Comunicación de datos digitales

TÃ CNICAS DE COMUNICACIÃ N DE DATOS DIGITALES
Transmisión asÃ−ncrona
Esta se desarrolló para solucionar el problema de la sincronÃ−a y la incomodidad de los equipos.
En este caso la temporización empieza al comienzo de un carácter y termina al final, se añaden dos
elementos de señal a cada carácter para indicar al dispositivo receptor el comienzo de este y su
terminación.
Opera de la siguiente forma:
La estrategia consiste en evitar el problema de la temporización mediante el envÃ−o ininterrumpido de
cadenas de bits que no sean muy largas.
Los datos se envÃ−an carácter a carácter, con 5 a 8 bits por carácter, según el código utilizado (ebcdic,
ascii, etc.).
La temporización o sincronización se debe mantener durante la emisión del carácter.
El receptor puede resincronizarse al principio de cada carácter.
Cuando no se transmite la lÃ−nea estará en estado de”reposo”:
• se puede definir que el reposo es equivalente al elemento de señalización correspondiente al 1
binario.
El principio de cada carácter se indica mediante un bit de comienzo que corresponde al valor binario “0”.
Luego se transmite el carácter, comenzando por el bit menos significativo, que tendrá desde 5 hasta 8 bits.
Normalmente, el carácter va seguido de un bit de paridad, que corresponderá al bit más significativo:
El bit de paridad se determina en el emisor de manera que el n° de “1” dentro del carácter, incluyendo el
bit de paridad, sea par (paridad par) o impar (paridad impar).
Se utiliza en el receptor para la detección de errores.
Finalmente se transmite el bit de parada, normalmente un “1” binario:
Se debe especificar su longitud mÃ−nima.
Generalmente corresponde a 1, 1,5 o 2 veces la duración de un bit convencional.
El elemento de parada es igual que el estado de reposo, por lo que el transmisor emitirá la señal de parada
hasta que se vaya a transmitir el siguiente carácter.
Si se envÃ−a una cadena estacionaria de caracteres, la separación entre cada dos caracteres será uniforme e
igual a la duración del elemento de parada.
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No es muy exigente respecto de los requisitos de la temporización; la resincronización es por cada
carácter transmitido.
Un error de temporización dará lugar a dos errores:
• la última muestra de la señal recibida será incorrecta.
• la cuenta de bits puede estar desalineada:
• si el bit 7 es “1” y el bit 8 es “0”, el bit 8 se puede interpretar erróneamente como un bit de
comienzo.
• ocurre un “error de delimitación de trama”, que también se puede presentar si el ruido hace que se
detecte un bit de comienzo erróneamente durante el estado de reposo.
Se denomina “trama” a la unidad constituida por el carácter más los bits de comienzo y de parada.
La transmisión asÃ−ncrona es sencilla y poco costosa pero requiere 2 ó 3 bits suplementarios por cada
carácter: 20% aproximadamente.
El % de bits suplementarios se podrÃ−a reducir transmitiendo bloques con más bits entre los de arranque y
de parada:
• cuanto mayor es el bloque de bits, mayor es el error de temporización acumulado.
• otra forma de mejorar el rendimiento es utilizando la transmisión sÃ−ncrona.
Transmisión sÃ−ncrona
Este tipo de transmisión se caracteriza porque antes de la transmisión de propia de datos, se envÃ−an
señales para la identificación de lo que va a venir por la lÃ−nea, es mucho mas eficiente que la
asÃ−ncrona pero su uso se limita a lÃ−neas especiales para la comunicación de ordenadores, porque en
lÃ−neas telefónicas deficientes pueden aparecer problemas.
Se transmite un bloque de bits como una cadena estacionaria sin utilizar códigos de comienzo o parada.
El bloque puede tener muchos bits.
Se deben sincronizar los relojes del emisor y del receptor para evitar la desincronización.
Una forma de sincronización es proporcionar la señal de reloj a través de una lÃ−nea independiente:
• el receptor o el transmisor enviará regularmente un pulso de corta duración.
• el otro extremo utiliza esta señal a modo de reloj.
• funciona bien a cortas distancias.
• a distancias superiores presenta los mismos problemas que las señales de datos, pudiendo aparecer
errores de sincronización.
Otra forma consiste en incluir la información de sincronización en la propia señal de datos:
• para la señalización digital se puede utilizar codificación manchester o manchester diferencial.
• para señales analógicas una forma es que la frecuencia de la portadora por sÃ− misma se puede
utilizar para sincronizar el receptor usando la fase.
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Se requiere un nivel de sincronización adicional para que el receptor pueda determinar el comienzo y el fin
de cada bloque de datos:
• cada bloque comienza con un patrón de bits de preámbulo y generalmente termina con un patrón
de bits de final.
• se agregan bits de control adicionales utilizados por los procedimientos de control del enlace.
La “trama”:
• está integrada por los datos, el preámbulo, los bits de final y la información de control.
• el formato dependerá del procedimiento de control del enlace.
• con bloques de datos suficientemente grandes es mucho más eficiente que la t. asÃ−ncrona, pues el
% de bits suplementarios es del 0,6% para 1000 caracteres de datos con hdlc.
• formato de una trama sÃ−ncrona:
Transmisión Isocrónica
La transmisión isocrónica ha sido desarrollada especialmente para satisfacer las demandas de la
transmisión multimedia por redes, esto es integrar dentro de una misma transmisión, información de voz,
vÃ−deo, texto e imágenes, la transferencia isocrónica provee comunicación continua y periódica entre el
host y el dispositivo, con el fin de mover información relevante a un cierto momento. La transmisión
isocrónica se encarga de mover información relevante a algún tipo de transmisión, particularmente audio
y vÃ−deo.
Esta octava edición nos servirá exclusivamente para entender adecuadamente dos términos que vinimos
mencionando a lo largo de toda esta serie de artÃ−culos sobre el bus USB: transmisión isocrónica y
transmisión bulk. Es importante comprender adecuadamente este término ya que es el principal tipo de
transmisión soportada por este bus. Adicionalmente es un término bastante desconocido aunque se perfila
como uno de los sistemas de transmisión más importantes en los siguientes años.
La transmisión isocrónica ya parte de un conjunto clásico de formas de transmisión bien conocidas que
vamos a mencionar a continuación a fin de comprender mejor el concepto nuevo.
INTERFACES
Los dispositivos de procesamiento de datos generalmente no se interconectan directamente a la red de
transmisión.
Los dispositivos mencionados (terminales y computadoras) se denominan generalmente DTE (“data terminal
equipment: equipo terminal de datos”).
El DTE utiliza el medio de transmisión a través del DCE (“data circuit-terminating equipment: equipo
terminación del circuito de datos”), tÃ−picamente un módem.
El DCE debe:
• transmitir y recibir bits, de uno en uno, a través del medio de transmisión o red.
• interaccionar con el DTE mediante el intercambio de datos e información de control a través de
los circuitos de intercambio.
Los DCE trabajan de a pares:
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• el receptor de cada DCE debe usar el mismo esquema de codificación (manchester, PSK, etc.) y la
misma razón de datos que el transmisor del otro extremo.
Cada pareja DTE - DCE debe trabajar cooperativamente según normalizaciones que especifican exactamente
la naturaleza de la interfaz entre ellos.
La especificación de la interfaz tiene caracterÃ−sticas importantes:
• mecánicas.
• eléctricas.
• funcionales.
• de procedimiento.
Las caracterÃ−sticas de procedimiento están relacionadas con la conexión fÃ−sica entre el DTE y el DCE:
• los circuitos de intercambio de control y de señal se agrupan en un cable con un conector, macho o
hembra, a cada extremo.
• el DTE y el DCE deben tener conectores de distinto género a cada extremo del cable.
Interfaces para las comunicaciones de datos:
Asignación de los terminales en v.24/eia-232 (conector en el
DTE):
Las caracterÃ−sticas eléctricas están relacionadas con los niveles de tensión y su temporización:
• el DTE y el DCE deben usar el mismo código (ej.: NRZ-L), los mismos niveles de tensión y la
misma duración para los elementos de señal.
• lo anterior es determinante de la razón de datos y de la distancia máxima que se puede cubrir.
Las caracterÃ−sticas funcionales especifican la secuencia de eventos que se deben dar en la transmisión de
datos, según las caracterÃ−sticas funcionales de la interfaz.
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Dos de las normalizaciones para la interfaz son:
• v.24/eia-232-e.
• interfaz fÃ−sica de RDSI.
V.24/EIA-232-E
Es un estándar de la UIT-TY es la interfaz más utilizada.
La correspondencia del estándar de EE.UU. (eia-232, anteriormente rs-232) es:
• mecánicos: ISO 2110.
• eléctricos: v.28.
• funcionales: v.24.
• de procedimiento: v.24.
Se utiliza para conectar DTE a módems a través de lÃ−neas de calidad telefónica en sistemas de
telecomunicaciones analógicos públicos.
Especificaciones mecánicas
Para el EIA-232-E se utiliza un conector de 25 contactos metálicos distribuidos de una manera especÃ−fica
según se define el ISO 2110. Este conector es el terminador del cable que va desde el DTE (terminal) al
DCE.
Especificaciones eléctricas
Definen la señalización entre el DTE y el DCE.
Se utiliza señalización digital en todos los circuitos de intercambio.
Los valores eléctricos, dependiendo de la función del circuito de intercambio, se interpretarán como:
• binarios.
• señales de control.
Se utiliza el código NRZ-L.
Funciona a menos de 20 Kbps para hasta 15 metros.
Una tensión menor de -3 voltios corresponde a:
• 1 binario (señal de datos).
• off (señal de control).
Una tensión mayor de +3 voltios corresponde a:
• 0 binario (señal de datos).
• ON (señal de control).
Especificaciones funcionales
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Corresponden a los distintos circuitos de intercambio.
Se especifican circuitos de datos, de control, de temporización y de tierra.
Hay un circuito en cada dirección, lo que permite el funcionamiento full-dúplex.
Hay dos circuitos de datos secundarios útiles para el funcionamiento en semi-dúplex.
Para mensajes de control de flujo o peticiones de parada de la transmisión, se utiliza un canal en sentido
inverso, de menor velocidad que el canal primario:
• en la interfaz DTE-DCE se establece en una pareja de circuitos de datos independientes.
Hay 15 circuitos de control, 10 para la transmisión de datos sobre el canal primario.
Para la transmisión asÃ−ncrona se utilizan 6 de los circuitos de control y para la sÃ−ncrona éstos y otros
3 más.
El circuito SQD (“signal quality detector”: circuito detector de la calidad de la señal) es puesto en “ON” por
el DCE para:
• indicar que la calidad de la señal de entrada a través de la lÃ−nea telefónica se ha deteriorado
por encima de cierto umbral.
• solicitar reducir la velocidad de transmisión.
Se utilizan los circuitos DSRD (“data signal rate detector”: circuitos de selección de la razón de la señal
de datos).
La modificación de la velocidad puede ser iniciada tanto por el DTE como por el DCE.
El uso del canal secundario:
• está controlado por 3 circuitos de control.
• puede destinarse a canal de sentido inverso o a propósitos auxiliares.
Un grupo de señales de control está relacionado con la verificación de la conexión entre el DTE y el
DCE:
• permiten que el DTE haga que el DCE realice un test de la conexión.
• se requiere que el DTE y el DCE soporten un bucle de control, que puede ser local o remoto.
• durante el “test” el DCE pone a “ON” el circuito de “modo de test”.
• son útiles para el diagnóstico de fallos comprendiendo:
Bucle local: interfaz local y DCE local.
Bucle remoto: canal de transmisión y DCE remoto.
Las señales de temporización proporcionan los pulsos de reloj en la transmisión sÃ−ncrona; se utilizan:
• el circuito de “recepción de datos”.
• el circuito de “temporización del receptor”.
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Circuitos de intercambio en v.24/EIA-232-f:
Bucles local y remoto:
Especificaciones de procedimiento
Definen la sucesión de cómo se usan los diferentes circuitos en una aplicación determinada.
En una conexión de módems de lÃ−nea privada punto a punto son necesarios los siguientes circuitos de
intercambio:
• la señal de tierra.
• transmisión de datos.
• recepción de datos.
• petición de envÃ−o.
• preparado para enviar.
• DCE preparado.
• detector de señal recibida.
Cuando el módem (DCE) se enciende y está listo, activa la lÃ−nea “DCE preparado”.
Cuando el DTE está preparado para enviar datos, activa la lÃ−nea “preparado para enviar”.
Cuando el módem está preparado responde activando la lÃ−nea “preparado para enviar”:
• en transmisión semi-dúplex el circuito de “petición de envÃ−o” inhibe el modo de recepción.
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• el DTE puede transmitir a través de la lÃ−nea de “transmisión de datos”.
Cuando recibe datos del módem remoto el módem local:
• activa la lÃ−nea “detector de señal recibida” para indicar que el módem remoto está
transmitiendo.
• transfiere los datos a través de la lÃ−nea “recepción de datos”.
No se utilizan circuitos de temporización porque la transmisión es asÃ−ncrona.
Realización de una llamada en v.24/EIA-232:
Para la utilización de la red pública conmutada telefónica son necesarios circuitos adicionales:
• DTE preparado.
• indicador de llamada.
Cuando se realiza la llamada:
• el sistema telefónico envÃ−a la señal de llamada.
• un módem responde activando el circuito “indicación de llamada”.
• el DTE responde activando el circuito “terminal de datos preparado”.
• el DTE intentará escuchar el “detector de portadora” que será activado por el módem cuando una
señal esté presente.
Si no se activa, el DTE desactivará el “terminal de datos preparado”.
En situaciones de distancias muy cortas podrÃ−an conectarse los DTE directamente (sin DCE) utilizando una
“configuración de módem nulo”.
La interfaz fÃ−sica de la RDSI
Una alternativa al gran n° de circuitos de intercambio de v.24/eia-232-e serÃ−a utilizar menos circuitos
incorporando más lógica de control entre las interfaces del DTE y el DCE.
La especificación x.21 utiliza un conector de 15 contactos para la interfaz a redes públicas de conmutación
de circuitos.
La especificación RDSI utiliza un conector de 8 contactos.
Interfaz RDSI:
Conexión fÃ−sica
La conexión fÃ−sica se establece entre:
• Teq: “terminal equipment”: equipo terminal.
• NT: “network-terminating equipment”: equipo terminador de lÃ−nea.
El te se corresponde aproximadamente con el DTE y el nt con el DCE.
La conexión fÃ−sica utiliza conectores de 8 contactos según la norma ISO 8877.
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Para transmitir datos en cada una de las dos direcciones se usan dos contactos.
Los terminales de contactos se utilizan para conectar mediante pares trenzados los circuitos entre el nt y el te.
Los circuitos no tienen especificaciones funcionales especÃ−ficas, por lo que:
• los circuitos de recepción y de transmisión se utilizan para transmitir señales de datos y de
control.
• la información de control se transmite usando mensajes.
La especificación permite transmitir energÃ−a a través de la interfaz, en ambos sentidos, dependiendo de
la aplicación.
Especificaciones eléctricas
La especificación establece que se use transmisión balanceada:
• las señales se transmiten usando dos conductores (ej.: par trenzado).
• las señales se envÃ−an por un conductor y retornan por el otro, formando un circuito cerrado.
• en el caso de señales digitales esto se denomina señalización diferencial.
Los valores binarios dependen del sentido de las diferencias de tensión entre los dos conductores.
La transmisión no balanceada (eia-232) utiliza un solo conductor para transportar la señal siendo el retorno
el circuito de tierra.
El modo balanceado tolera más y produce menos ruido que el modo no balanceado:
• las interferencias afectarán a ambos conductores por igual y no afectarán a las diferencias de
tensión.
• la transmisión no balanceada resulta más afectada y por ello su alcance es menor.
En el enlace básico a 192 Kbps se utiliza codificación pseudoternaria:
• los “1” binarios se representan por la ausencia de tensión.
• los “0” binarios se representan por un pulso negativo o positivo de 750 mv +- 10%.
En el enlace primario las posibilidades son:
• para una razón de datos igual a 1,544 Mbps se utiliza la codificación con “inversión de marca
alternante”: AMI: “Alternate Mark Inversion” con b8zs.
• para una velocidad igual a 2,048 Mbps se utiliza la codificación AMI con HDB3.
Los tipos de canales estandarizados (multiplexados por división de tiempo) son:
• a: canal analógico telefónico de 4 khz.
• b: canal digital pcm de 64 Kbps para voz o datos.
• c: canal digital de 8 o 16 Kbps
• d: canal digital de 16 Kbps para señalización fuera de banda.
• e: canal digital de 64 Kbps para señalización ISDN interna.
• h: canal digital de 384, 1536 o 1920 Kbps
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Los tipos de combinaciones estandarizadas son:
• velocidad básica: 2b + 1d.
• velocidad primaria: 23b + 1d (EE.UU. y Japón) o 30b + 1d (Europa).
• hÃ−brida: 1a + 1c.
Teorema de Shannon de Capacidad de un Canal
Capacidad de un canal
• Se llama capacidad de un canal a la velocidad, expresada en bps ( bits por segundo), a la que se
pueden transmitir los datos en un canal o ruta de comunicación
• Las limitaciones en el ancho de banda surgen de las propiedades fÃ−sicas de los medios de
transmisión o por limitaciones que se imponen deliberadamente en el transmisor para prevenir
interferencia con otras fuentes que comparten el mismo medio.
• Cuanto mayor es el ancho de banda mayor el costo del canal.
• Lo deseable es conseguir la mayor velocidad posible dado un ancho de banda limitado, no superando
la tasa de errores permitida.
• El Mayor inconveniente para conseguir esto es el RUIDO.
El teorema establece
La capacidad del canal de Shannon, una cota superior que establece la máxima cantidad de datos digitales,
que pueden ser transmitidos sin error es cero (esto es, información) que pueden ser transmitidos a través
de bytes sobre dicho enlace de transmisión con un ancho de banda especÃ−fico y que está sometido a la
presencia de la interferencia del ruido. Cuya formula es B= logx exp y donde “X” es la señal sin ruido e “Y”
es la señal transmitida
En las hipótesis de partida, para la correcta aplicación del teorema, se asume una limitación en la potencia
de la señal y, además, que el proceso del ruido gausiano es caracterizado por una potencia conocida o una
densidad espectral de potencia.
La ley debe su nombre a Claude Shannon y Ralph Hartley.
TeorÃ−a creada en 1940 por el por el ingeniero Claude E. Shannon, Los problemas que plantea Shannon,
tienen que ver con la cantidad de información, la capacidad del canal de comunicación, el proceso de
codificación que puede utilizarse para cambiar el mensaje en una señal y los efectos del "ruido". Pero no se
refiere a las personas como protagonistas de la comunicación, sino al proceso desde la perspectiva de:
• Sus aspectos medibles.
• A las condiciones idóneas de transmisión de información entre máquinas.
• Al cálculo de la pérdida de información transmitida a través de un canal.
Dado un nivel de ruido, cuanto mayor es la velocidad de transmisión mayor es la tasa de errores.
Matemáticamente el teorema de Shannon se define por:
C = B logâ
(1+S/N)
Donde:
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C=capacidad teórica máxima en bps.
B=ancho de banda del canal Hz.
S/N=relación de señal a ruido, S y N dados en watts.
Ejemplo:
Supóngase que el espectro de un canal está situado entre 3Mhz y 4 MHz y que la SNR es de 24 dB.
B=4Mhz- 3Mhz=1Mhz
SNR=24 dB =10 logâ “â ” (SNR)=251
Usando la fórmula de Shannon se tiene que:
C= 10⓶ logâ
(1+251)= 8 Mbps
Este es un lÃ−mite teórico difÃ−cil de alcanzar.
Según Nyquist para alcanzar este lÃ−mite ¿Cuántos niveles serán requeridos?
C= 2 B logâ
4= logâ
M=8x10⓶ = 2x10⓶ x logâ
M
M entonces M=16 niveles
• Para un nivel de ruido dado, podrÃ−a parecer que la velocidad de transmisión se puede aumentar
incrementando tanto la energÃ−a de la señal como el ancho de banda.
• Sin embargo, al aumentar la energÃ−a de la señal, también lo hacen las no linealidades del
sistema dando lugar a un aumento en el ruido de intermodulación.
• Ya que el ruido se ha supuesto blanco, cuanto mayor sea el ancho de banda, más ruido se
introducirá al sistema. Por lo tanto, cuando aumenta B, disminuye SNR.
GLOSARIO
DTE: “Data Terminal Equipment”. Equipo terminal de datos.
DCE: “Data Circuit-terminating”. Equipo terminación del circuito de datos.
SQD: “Signal Quality Detector”. Circuito detector de la calidad de la señal.
DSRD: “Data Signal Rate Detector”. Circuito de selección de la razón de la señal de datos.
HOST: Equipo, como un PC u otro dispositivo informático como un servidor, asociado a una dirección IP
individual y, opcionalmente, a un nombre.
BUCLE: Ruta donde los paquetes nunca alcanzan su destino, sino que pasan por ciclos repetidamente a
través de una serie constante de nodos de red.
EIA: Grupo que especifica los estándares de transmisiones eléctricas. EIA y TIA han desarrollado en
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conjunto numerosos estándares de comunicación de amplia difusión, como EIA/TIA-232 y EIA/TIA-449.
TRANSMISIà N BULK: Es una comunicación no periódica, explosiva tÃ−picamente empleada por
transferencias que requieren usar todo el ancho de banda disponible.
CODIFICACIÃ N NRZ: NRZ (Non Return to Zero) debido a que el nivel del uno o el cero es constante
durante todo el intervalo de bit (No baja a cero).
CODIFICACIà N MANCHESTER: La codificación de Manchester combina datos y reloj en sÃ−mbolos
de bit, que se dividen en dos mitades, con la polaridad de la segunda mitad siempre inversa a la de la primera
mitad.
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