5.TransmisionDigital..

Tecnologías de Comunicación
de Datos
Transmisión digital
Eduardo Interiano
Contenido
„
Modulación por manipulación por
corrimiento (shift keying)
Transmisión serie y paralelo
„
Transmisión en banda base
„
Códigos de línea
„
„
Códigos de detección y corrección de
errores
2
Modulación por manipulación de
corrimiento (Shift Keying)
„
„
„
Hay tres maneras sencillas en que el ancho
de banda de la portadora del canal puede
manipularse: amplitud, fase y frecuencia
Esta manipulación no significa, sin embargo
que sean opciones teóricamente deseables
Estas manipulaciones se llaman ASK
(amplitude shift keying), FSK (frequency
shift keying) y PSK (phase shift keying)
3
ASK
„
„
„
La señal se manipula
según la fórmula
s(t) = A(t)cos[ωC t + ϕ 0 ]
En este método, no
se altera el ancho de
banda de la señal
transmitida
Es sensible al ruido
4
FSK
Se usan dos frecuencias. Una para los 1, otra
para los 0. La señal modulada puede
considerarse como la suma de dos señales de
AM de portadora diferente
s(t) = A(t)cos[ωC1t + ϕ ] + B(t)cos[ωC 2t + ϕ ]
5
FSK: Tipos
„
„
Se llama FSK de banda ancha, cuando
las portadoras se separan más que los
anchos de banda de los espectros de ω1
y ω2 (f1(t) y f2(t))
Se llama de banda angosta si las
portadoras se separan menos que el
ancho de espectro de ASK para esa
s(t)
=
A(t)cos[
ω
t
+
ϕ
]
+
B(t)cos[
ω
t
+
ϕ
]
C
1
C
2
misma modulación
6
PSK, BPSK
„
Matemáticamente, PSK
responde a esta ecuación
s(t) = cos[ωC t + ϕ (t )]
„
„
„
En BPSK, el ángulo solo
tomas dos valores: 0 ó π
Por ello, se la considera una
variación de ASK, con f(t)
tomando los valores –1 ó 1.
El ancho de banda es por
tanto, el mismo de ASK
7
QPSK
„
„
„
QPSK. La fase puede tomar cuatro valores: 0,
π/2, π/4, 3π/2
M-ary PSK. Tiene M fases, 2πmM; m=0,1,...,
M-1
Baud rate: Es el número de veces por
segundo que cambia el parámetro de señal
(amplitud, fase o frecuencia). También se le
llama Tasa de señalización. Se mide en
baudios
8
Transmisión serie y paralelo
„
Transmisión serie
„
„
Se transmite bit por
bit
Transmisión en
paralelo
„
Se transmiten varios
bits simultáneamente
9
Transmisión en paralelo
„
„
„
„
„
Se transmiten grupos de bits en
paralelo
Alta velocidad
Muchas conexiones (n-líneas + control)
Longitud limitada a varios metros
Velocidad en bytes/segundo o múltiplos
como Mbytes/segundo
10
Transmisión en paralelo
„
„
Apta para comunicación dentro de una
placa de circuito impreso
Usada para comunicar equipos a muy
corta distancia entre sí ej: computadora
a impresora o a discos externos
11
Transmisión serie
„
„
„
Baja a mediana velocidad
Requiere menos conexiones (3 líneas)
Mayor alcance:
„
„
„
sin modulación algunos cientos de metros
con modulación ilimitado
La velocidad de comunicación se
expresa en bits/segundo (bps) o
múltiplos como Mbps.
12
Transmisión serie: requisitos
„
„
El receptor, para poder recuperar los
bits de datos, debe ser capaz de
identificar el inicio y el fin de cada bit
También el receptor tiene que
identificar el inicio y el fin del mensaje o
secuencia de bits
13
Transmisión serie: tipos
„
Dependiendo de la forma empleada
para sincronizar el receptor con el
transmisor se conocen dos tipos
„
Serie asincrónica
„
Serie sincrónica
14
Transmisión serie asincrónica
„
„
La señal de reloj no se incluye con los
datos, el receptor y el transmisor deben
ponerse de acuerdo antes sobre la
velocidad de transmisión
Ya que los relojes en el receptor y
transmisor sólo se sincronizan al inicio
del carácter, se limita la cantidad de
bits para que el error de sincronización
no sea demasiado grande
15
Transmisión serie asincrónica
„
„
„
La unidad de datos es el byte o
carácter, que se transmite separado de
otros por un tiempo totalmente variable
La trama de un byte incluye un bit de
inicio, varios bits de datos, uno o varios
bits de parada y opcionalmente un bit
de paridad
La línea toma el valor marca cuando
está inactiva
16
Transmisión serie asincrónica
T
T=Tiempo de bit
17
Eficiencia de la transmisión
serie asincrónica
„
Tenemos que para transmitir un byte se
requieren al menos 2 y a veces hasta 3
bits extra; por lo que la eficiencia de
transmisión máxima es:
η asinc
BitsdeDatos 8
=
=
= 0.8 = 80%
TotaldeBits 10
18
Transmisión serie sincrónica
„
„
„
La señal contiene información del reloj
entremezclada con los datos
El receptor extrae el reloj de la señal
para sincronizarse
Como el receptor está siempre
sincronizado con el transmisor, el
número máximo de bits se puede
incrementar sin aumentar el error de
sincronización
19
Transmisión serie sincrónica
„
„
La unidad de datos es la trama, la cual
contiene varios bytes de datos
Para sincronizar el inicio y el fin de la
trama se utilizan secuencias especiales
de bits (flag), que no pueden ocurrir en
el campo de los datos u otro
20
Transmisión serie sincrónica
Formato de una trama sincrónica típica
Bytes:
1
2
2
variable (1500 máx.)
2
1
Flag
Dirección
Control
Datos
FCS
Flag
21
Eficiencia de la transmisión
serie sincrónica
„
Las tramas sincrónicas usan
aproximadamente 8 bytes extra para
transmitir hasta 1500 bytes de datos
por lo que la eficiencia máxima es de:
ηsinc
BytesdeDatos 1500
=
=
= 0.9947 = 99.47%
TotaldeBytes 1508
22
Transmisión en banda base
„
Se dice que si la magnitud espectral de
una forma de onda es diferente de cero
a frecuencias cercanas al f = 0 e
insignificante en otra parte, la forma de
onda es banda base
M
0
f [Hz]
23
Codificación de línea
„
„
Método para convertir secuencia de
datos binarios en una señal digital
Objetivos de la codificación de línea
„
„
„
„
„
Maximizar la velocidad de transmisión
Facilitar la recuperación de la señal de reloj
Capacidad para detectar errores
Inmunidad al ruido e interferencias
Eliminación del nivel de CD
24
Códigos de línea: ejemplos
NRZ unipolar
NRZ polar
NRZ invertida
(codificación
diferencial)
Bipolar
Manchester
Manchester
diferencial
25
Códigos de línea: propiedades
deseables
„
„
„
„
„
„
Autosincronización
Baja probabilidad de error de bits
Espectro adecuado para el canal
Ancho de banda de transmisión
pequeño
Capacidad de detección de errores
Transparente
26
Espectros de códigos de línea
Espectro de algunas formas de codificación
27
AMI
Usado en las líneas dedicadas T1
28
HDB3
29
2B1Q: Reglas de codificación
„
„
„
„
2B1Q es un código de
cuatro niveles
Toma dos bits y los
convierte en un baudio
de 4 niveles
Se reduce a la mitad la
frecuencia de la línea
Requiere una relación
S/N mejor para una
misma tasa de errores
(BER)
Ventajas: Atenuación reducida, e
inmunidad mejorada al ruido y la
diafonía cercana y lejana (la energía de
altas frecuencias se puede filtrar)
30
2B1Q: Codificación de línea
31
Corrección de errores
„
En sistemas de comunicación se usan
dos tipos de corrección de errores:
„
„
Solicitud de repetición automática
(ARQ : Automatic Repeat Request)
Corrección anticipada de errores
(FEC : Forward Error Correction)
32
Corrección de errores
Solicitud de repetición automática
„
„
„
Se emplea en sistemas de comunicación
bidireccionales simultáneos (full-duplex)
Si el receptor encuentra que el mensaje está bien
envía un ACK al transmisor
Cuando el receptor detecta errores en un bloque
de datos, solicita que se retransmita el mensaje
por medio de un NACK
33
Corrección de errores
Corrección anticipada de errores
„
„
„
Se emplea en sistemas de comunicación en
canales de una vía (simplex) o en sistemas duplex
con demoras grandes en la transmisión
Los datos transmitidos se codifican de forma tal
que el receptor pueda detectar y corregir los
errores
Estos métodos se clasifican como codificación del
canal
34
Codificación de canal
Sistema de comunicación digital en general
35
Codificación de canal
„
„
La codificación implica agregar bits
adicionales (redundantes) al flujo de
datos de modo que el decodificador
reduzca o corrija los errores a la salida
del receptor
Los bits adicionales aumentan los
requisitos de ancho de banda de la
señal codificada
36
Clasificación de códigos
„
De bloque
„
„
El codificador no tiene memoria
Convolucionales
„
El codificador tiene memoria
37
Clasificación de códigos
De bloque
„
„
„
Se transforman k símbolos binarios de
entrada en n símbolos binarios de salida
con n > k
Se selecciona la codificación que produzca
redundancia, tal como bits de paridad
Ejemplos de códigos de bloque:
„
„
Hamming
Reed-Solomon
38
Clasificación de códigos
Convolucionales
„
Se transforman k símbolos binarios de
entrada en n símbolos binarios de salida
donde los símbolos de salida se ven
afectados por (v + k) símbolos de entrada
39
Tasa de error de bits
(BER: Bit Error Ratio)
„
„
„
Es una medida del deterioro de la información
en un sistema de comunicaciones digital
(similar a la relación señal a ruido de los
sistemas analógicos)
Es la probabilidad de error de bit
En forma simple es el número de errores
dividido entre el número total de bits en un
intervalo de tiempo determinado
40
Tasa de error de bits
(BER: Bit Error Ratio)
BitsConError
BER =
BitsTotales
„
Ejemplo: si se reciben 10 bits erróneos
por cada millón de bits totales tenemos:
10
BER =
= 0.00001 = 1*10 −5
1000000
„
Lo que significa que hay un bit con
error por cada 100000 bits recibidos
41
Códigos de detección de
errores
„
Paridad simple,
„
„
„
paridad transversal
paridad longitudinal
Verificación de redundancia cíclica
(CRC: Cyclic Redundancy Check)
„
CRC-16 o CRC-32
42
Paridad simple
„
„
„
La paridad P, es el número de bits 1 de
una secuencia de bits
Si se acuerda paridad par, el número de
bits 1 debe ser par en la secuencia.
Para lograrlo, se inserta un 0 o un 1 el
el campo correspondiente a P
0
1
1
0
1
0
0
1
3 unos ⇒ P = 1
43
Paridad simple
Original
0
1
1
0
1
0
0
1
Ocurre un error durante la comunicación y se altera un bit
Alterado
0
1
1
01 1
0
0
1
4 unos ⇒ P = 0 ≠ 1
No importa cual bit se altere, siempre que solo sea uno, y
la paridad calculada en el receptor será diferente del valor
de P y se puede detectar el error
Si se alteran dos bits cualesquiera, no se detectará error
44
Verificación de redundancia
cíclica (conceptual)
„
„
„
Se divide la secuencia de bits a transmitir
entre un número escogido especialmente
El residuo de la división se coloca en el
campo del CRC
En el receptor se vuelve a dividir la secuencia
recibida y si el residuo obtenido es diferente
del CRC recibido, entonces hubo error en la
comunicación
45
Verificación de redundancia
cíclica
„
„
„
Ejemplo: Usaremos el
número primo 13 como
divisor para mostrar el
proceso
el resultado es 7 y el
residuo es 9. Se
transmite el valor 100
con CRC = 9
En el receptor se repite
la división y si todo está
en orden, el CRC será
igual al residuo
100
= 7, R = 9 ⇒ CRC = 9
13
01100100
1001
100
= 7, R = 9 = CRC = 9
13
46
Códigos de corrección de
errores
„
Código de Hamming
„
„
Detecta dos errores y corrige un error con
d = 3 ≥ 2t+1, con t =1 errores corregibles
Código de Reed-Solomon
„
„
Usado en CD, DAT y vídeo digital
Corrige hasta dos errores en mensajes de
hasta 251 Bytes de longitud
47
Código de Hamming
„
Peso de Hamming es el número de bits 1
„
„
El peso de Hamming de 0 1 1 0 1 0 0 1 es 4
Distancia de Hamming entre dos palabras
de código es el número de posiciones en
las cuales difieren
0 1 1 0 1 0 1 1
0 1 1 1 1 0 0 1
„
La distancia d = 2
48
Código Hamming (7,4)
„
En este código
i3
intercalado se
generan los bits de
paridad haciendo
una operación XOR
de los bits de datos
1
„ p1 = i3⊕i1 ⊕i0
„
„
i2
i1
p4 i0
p2 p1
0
1
0
1
0
0
p2 = i3⊕i2 ⊕i0
p4 = i3⊕i2 ⊕i1
49
Código Hamming (7,4)
„
„
Se produce un error en
la comunicación que
1
afecta el quinto bit
Se realiza la operación
XOR entre los bits de
paridad recibidos y los
calculados en el
receptor, el resultado es
cinco, hay que cambiar 1
el bit cinco que está en
error
0
10 01 0
11 01
1
0
1
5
0
01 0
0
1
0
50
Referencias
„
„
Couch II, León W.. Sistemas de Comunicación
Digitales y Analógicos. Prentice Hall, 5a Ed.
México, 1998.
León-García, Alberto, Widjaja, Indra. Redes de
Comunicación, McGraw Hill, España, 2002
51