ej. Con 4 niveles se puede representar 2 bits
por símbolo. Con una señal multinivel, de M niveles, la
formulación de Nyquist llega a ser:
Vtmáx = 2AB log2 M [bps]
•
Donde:
M = número de niveles de la señal, M = 2m.
m = número de bits por símbolo.
Aumentando M se puede incrementar la velocidad de
transmisión, pero el ruido y otras alteraciones en el
canal de transmisión limitan en la práctica el valor de
M.
Eficiencia espectral o densidad
de información: ()
• Mide que tan eficientemente se utiliza un
determinado ancho de banda disponible
para transmitir por él información y está
dada por la relación Vt/AB, esto es, la
eficiencia espectral mide los bps por hertz
que se transmiten.
 = Vt/AB
[bps/Hz]
ENERGÍA DE LA SEÑAL POR BIT / DENSIDAD
DE POTENCIA DE RUIDO POR HERTZ [Eb/No]
• Este parámetro permitirá también relacionar la
S/N con la velocidad de transmisión y el BER.
• Se puede llegar a demostrar que:
Eb/No = (S/Vt)/No = S/KTVt
•
•
•
•
Donde: S = potencia de la señal (watt)
Vt = velocidad de transmisión (bps)
N0= densidad de potencia del ruido (watt/hertz)
K =
constante de Boltzmann = 1.38 x 10-23
(Joules/°K)
• T = temperatura en grados Kelvin
• N0, la densidad de potencia de ruido, representa
la cantidad de ruido presente en un ancho de
banda de 1 hertz. Este parámetro se relaciona
con la potencia de ruido N, que representa la
cantidad de ruido presente en un ancho de
banda AB, de la siguiente manera;
• N = N0 AB
• Eb/N0 = (S/N)/
• =(S/N)/(Eb/N0)
• Ejercicio:
• Si en un sistema de comunicaciones se requiere una
relación Eb/N0 de 8.4 dB para conseguir un BER de 10-4
y si la temperatura ambiente es de 290°K y la velocidad
de transmisión de 2400 bps, determinar el nivel
requerido de la señal recibida, tanto en dBW como en
W.
• 8.4 (dB) = S (dBW) – 10 log 2400 + 228. 6 – 10 log 290
• 8.4 dB = S (dBW) – 10(3.38) + 228.6 – 10 (2.46)
• S (dBW) = -161.8
• S = 6.607 x 10 -17 W.
V. TRANSMISIÓN CON PORTADORA:
MODULACIÓN DIGITAL
•Los datos son transmitidos usando una señal portadora
(sinusoide), la cual es modulada de acuerdo a la
información digital (señal en banda base) que se desea
transmitir.
•En el lado del receptor mediante el proceso de
demodulación la señal recibida es convertida nuevamente
al formato digital.
•El espectro de la señal original (en banda base) luego de
la modulación se traslada desde la gama de frecuencias
en banda base a la gama de frecuencias de la onda
portadora, la cual es generalmente una señal de alta
frecuencia.
MODULACIÓN DIGITAL
• El utilizar frecuencias superiores
proporciona mayores anchos de banda
para la transferencia de la información, lo
cual redunda en una capacidad superior y
en el uso de antenas de menor tamaño.
• Así mismo usando modulación se puede
conseguir mayores alcances en la
transmisión y una radiación de la energía
mas efectiva.
MODULACIÓN DIGITAL
• La modulación digital es el proceso de introducir
en la amplitud, frecuencia, fase o una
combinación de estos parámetros de una Onda
Portadora (sinusoide), la información digital
(modulante) que se desea transmitir.
• La sinusoide que actúa de portadora tiene la
forma:
Ap Cos (Wpt + Φ)
• Ap: es la amplitud pico de la portadora
• Wp: es la frecuencia angular de la portadora
• Φ: es la fase de la portadora sin modular.
5.1 MODULACIÓN DE AMPLITUD (ASK)
• ASK varía la amplitud de la portadora de acuerdo a la
modulante (información digital).
Modulación por encendido y apagado OOK (“On/Off
Key”).
• Caso particular de la modulación ASK que se puede
generar multiplicando la portadora con una señal
modulante unipolar, bM(t).
• La expresión matemática de la señal modulada OOK,
considerando una portadora de amplitud pico unitaria y
fase nula, toma la forma:
SOOK(t) = bM (t).cos (Wpt)
• Una señal OOK se caracteriza por asignar una
portadora presente (ON) para los datos 1L y asignar una
portadora ausente (OFF) para los datos 0L, tal como se
muestra en la Fig. 5.17(c).
MODULACIÓN OOK y BPSK
Modulación por encendido y apagado OOK
(“On/Off Key”).
• En OOK la información está en la envolvente de
la portadora modulada.
• Un demodulador OOK requiere de un proceso
de detección de envolvente muy simple de
implementar.
• El espectro de una señal OOK se muestra en la
Fig. siguiente (a). Donde se observa el ancho de
banda de una señal modulada OOK es el doble
respecto al de la señal en banda base (señal
modulante).
ESPECTRO DE OOK y BPSK
5.2 MODULACIÓN DE FRECUENCIA
(FSK)
• La modulación FSK (Frequency Shift Keying) es una
modulación digital del tipo angular, en la que a un
estado de la señal de datos le corresponde una
determinada frecuencia de la señal modulada.
• La expresión general de una señal modulada FSK,
considerando una portadora de amplitud pico unitaria y
fase nula, es la siguiente:
SFSK(t) = Cos {Wp + [bM (t) . W]/2}t
• Donde:
• bM (t) =señal digital NRZ en banda base, relacionada
con los datos
• Wp = frecuencia angular de la portadora
• W = diferencia de frecuencia entre 2 frecuencias
adyacentes de la señal modulada.
MODULACIÓN DE FRECUENCIA (FSK)
• A la relación W/2 para el caso B-FSK se denomina
desviación de frecuencia angular pico y W es la
llamada desviación de frecuencia (angular) pico-pico.
• Al producto de la desviación de frecuencia pico-pico por
el período de bit se denomina índice de modulación
().
 = f Tb
• Donde f = W/2 ;y, Tb es el período de bit
• Según la regla de Carlson, el ancho de banda requerido
por una señal FSK binaria corresponde a:
ABFSK = f ( 1 + 1/β)
• La modulación FSK no se utiliza en radio digital por su
baja calidad y pobre eficiencia espectral (debido al gran
ancho de banda que ocupa la señal modulada). Se
utiliza fundamentalmente en transmisión de datos a baja
velocidad sobre línea telefónica.
5.2.1 Modulación FSK sin discontinuidad de
Fase CPFSK (Continuous Phase FSK) o FSK
Coherente
• En este método cuando cambian los datos,
cambia la frecuencia pero se mantiene la
continuidad de fase, así pues la señal
modulante varía la frecuencia de la portadora de
acuerdo a los datos pero de manera continua,
de forma tal que la señal modulada en
frecuencia resultante es de fase continua, tal
como se aprecia en la Figura siguiente:
5.2.1 Modulación FSK sin discontinuidad de
Fase CPFSK (Continuous Phase FSK) o FSK
Coherente
5.2.2 Modulación FSK con discontinuidad de
Fase NCPFSK (Non Continuous Phase FSK) o
FSK NO Coherente
• Es una técnica de modulación en la cual en el momento
de la conmutación de frecuencia no se mantiene la fase
de la señal, produciéndose saltos de fase. Una señal
modulada FSK no coherente se muestra en la figura
siguiente, donde se puede observar la discontinuidad de
fase en los momentos de cambio de estado en los
datos.
ESPECTRO FSK COHERENTE
5.3 MODULACIÓN DE FASE (PSK)
• En la modulación PSK (Phase Shift Keying), es la fase
de la portadora la que cambia de acuerdo a la señal de
datos, en tanto que la amplitud y frecuencia de la
portadora modulada se mantienen constantes.
• Constituye un tipo de modulación angular muy eficiente.
• Ampliamente utilizada en radio digital,modems, sistemas
spread spectrum, etc por sus características de amplitud
constante, insensibilidad a la distorsión de amplitud y
buen desempeño contra errores.
• Se tienen dos esquemas de modulación PSK, de
acuerdo a cómo se dan los cambios en la fase de la
portadora modulada.
5.3.1 MODULACIÓN PSK
CONVENCIONAL
• En PSK convencional la información (modulante) está
en el valor absoluto de la fase de la portadora modulada.
• La expresión matemática para una señal modulada
PSK, considerando una portadora de amplitud pico
unitaria y fase inicial nula, es:
SPSK(t) = cos {Wp t + i}
i: fase de la portadora modulada, la misma que varía de
la forma:
i = [bM (t) . ]/2
• Donde:
• bM (t) = señal simétrica NRZ en banda base de M
niveles, que toma los valores ±1, ±3…..
• M = número de fases (potencia de 2)
• Wp = frecuencia angular de la portadora
•  = 2/M = separación entre fases adyacentes de la
portadora modulada.
5.3.1.1 Modulación BPSK o 2-PSK
• En este caso se tienen dos fases diferentes
(M=2), asignándose una de ellas a los 1s y la
otra a los 0s.
• La separación entre fases adyacentes es de
180º, pues  = 2/M = .
• Conforme cambian los datos de entrada, la fase
de la portadora de salida (señal modulada) varía
entre dos ángulos que están 180º fuera de fase.
• En el dominio del tiempo la portadora modulada
para el caso BPSK se vería como lo muestra la
Figura siguiente.
Modulación BPSK o 2-PSK
5.3.1.1 Modulación BPSK o 2-PSK
• La relación entre la velocidad de modulación
(Vm en baudios) y la velocidad de transmisión
(Vt en bps) para BPSK (M=2) es:
Vm = Vt/ log2 M = Vt
• El ancho de banda de una señal modulada
BPSK es el doble del de los datos.
ABBPSK = 2 ABBB
Modulación QPSK o 4-PSK
• Para una señal modulada QPSK el número de
fases correspondientes es 4 (pues M=4).
• Con cada fase se transmitirá dos bits y éstas
estarán separadas 90°, pues  = 2/M = /2.
• Cada símbolo (2 bits) diferente genera una de
las cuatro fases posibles.
• Para cada símbolo que entra a un modulador
QPSK, ocurre un cambio de fase en la salida del
modulador.
• La relación entre la velocidad de modulación “Vm” y la
velocidad de transmisión “Vt” en QPSK será:
Vm (baudios) = Vt/ log2 M = Vt/2
• Una reducción en la velocidad de modulación está
asociada con una disminución en el ancho de banda de
la señal modulada.
• La forma de la señal modulada QPSK en el dominio del
tiempo sería como lo muestra la Figura siguiente, en
donde se presentan 4 fases diferentes (+135°, +45°,-45°
y -135°) cada una de ellas asociada a una pareja de bits
diferentes (10, 11, 01 y 00 respectivamente).
5.3.3 Modulación 8PSK y 16 PSK
• Se requieren 8 y 16 fases diferentes en
cada caso, separadas 45º y 22.5º
respectivamente.
• En 8PSK con cada fase se transmiten 3
bits y en 16PSK con cada fase se
transmiten 4 bits.
• Para 8 PSK la velocidad de modulación
Vm es Vt/3; en tanto que para 16 PSK Vm
es igual a Vt/4.
MODULACIÓN DE FASE (M-PSK)
• El ancho de banda de las señales moduladas
M-PSK se reduce en la misma proporción en la
que se reduce la velocidad de modulación.
• El espectro de una señal modulada M-PSK
tiene la misma forma que el de una señal BPSK;
sin embargo a medida que aumenta el estado
de la modulación (M), el primer anulamiento del
espectro se reduce a 1/log2M(Tb).
ESPECTRO DE UNA SEÑAL MODULADA
M-PSK
• A mayor número de estados de
modulación (M), la velocidad de
modulación Vm disminuye, y
consecuentemente el ancho de banda de
la señal modulada, esto es:
ABMPSK = ABBPSK/ log2 M
• Para una misma velocidad de transmisión,
la modulación 8-PSK ocupa la tercera
parte de ancho de banda que una señal BPSK, en tanto que una 4-PSK ocupa la
mitad que una B-PSK.
• La inmunidad de una modulación digital en general, y de
MPSK en particular, frente a las perturbaciones como
ruido, resulta mayor cuanto más separadas están las
fases.
• Si se incrementa M, manteniendo la S/N constante,
disminuye la separación entre fases adyacentes,
posibilitando mayores errores en recepcción; sin
embargo, al subir M aumenta la información contenida
en la señal y disminuye la velocidad de modulación y por
ende el ancho de banda requerido.
5.3.2 MODULACIÓN DIFERENCIAL PSK
(DPSK)
• Se tiene una modulación PSK diferencial cuando la
información está contenida en las variaciones de la fase
de la portadora modulada, con respecto a la fase del
estado anterior.
• En una modulación DPSK cada símbolo produce un
incremento (salto) de fase en la portadora, con respecto
a la fase del estado anterior.
• DPSK equivale a una modulación PSK en la que para
cada intervalo se toma como origen de fases, la fase de
la portadora del intervalo anterior.
5.4 MODULACIÓN DE AMPLITUD EN
CUADRATURA (QAM)
• Una modulación QAM (Quadrature Amplitude
Modulation) involucra la variación simultánea de dos
parámetros de la onda portadora: amplitud y fase.
• La expresión matemática de una señal modulada QAM
es de la forma:
SQAM(t) = ri Cos{Wp t + i}
•
ri está asociado con los cambios en amplitud de la
portadora modulada, en tanto que i está asociado con
los cambios en fase de la portadora modulada.
• Es posible considerar a la modulación QAM como una
extensión de la modulación PSK.
MODULACIÓN DE AMPLITUD EN
CUADRATURA (QAM)
• 4 QAM es idéntico al caso 4 PSK. Sin embargo,
sistemas QAM de mayor orden (M>4) son diferentes a
los sistemas de múltiples fases PSK.
• En contraste con la señal PSK, QAM no tiene
envolvente constante, pues en QAM varía la amplitud de
la portadora modulada.
• La característica de comportamiento frente al error de
QAM y PSK es diferente. M-QAM es más robusta que
M-PSK para el mismo número de estados de
modulación.
MODULACIÓN DE AMPLITUD EN
CUADRATURA (QAM)
• Para un igual número de estados de
modulación, los espectros de MPSK y MQAM
son idénticos.
• En general, la modulación QAM da una tasa de
error (BER) menor que la PSK para la misma
relación S/N; y, esta última presenta un
comportamiento mejorado con respecto a la
modulación ASK.

IV. CONCEPTOS BÁSICOS DE COMUNICACIONES DE DATOS

Transcripción

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