DEPARTAMENTO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA UNIVERSIDAD NACIONAL DE QUILMES Roque Sáenz Peña 180 – (B1876BXD) Bernal – Buenos Aires – Argentina TEORÍA DE LAS TELECOMUNICACIONES INTRODUCCIÓN Las comunicaciones digitales están desplazando definitivamente a las comunicaciones analógicas. Basta repasar algunos de los sistemas de comunicaciones que nos rodean a diario para ver que quedan muy pocos que sean analógicos. Podemos nombrar a las transmisiones de radio AM y FM, por algunos pocos años más la televisión (que ya está siendo desplazada por la TV digital de alta definición) y las líneas telefónicas de abonado. Y aún así en este último caso existen los servicios ISDN (en español RDSI, Red Digital de Servicios Integrados) en donde la comunicación que llega al aparato del abonado es íntegramente digital. También la telefonía celular analógica está emigrando definitivamente hacia la tecnología digital. Y la telefonía fija tradicional, analógica, (conocida en la jerga como PSTN, Public Switched Telephone Network, es decir, Red Telefónica Pública Conmutada) poco a poco está comenzando a ser desplazada por la telefonía IP (VoIP, Voice Over IP, es decir, Voz Sobre IP). El resto de las comunicaciones son digitales. Enlaces satelitales, troncales telefónicas, redes de computadoras, Internet, telefonía celular, videoconferencia, telemetría y hasta los CDs de música que también almacenan la información en forma digital (obviamente, la reproducción del sonido en el parlante es en forma analógica). También los sistemas de señalización en telefonía son digitales, como el SS7 (Sistema de Señalización Nº 7). La característica principal de un sistema de comunicaciones digitales es que, durante un intervalo de tiempo finito transmite una forma de onda preestablecida, tomada de un conjunto finito de formas de onda posibles. Por ejemplo, un conjunto formado por dos formas de onda: un pulso de 5 volts de amplitud y 1 microsegundo de duración y otro pulso de –5 volts de amplitud y 1 microsegundo de duración. Esto contrasta con los sistemas de comunicaciones analógicos que transmiten una señal continua en el tiempo. Es decir, una variedad infinita de formas de onda con una resolución también infinita. ¿Por qué las comunicaciones van emigrando definitivamente hacia los sistemas digitales? Hay varias razones. Una de ellas es la facilidad con que se regeneran las señales digitales, comparadas con las analógicas. La forma de onda que envía un transmisor se va degradando a lo largo del canal de comunicación (sea éste de cualquier medio: fibra óptica, aire, cable coaxial, etc.). Esto se debe por un lado a que los medios de comunicación y los circuitos asociados no son lineales, y por otro lado a los efectos del ruido eléctrico indeseado que aparece en cualquier medio. Estos dos mecanismos distorsionan la señal transmitida. Sin embargo, en el caso de las comunicaciones digitales, a pesar de que el ruido y las alinealidades también degradan la señal, es mucho más fácil reconstruir la señal degradada ya que la transmisión parte de un conjunto de señales discreto y finito. En la Figura 1 se ve cómo un pulso digital que es distorsionado por el ruido y la alinealidad de la línea de transmisión es reconstruido al final de dicha línea o bien a través de un repetidor regenerativo intermedio. Si el sistema digital es binario (es decir, dos formas de onda posibles) es relativamente fácil reconstruir la forma de onda. Mucho más fácil que un sistema analógico que tiene una variación continua e infinitos valores posibles. De hecho estas señales no se pueden regenerar. Sólo se amplifican y se les filtra un poco el ruido, aunque éste sigue estando presente. Por supuesto, si el ruido presente en un sistema digital es muy grande la distorsión del pulso va a ser tal que la reconstrucción puede llegar a ser errónea y en lugar de reconstruir el pulso original se reconstruirá el pulso opuesto. Esto da lugar a errores de transmisión, como se verá más adelante, que se expresan como tasa de error de bit. Introducción 1 Figura 1. Degradación y regeneración de un pulso. Otra ventaja de los sistemas digitales es el menor costo de hardware y circuitería y la posibilidad de complementarlos con el uso de microprocesadores y otros sistemas digitales. Además, una vez que la fuente de información original se ha digitalizado el sistema de comunicación lo trata como bits, sin importarle el origen de los mismos. Por ejemplo, la red Internet transmite bits sin importarle si ellos han salido de un archivo de texto, de un e-mail o de una imagen de video. Esto hace que no se deban modificar los circuitos de comunicaciones cada vez que aparece una nueva fuente de transmisión. Sólo es necesario darle el formato digital adecuado. Finalmente, la desventaja que presentan los sistemas digitales frente a los analógicos es el requerimiento de un mayor ancho de banda, un recurso escaso y que no se puede derrochar. Modelo de un sistema de comunicación digital En la Figura 2 se puede ver un diagrama en bloques básico que describe un sistema de comunicación digital (desde la fuente hasta el receptor, pasando por el transmisor). El bloque Formateo convierte la información de la fuente (imagen, sonido, la salida de un transductor, etc.) en símbolos digitales. Esto incluye el muestreo de la señal analógica, codificación y la conversión a PCM (Pulse Code Modulation, Modulación de Pulsos Codificados). La fuente podría ser también un mensaje de texto. En este caso el formateo consistiría en la asignación de un número a cada caracter (por ejemplo el código ASCII). El bloque Codificación de Fuente remueve la información redundante. Esto es, información innecesaria que ocupa ancho de banda o bien reduce la velocidad de transmisión. Por ejemplo: supongamos que la fuente de información está formada por caracteres del alfabeto español y sabemos que se están transmitiendo solamente palabras en español. El receptor del sistema de comunicaciones sabrá que cada vez que reciba un caracter q a continuación recibirá un caracter u. Entonces, ¿para qué transmitir el caracter u en este ejemplo? Eso es información redundante que, eliminándola, permite una transmisión en menor tiempo o bien la utilización de un menor ancho de banda. Otro caso de redundancia en la información son las transmisiones de fax. Los textos a transmitir en general tienen grandes cantidades de blanco frente al negro. Con una codificación de fuente adecuada se pueden transmitir más eficientemente estas largas cadenas de blancos y negros permitiendo que la hoja de fax se envíe más rápidamente. La encriptación protege al mensaje contra la intervención de usuarios no autorizados, codificándolo según algún tipo de algoritmo y mediante el uso de una clave. La codificación de canal permite reducir la probabilidad de error. Esto se hace normalmente de dos maneras: 2 Introducción eligiendo un conjunto de formas de onda adecuado y agregando bits extra que sirvan para la corrección de errores en el receptor (por ejemplo los bits de paridad). En esta materia solamente estudiaremos el primer caso; el segundo caso es estudiado en Comunicación de Datos. El multiplexado permite la confluencia de señales provenientes de otras fuentes de manera tal de poder compartir el canal de comunicación. La modulación permite transmitir la información en un espectro adecuado al canal de comunicación (espectro pasabanda). La modulación es un requisito necesario cuando uno quiere transmitir señales de radiofrecuencia a través del aire o del espacio, como se verá más adelante en este curso. También tiene un vinculo estrecho con el multiplexado. Figura 2. Diagrama básico de un sistema de comunicación digital La expansión de frecuencia o spread spectrum es una técnica que se aplica para ensanchar el espectro de la señal, de manera intencional, a fin de reducir las agresiones generadas por fuentes interferentes externas (no consideradas como ruido). También se lo utiliza como una técnica de acceso múltiple (es decir, una técnica que permite compartir el canal entre muchos usuarios). Un ejemplo de esto son los teléfonos celulares con tecnología CDMA (Code Division Multiple Access, Acceso Múltiple por División de Código). Por supuesto, del lado del receptor debe haber un sistema similar al descripto anteriormente pero que realice las operaciones inversas. Por ejemplo, tiene que haber un demodulador que lleve el espectro desde pasabanda a banda base. En un sistema de transmisión bidireccional el modulador y el demodulador podrían estar en un mismo bloque. Tal es el caso de la comunicación telefónica entre computadoras que se realiza utilizando un módem (MOdulador / DEModulador). Cuando una computadora transmite, entonces el módem modula. Cuando la computadora recibe, implica que el módem está demodulando. Introducción 3 El receptor deberá “luchar” contra fuentes de corrupción que deformarán la forma de onda de la información transmitida. Veremos más adelante cómo actúan esas fuentes de distorsión y de qué manera podremos diseñar nuestro sistema receptor para que sea lo más eficiente posible. Canales de comunicación El canal de comunicación es el medio a través del cual se transmite la información. Durante el diseño de un sistema de comunicaciones algunas veces ya dispondremos de un cierto canal de comunicaciones definido, con lo cual deberemos adaptar nuestro diseño a lo que ya está instalado. En otros casos, deberemos definir nosotros cuál es el canal de comunicación adecuado. ¿En función de qué? En función del ancho de banda a transmitir, de la potencia a transmitir, de la frecuencia portadora o del tipo de distorsión admisible que me pueda generar el canal. Y por supuesto, como siempre, del costo. Al canal muchas veces se lo define como un medio físico (aire, cable de cobre, fibra óptica, etc.). Otras veces, al hablar de canal de comunicación se habla de todos los medios que intervienen en el soporte de la comunicación, incluyendo circuitos de conmutación, filtros, amplificadores, etc. Tal es el caso de los sistemas telefónicos. Al hablar de un canal telefónico se hace referencia a un sistema que tiene un ancho de banda que se extiende desde 300 hasta 3400 hertz, considerándose por simplicidad que el ancho de banda telefónico es de 4Khz. En este canal telefónico entran todos los componentes que lo forman: cables coaxiales, cables de fibra, radioenlaces, circuitos de conmutación. Es importante aclarar que si bien se considera al canal telefónico con un ancho de banda de 4 KHz, esto no significa que todos los elementos que lo componen tienen este ancho de banda; los cables, por ejemplo, tienen ancho de banda mayores y por eso es posible tener servicios ADSL de más de 1 MB/s sobre un canal telefónico. Lo que ocurre es que dentro del canal telefónico hay filtros que limitan el ancho de banda a 4 KHz, siendo éste el ancho de banda más pequeño de todo el canal. Sin embargo, en las líneas ADSL la información no pasa por estos filtros y por eso se pueden alcanzar velocidades de comunicación altas. Algunos de los canales o medios de comunicación más usados son: Cable coaxial. Se trata de un cable con un conductor metálico (generalmente cobre) centrado dentro de otro conductor que hace de malla. Entre ambos los separa un material dieléctrico. Tiene un ancho de banda relativamente grande, muy buena protección frente al ruido (debido a la malla) y requiere del uso de repetidores a distancias relativamente cortas. Fibra óptica. Es un conductor de vidrio que consta de un núcleo (diámetro aprox. 10 µm) recubierto por otra capa de vidrio de índice de refracción menor llamada cladding. El diámetro final de la fibra es, normalmente, de 125 µm. Este conductor transmite luz en el espectro no visible (puede ser en forma analógica o digital). Tiene un ancho de banda muy grande (del orden de los THz), con lo cual se puede transmitir información digital a grandes velocidades. Excelente inmunidad al ruido y baja atenuación. Microondas. La comunicación se realiza a través del aire, entre dos antenas puestas cada una en un mástil, de una altura y distancia tal como para que cada una vea a la otra. Se usan altas frecuencias (de hasta 30 GHz), permite transmisiones de alta velocidad pero la efectividad de la comunicación se ve afectada por las condiciones meteorológicas y por posibles obstáculos en la línea de visión de las antenas. Satélite. Se usa un enlace de microondas entre una estación terrena (transmisor), un satélite geoestacionario y otra estación terrena (receptor). Permite cubrir grandes distancias a costos relativamente accesibles. Debido a que el amplificador del satélite trabaja en forma alineal hay que elegir adecuadamente el esquema de modulación. También se usan satélites de órbitas no geoestacionarias. Estos satélites son de órbitas medias y bajas. 4 Introducción Terminología A continuación definiremos algunos términos de uso común en el lenguaje de las comunicaciones digitales: Fuente de información: Es el dispositivo que genera la información a ser transmitida por el sistema de comunicación digital. La fuente de información puede ser analógica o discreta. La fuente analógica tiene una variación continua dentro de un determinado rango, mientras que la fuente de información discreta forma un conjunto finito de valores. La información analógica puede ser transformada en digital mediante el uso de muestreo y cuantización. Mensaje de texto: es una secuencia de caracteres. Caracter: es el miembro de un alfabeto o de un conjunto de símbolos. Los caracteres pueden ser mapeados a una secuencia de dígitos binarios. Por ejemplo, el código ASCII (American Standard Code for Information Interchange) le asigna a cada letra del alfabeto un número comprendido entre 0 y 127 que puede ser expresado mediante 7 bits. Bit (Binary Digit): es la unidad mínima de información en un sistema de comunicación digital. Puede tomar dos estados, normalmente indicados por 0 y 1. Bit stream (cadena o secuencia de bits): es una secuencia de unos y ceros (secuencia de bits). Figura 3. Ejemplos de nomenclatura. (a) Mensajes de texto. (b) Caracteres. (c) Cadena de bits (ASCII de 7 bits). (d) Símbolos. (e) Forma de onda digital pasabanda. Símbolo: es un conjunto de k bits considerados como una unidad o caracter mi de un conjunto finito de símbolos o alfabeto. El tamaño del alfabeto es M = 2k (k es el número de bits dentro del símbolo). Durante la transmisión, cada símbolo mi (i = 1,..., M) será representado por su correspondiente forma de onda s1(t), s2(t), ..., sM(t). Introducción 5 Forma de onda digital: forma de onda de tensión o corriente (un pulso para la transmisión en banda base o una sinusoide modulada para transmisión en pasabanda) que representa un símbolo digital. La característica de la forma de onda (amplitud del pulso, ancho del pulso, amplitud de la sinusoide, frecuencia de la sinusoide, etc.) permite su identificación como un símbolo dentro de un conjunto de símbolos. Tasa de datos: es la cantidad de bits por segundo (bits/s) que se transmiten sobre un canal. Viene dada por la expresión R = k/T = (1/T) × log2M, donde k es uno de los símbolos del conjunto de M = 2k símbolos y T es la duración del símbolo. Normas en telecomunicaciones En el mundo de las telecomunicaciones hay muchos fabricantes de equipos, componentes e instrumental que intentan satisfacer a este mercado, cada uno con ideas propias para desarrollar nuevos productos y nuevas tecnologías. Si cada fabricante tratara de imponer su propio producto con su propia tecnología y sus propias características de funcionamiento indudablemente habría un gran problema de falta de compatibilidad entre los equipos que tienen que interactuar entre sí. Esto es un inconveniente muy grande para los usuarios, sean empresas de telefonía, proveedores de servicios de Internet, usuarios domésticos, etc. Para no caer en el descontrol que generaría la falta de reglas en común para el desarrollo y fabricación de equipos, es que se adopta la utilización de normas. Las normas no sólo permiten que dos computadoras de diferentes marcas se puedan comunicar entre sí, por ejemplo, sino que aumentan el número de productos que se ajustan a esas normas y por lo tanto hace más grande al mercado, más rápido el desarrollo de nuevas tecnologías y una tendencia al abaratamiento de los costos. Hay dos tipos de normas: de facto (de hecho) y de jure (por derecho). Las normas de hecho son las que surgen sin ningún plan formal. Por ejemplo la PC de IBM y sus sucesoras están enmarcadas dentro de normas de hecho. Por el contrario, las normas por derecho son formales, legales y son establecidos por alguna institución autorizada o reconocida. En 1844 se realizaba la primera comunicación telegráfica, entre las ciudades de Washington y Baltimore en los Estados Unidos. Diez años más tarde el telégrafo ya era un medio de comunicación que se extendía dentro del territorio de muchos países aunque cada uno utilizaba un sistema telegráfico diferente. Cuando fue necesario comunicarse con otros países llegó también la necesidad de establecer acuerdos para solucionar estos problemas de incompatibilidad que generaba el uso de diferentes sistemas. Fue así que muchos países fueron estableciendo acuerdos individuales con otros países hasta que luego se transformaron en acuerdos regionales. El rápido crecimiento de las redes telegráficas incitó a 20 estados a firmar el primer Convenio Telegráfico Internacional y el 17 de mayo de 1865 creaban la Unión Telegráfica Internacional. Con el correr del tiempo y luego de varias modificaciones, hacia 1934 pasó a llamarse Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT). El 15 de octubre de 1947 la UIT se convirtió en un organismo especializado de las Naciones Unidas. Dentro de la UIT se forma en 1956 el Comité Consultivo Internacional de Telegrafía y Telefonía. Desde 1993 la UIT está organizada en tres sectores principales: 1. UIT-T. Encargado de la normalización de las telecomunicaciones. 2. UIT-R. Encargado de las radiocomunicaciones. 3. UIT-D. Encargado del desarrollo de las telecomunicaciones.1 1 El nombre en Inglés de la Unión Internacional de Telecomunicaciones es International Telecommunication Union, por lo que sus siglas en Inglés son ITU. Por lo tanto son más conocidas las siglas ITU-T, ITU-R e ITU-D y de aquí en más utilizaremos éstas. 6 Introducción La ITU-T es lo que anteriormente era la CCITT (es decir desde 1956 hasta 1993). La ITU-T es el sector que se encarga de escribir las recomendaciones para el área de comunicaciones telefónicas y comunicación de datos. Este sector tiene cuatro clases de miembros: 1. Gobiernos nacionales. 2. De sector. 3. Asociados. 4. Agencias reguladoras. Los miembros de gobiernos nacionales son representantes de países, la mayoría de ellos también miembros de las Naciones Unidas. Los miembros del sector representan a compañías telefónicas (como por ejemplo Vodafone, Worldcom, Deustche Telekom, por nombrar sólo algunas), fabricantes de equipos (algunos nombres son Cisco, Nortel, Nokia, Compaq, SUN, Intel, Motorola), compañías de medios (AOL, Time Warner), otras compañías interesadas (Boeing, Samsung, Xerox) y otro tipo de organizaciones (IATA por ejemplo). Los miembros asociados son grupos pequeños que se interesan en algún tema en particular. Y las agencias reguladoras son las que regulan el mercado de las telecomunicaciones en cada país. La tarea de la ITU-T es establecer recomendaciones sobre telefonía, telegrafía e interfaces de comunicación de datos. Estas recomendaciones se convierten en normas reconocidas internacionalmente. Nótese que se utiliza el término recomendación, es decir que no se obliga a utilizarla. Sin embargo en la práctica es adoptada por los fabricantes y por las compañías de telecomunicaciones. Por ejemplo, algunas recomendaciones conocidas son la V.90 que hace referencia a los modems de 56 Kbps, la H.323 que hace referencia a los paquetes de señalización para establecimiento de llamadas de VoIP (voz sobre IP) o G.652 que especifica las características de las fibras monomodo. Son apenas una pequeñísima muestra. Los que tengan interés en el tema pueden encontrar más información en www.itu.int. Otro organismo internacional que se encarga de crear normas es la ISO (International Organization for Standarization), surgida en 1948. Sus miembros son las organizaciones de normalización de los países miembros. Por ejemplo, el IRAM de Argentina es miembro de la ISO. A su vez, la ISO también es miembro de la ITU-T. La ISO emite normas sobre una cantidad variada de temas, como ser características de los postes telefónicos, normas de calidad, fabricación de ropa, redes de pesca y muchos otros temas entre ellos obviamente las telecomunicaciones. Como veremos en otro capítulo, el modelo OSI (Open Systems Interconnection) para redes de computadoras fue normalizado por la ISO. Otra organización importante en el mundo de las normalizaciones es el IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos en castellano), la mayor organización de profesionales del mundo. El IEEE tiene un grupo de normalización que desarrolla normas en el área de ingeniería eléctrica y computación. Está organizado en comités que escriben normas bajo un número de acuerdo a la temática. El IEEE 802.x es un conjunto de normas relativas a las redes LAN. Finalmente, cabe mencionar que cuando se comenzó a desarrollar la red Internet (nacida de la red ARPANET de los Estados Unidos), los miembros que formaban parte de los grupos de investigación se comunicaban a través de informes técnicos que llevaban el nombre de RFC (Request For Comments, solicitud de comentarios es castellano). Estos informes técnicos daban (y siguen dando) lugar a normas que quedan numeradas según el orden cronológico de creación. Los RFCs establecen por ejemplo las normas para el funcionamiento del protocolo IP, del protocolo UDP, del correo electrónico, por nombrar sólo algunos ejemplos. El lector interesado puede encontrar más información en www.ietf.org/rfc. Introducción 7 Objetivos A lo largo del curso se tratará de aprender los fundamentos que gobiernan a la mayoría de los bloques que se muestran en la Figura 2. Concretamente, no se tocará el tema de encriptación y de códigos de error (este último se ven en detalle en otro curso). Del resto, trataremos de aprender: señales de banda base, señales moduladas, espectros de señales, el ruido y su influencia en los sistemas de comunicación digital, detección de señales inmersas en ruido blanco gaussiano, probabilidad de error de bit, distintos esquemas de modulación digital, enlaces satelitales, distintos esquemas de acceso al satélite y spread spectrum. Muchos de estos temas se verán con bastante rigor teórico. En otros temas, y dentro de lo posible, se tratará de ofrecer ejemplos que intenten hacer atractivo al curso. 8 Introducción