Conversión de Señales y Transmisión de Datos

Conversión de Señales y Transmisión de Datos
Carlos Figueira
Universidad Simón Bolívar
Junio 1996
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1. Medios de Transmisión
El medio de transmisión es el soporte físico por donde viaja la señal
Se pueden clasificar en dos tipos, de acuerdo a la forma como como
viaja la señal por el medio: guiados o no guiados
Los medios guiados más utilizados son: cable par trenzado (twisted
pair TP), cable coaxial y fibra óptica
El medio no guiado es el espacio libre (no utiliza cables).
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Los factores que afectan una señal cuando atraviesa un medio de
transmisión son:
Atenuación: la señal pierde potencia en función de la distancia
recorrida.
Distorsión por atenuación: la atenuación depende de la frecuencia,
por lo que distintos componentes de la señal serán afectados de
manera distinta.
Distorsión por retardo: cada componente de frecuencia se propaga a
velocidad diferente
Ruido: térmico, crosstalk e intermodulación, etc.
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1.1.
Medios de Transmisión Guiados
1.1.1.
Par trenzado
Consiste en dos alambres de cobre “entorchados” o enrollados como
una trenza. El grueso de los cables varía entre 0.4 y 1 mm de
diámetro. Suelen colocarse varios pares recubiertos por una
protección metálica.
Es el medio más utilizado para transmisión de señales digitales y
analógicas: es el más económico
Se usa en el sistema telefónico, en centrales privadas, en redes
locales, interconexión de equipos, etc.
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Par Trensado
(a) UTP Categoría 3.
(b) UTP Categoría 5.
(UTP= Unshielded Twisted Pair)
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Características de transmisión del TP
Comparado con otros medios, posee limitaciones en distancia, ancho
de banda y tasa de datos. Su atenuación depende fuertemente de la
frecuencia
Requiere repetidores cada 5 o 6 km, para señales analógicas, y cada 2
o 3 km para señales digitales
Es muy sensible al ruido electromagnético y a la interferencia. Para
reducir influencia al ruido se suele recubrir con una envoltura
conductora (papel metalizado u otro), mientras que la interferencia se
reduce con el entorchado y usando transmisión balanceada.
En señales analógicas se usa hasta 250 KHz; en señales digitales
puede alcanzar algunos Mbps en conexiones punto a punto.
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1.1.2.
Cable Coaxial
Consiste de dos conductores, uno de los cuales es un alambre
ubicado en el centro del otro, que es un cilindro. El espacio entre los
dos se llena con un material aislante (dieléctrico).
Sus usos son múltiples: transmisión telefónica y de TV de larga
distancia, distribución de televisión, redes locales, enlaces entre
sistemas.
Se usa en sistemas de banda ancha, usando multiplexing en
frecuencia
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Cable Coaxial
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Características de transmisión del coaxial
Posee mejor ancho de banda que el TP debido a su construcción, así
como mayor protección contra ruido electromagnético e
interferencia.
Las principales limitaciones son: la atenuación (y su variación con la
frecuencia), el ruido térmico y el ruido de intermodulación (en
sistemas de banda ancha).
Su espectro de uso se extiende hasta los 400 MHz, y tasas de
transmisión de hasta 800 Mbps.
La separación entre repetidores es de 1 km, o menos para tasas altas.
Para señales analógicas la separación entre amplificadores es de
pocos kms.
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1.1.3.
Fibra óptica
Una fibra óptica (FO) es un medio fino, flexible, capaz de conducir
un rayo óptico.
Se construyen con diferentes tipos de vidrio y plástico, cada uno de
ellos con diferentes propiedades de atenuación, etc.
Posee una forma cilíndrica, compuesta por tres secciones: núcleo
(core), revestimiento (cladding) y protector (jacket). El rayo de luz
viaja exclusivamente por el núcleo, gracias a la refracción total en la
interfaz con el revestimiento.
Los datos modulan una señal de luz, en lugar de una señal eléctrica;
se utilizan convertidores opto-electrónicos.
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Fibra Óptica
(a) Tres ejemplos de un rayo de luz dentro de una fibra de silica con
distintos ángulos de incidencia.
(b) Luz atrapada por reflexión interna total.
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Cables de Fibra
(a) Estructura de una fibra.
(b) Ensamblaje de tres fibras en un cable.
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Propiedades de la FO
Ancho de banda potencialmente enorme, del orden de los Giga bits/s,
sobre decenas de kms.
Inmune al ruido electromagnético, y difícil de “pinchar”.
Baja atenuación, peso reducido y tamaño pequeño.
Larga distancia entre repetidores.
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Uso de la FO
En enlaces de larga distancia, como cables submarinos.
En interfaces de alta velocidad
En redes locales, redes públicas de alta velocidad (ATM) e interfaces
de alto desempeño (HIPPI, etc.)
En ambientes industriales
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Tipos de FO
Existen dos tipos de FO: monomodo y multimodo. Del multimodo
hay dos variantes: normal (step index) y gradual.
En la FO monomodo se propaga un único rayo de luz coherente. La
fuente de luz es un láser, posee un gran ancho de banda (1000
GHz/km)
La FO multimodo es más económica, puede utilizar componentes
baratos (LED’s para transmisión). Su ancho de banda es menor
(varios órdenes de magnitud menor que en monomodo) debido a la
distorsión por retardo.
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Input pulse
Output pulse
(a) Step-index multimode
Input pulse
Output pulse
(b) Graded-index multimode
Input pulse
Output pulse
(c) Single mode
Figure 4.4 Optical Fiber Transmission Modes
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Comparación de Medios de Comunicación Guiados
Los factores involucrados son: ancho de banda, inmunidad al ruido y
costo.
En cuanto al ancho de banda y la inmunidad al ruido, la FO es mejor
que el coaxial y éste mejor que el TP. En cuanto a costo ocurre en
principio lo contrario. Sin embargo, en largas distancias puede
resultar más económica la FO.
La tecnología está logrando cada vez más mejores desempeños de
cada uno de estos medios, por lo que la decisión en la elección puede
verse afectada por el momento.
La tecnología de FO aún está en desarrollo, y en particular no ha
resuelto el problema de la difusión.
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1.2.
Transmisión No Guiada
La transmisión por el espacio libre tiene algunas características
atractivas: no requiere cableado, por lo que es especialmente
apropiada para las grandes distancias; es muy eficiente para la
difusión (broadcast).
De acuerdo a la propagación en el medio, tenemos dos tipos de
transmisión no guiada: direccional y no direccional
La transmisión direccional requiere que la antena emisora y la antena
receptora estén en línea directa sin obstáculos.
Las técnicas más utilizadas para la transmisión de datos son: las
microondas (terrestres y de satélite) y radio frecuencia. Además de
éstas, se utilizan las ondas infrarrojas en enlaces de datos cortos.
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1.2.1.
Microondas terrestres
Las microondas son ondas electromagnéticas de frecuencia portadora
por encima de 1 GHz
Pueden soportar altas tasas de datos sobre largas distancias (del orden
de la centena de Kms), limitadas entre otros por la curvatura de la
Tierra.
Se usan principalmente para transportar televisión y voz por largas
distancias, enlaces entre edificios (para redes locales o circuitos
cerrados de TV).
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Características de Transmisión de las Microondas terrestres
Las frecuencias utilizadas comúnmente están entre los 2 y los 40
GHz. A mayor frecuencia mayor BW potencial.
La atenuación en el espacio libre es proporcional al cuadrado de la
distancia (en contraste con logarítmico en el caso de TP y coaxial) y
proporcional a la frecuencia.
La atenuación aumenta con la lluvia, en especial por encima de los
10 GHz
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1.2.2.
Microondas vía satélite
El satélite es utilizado como pivote para comunicar dos o más
estaciones terrestres.
El satélite recibe transmisiones en una frecuencia (uplink), amplifica
o repite la señal, y la transmite en otra frecuencia (downlink).
Un satélite operará sobre varias bandas de frecuencia, llamadas
canales transponders o simplemente transponders.
Para mantenerse en línea de visión con las estaciones terrestres, debe
ser geo-estacionario (órbita a 35784 Km), y deben mantener una
distancia para evitar interferencia.
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La comunicación por satélite se usa (por ahora) para distribución de
televisión, transmisión telefónica de larga distancia y redes privadas.
El rango óptimo de transmisión por satélite se encuentra en el rango
1-10 GHz
La mayoría de los satélites operan en la banda 4/6 GHz (banda C).
Por estar prácticamente saturada, se desarrolló la banda Ku (12/14
GHz), que requiere más potencia, pero permite a su vez equipo
menos costoso en los receptores.
La comunicación por satélite introduce un gran retardo de
propagación (240-300 ms), pero es muy apropiada para la difusión.
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1.2.3.
Radio
El espectro de radio considerado es la banda VHF y parte de UHF
(30 MHz a 1 GHz). En esta banda la radiación es omnidireccional.
Los anchos de banda están en el orden de los kbps.
La comunicación por radio no requiere alineación de antenas, ni
antenas en forma de plato
En esta banda la atenuación es menor que para las microondas
(igualmente proporcional a la frecuencia y al cuadrado de la
distancia), es poco sensible a la lluvia y no se refleja en la ionosfera
(a diferencia de frecuencias menores).
El principal problema es la interferencia por reflexión (como los
fantasmas en TV) y el ancho de banda moderado.
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2. Tipos de transmisión
La transmisión puede clasificarse de acuerdo a los siguientes criterios:
Sincronización emisor-receptor. Existen dos tipos: síncrona y
asíncrona. En la primera, se requiere que ambos posean la misma
referencia temporal, mientras que en la segunda no.
Flujo de información. SI la información fluye en una sola dirección, se
dice que es simplex. Si puede fluir en ambos sentidos
simultáneamente se dice que es duplex y si puede de manera
alternada, se dice que es half-duplex.
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3. Conversión de señales
Los datos sufren una conversión (muestreo, codificación, modulación,
etc.) antes de ser finalmente enviados por el canal de transmisión. A
continuación se describen los siguientes tópicos involucrados en la
conversión y transmisión de datos:
Interfaces Computador (DTE) - Equipo de transmisión (DTE).
Modems
Codecs
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3.1.
DTE-DCE
DTE (Data Terminal Equipment) es el acrónimo utilizado para
designar el equipo que genera/consume los datos a ser transmitidos.
DCE (Data Circuit-terminating Equipment) designa al equipo que se
encarga de la comunicación de los datos generados/consumidos por
el DTE.
El DCE por excelencia es el modem, descrito más adelante
Existen varios estándares propuestos para la interfaz DTE-DCE,
entre los cuales tenemos: RS-232, RS-442, X.21.
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3.1.1.
RS-232
Propuesto por la EIA (Electronic Industries Associates) en 1962; la
tercera revisión (RS-232-C) apareció en 1969 y la cuarta (RS-232-D)
en 1987. El CCITT posee una versión muy similar (V.24).
El estándar incluye especificaciones mecánicas, eléctricas,
funcionales y procedurales, que permiten el intercambio de
información binaria entre el DTE y el DCE, de manera serial.
Puede configurarse para conexión directa DTE-DTE (null modem).
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Las especificaciones mecánicas describen un conector de 25 pines,
numerados de 1-13 en la fila superior y 14-25 en la inferior, de izquierda a
derecha, cada uno con su función (control o datos).
Las especificaciones eléctricas incluyen el “1” (datos) y “OFF”
(control) (voltajes <de -3 Voltios) y el “0” (datos) y “ON” (control)
(voltajes > de +3 V). Los datos emplean NRZ-L.
La tasa de transmisión va hasta los 20 Kbps. La distancia máxima entre el
DTE y el DCE es de 15 metros.
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Especificaciones Funcionales
Hay 4 grupos de circuitos (llamados señales): datos (dos para el flujo
DTE→DCE y dos para el DCE→DTE), control, temporización
(timing) y protección (tierra común, blindaje).
Las señales de control se utilizan para el protocolo de comunicación
DCE-DTE.
Las señales de temporización permiten sincronizar el DTE y el DCE
para transmisión síncrona
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3.1.2.
RS-449
Las limitaciones en tasa de transmisión y distancia condujeron a la
EIA a proponer el RS-449 en 1977
Incluye dos estándares: RS-422-A y RS-423-A. 423-A es similar a
232-D (no balanceado) mientras que el 422 utiliza transmisión
balanceada. Ambos utilizan conectores de 37 pines.
La transmisión balanceada es más tolerante al ruido e introduce
menos ruido que la balanceada.
RS-423-A alcanza 3 kbps en 1000 m y 300 Kbps en 10 m. RS-422-A
alcanza 100 Kbps a 1200 m y 10 Mbps a 12 m.
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3.2.
Modem
El modem (modulador-demodulador permite el envío de datos
digitales usando señales analógicas. Uno de sus utilizaciones típicas
es el envío de datos usando la red telefónica.
Recibe los datos del DTE, y modula una señal analógica para su
envío a través de la línea telefónica (transmisión), y demodula la
señal analógica para extraer los datos para el DTE (recepción).
Utiliza diferentes tipos de modulación (FSK, PSK) y combinaciones
de éstos (QAM) a partir de 9600 bps
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3.3.
Codecs
Es un dispositivo (COdificar-DECodificar ) utilizado para cuantificar
y digitalizar una señal de voz, y relizar el proceso inverso.
Se utiliza en centrales telefónicas digitales para crear una trama
digital a partir de señales de voz (PCM: Pulse Code Modulation).
El codec toma una muestra cada 125 µs (8 KHz), discretiza la
muestra (usando una función no lineal), y la envía serialmente de
acuerdo a una referencia de sincronización de la trama.
Los codecs no están adaptados a las transmisión de datos
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Multiplexing por Tiempo
El sistema T1 (1.544 Mbps) de telefonía digital (PCM).
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