Redes y Sistemas Distribuidos Tema 2 Transmisión de señales

(07BJ)
(05BR)
(09BM)
Redes
Redes de Computadores
Redes y Sistemas Distribuidos
Tema 2
Transmisión de señales
Tema 2
Transmisión de señales
Índice
1. Introducción
2. Representación y análisis de señales ([STA04] C3.1)
2.1. Dominio de la frecuencia
2.2. Ancho de banda y velocidad de transmisión
3. Medios de transmisión
3.1. Medios guiados ([FOR02] C7.1)
3.2. Factores que afectan a un medio de transmisión ([STA04] C3.3)
3.3. Capacidad de un medio de transmisión ([STA04] C3.4 )
4. Multiplexión ([STA04] C8.1 a C8.3)
5. Conmutación ([STA04] C10.6)
2
Tema 2
Transmisión de señales
Índice
1. Introducción
2. Representación y análisis de señales ([STA04] C3.1)
2.1. Dominio de la frecuencia
2.2. Ancho de banda y velocidad de transmisión
3. Medios de transmisión
3.1. Medios guiados ([FOR02] C7.1)
3.2. Factores que afectan a un medio de transmisión ([STA04] C3.3)
3.3. Capacidad de un medio de transmisión ([STA04] C3.4 )
4. Multiplexión ([STA04] C8.1 a C8.3)
5. Conmutación ([STA04] C10.6)
3
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Transmisión de señales
1. Introducción
Transmisión de datos mediante señales (ondas
electromagnéticas) que se propagan a través de un
medio de transmisión entre un origen y un destino
Retardo de propagación
• Retardo temporal corto pero finito de origen a destino
• Espacio libre: 3*108 m/s (velocidad de la luz)
• Par trenzado/cable coaxial: 2*108 m/s
El éxito de la transmisión de datos depende de la
calidad de la señal y de las características del medio
de transmisión
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Tema 2
Transmisión de señales
Índice
1. Introducción
2. Representación y análisis de señales ([STA04] C3.1)
2.1. Dominio de la frecuencia
2.2. Ancho de banda y velocidad de transmisión
3. Medios de transmisión
3.1. Medios guiados ([FOR02] C7.1)
3.2. Factores que afectan a un medio de transmisión ([STA04] C3.3)
3.3. Capacidad de un medio de transmisión ([STA04] C3.4 )
4. Multiplexión ([STA04] C8.1 a C8.3)
5. Conmutación ([STA04] C10.6)
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Tema 2
Transmisión de señales
2. Representación y análisis de señales
La señal que recibe el receptor:
• es una versión atenuada y distorsionada de la señal
original (aún permite recuperar los datos originales)
• contiene una componente externa no deseada que
interfiere con la señal original (ruido que puede
introducir errores en los datos originales)
Representación matemática de la señal y el ruido para
determinar sus implicaciones en el rendimiento
Las señales se pueden representar en función del
tiempo o en función de la frecuencia
• Dominio del tiempo
• Dominio de la frecuencia
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Tema 2
Transmisión de señales
2.1 Dominio de la frecuencia
Dominio de la frecuencia
• Señal como componente de frecuencia F de altura A
• La terna (A, F, θ) especifica completamente la señal
• Si θ = 0, entonces (A, F)
θ=0
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Tema 2
Transmisión de señales
2.1 Dominio de la frecuencia
Dominio de la frecuencia
• Útil para representar señales complejas como suma de
•
•
componentes (líneas espectrales) de distinta amplitud,
frecuencia y fase (An, Fn, θn)
Espectro de la señal: conjunto de líneas espectrales
Análisis de Fourier: descomposición de una señal en
un número infinito de líneas espectrales
• Componente continua o DC (F = 0)
• Armónicos de frecuencia 1/T (fundamental), 2/T, 3/T, ...
• Amplitudes y fases distintas (An y θ n)
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Tema 2
Transmisión de señales
2.1 Dominio de la frecuencia
Ejemplo:
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Tema 2
Transmisión de señales
2.1 Dominio de la frecuencia
Dominio de la frecuencia
• Una señal digital puede descomponerse en un número
infinito de armónicos de frecuencias 1/T, 3/T, 5/T,…
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Tema 2
Transmisión de señales
2.1 Dominio de la frecuencia
Ejemplo:
3 armónicos
4 armónicos
∞ armónicos
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Tema 2
Transmisión de señales
2.2 Ancho de banda y velocidad de
transmisión
Ancho de banda (W)
• El ancho de banda absoluto es la anchura del espectro
• El ancho de banda efectivo comprende las líneas
espectrales que contienen la mayor parte de la
potencia de la señal (señal recibida distorsionada)
Ancho de banda
INFINITO
¿Ancho de banda?
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Tema 2
Transmisión de señales
2.2 Ancho de banda y velocidad de
transmisión
Velocidad de transmisión (VT)
• Número de bits transmitidos por unidad de tiempo
• bps, Kbps, Mbps, Gbps, …
Velocidad de modulación (Vm)
• Número máximo de cambios por unidad de tiempo
• Baudios
• Cada cambio de estado puede codificar varios bits
Relación entre ambos conceptos
• Te: duración de cada estado / n: nº estados
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Transmisión de señales
2.2 Ancho de banda y velocidad de
transmisión
Relación entre W y VT
• La potencia mínima de la señal debe garantizar que el
receptor es capaz de detectarla y distinguirla del ruido
• Número mínimo de armónicos
• Ningún medio de transmisión transporta señales sin
pérdida de potencia
• No hay degradación de potencia de 0 a fc (frecuencia de corte)
• Frecuencias superiores a fc son fuertemente atenuadas
• La frecuencia de corte puede ser natural o artificial:
• Propiedad del medio o filtro para limitar el ancho de banda
• Limitación del ancho de banda de la señal
• El ancho de banda disponible limita la VT, ¿por qué?
Problema 1. Calcula VT si Te es 1 µs con 16 estados.
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Tema 2
Transmisión de señales
Índice
1. Introducción
2. Representación y análisis de señales ([STA04] C3.1)
2.1. Dominio de la frecuencia
2.2. Ancho de banda y velocidad de transmisión
3. Medios de transmisión
3.1. Medios guiados ([FOR02] C7.1)
3.2. Factores que afectan a un medio de transmisión ([STA04] C3.3)
3.3. Capacidad de un medio de transmisión ([STA04] C3.4 )
4. Multiplexión ([STA04] C8.1 a C8.3)
5. Conmutación ([STA04] C10.6)
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Transmisión de señales
3. Medios de transmisión
Medios guiados
• Transmiten señales electromagnética a través de un
•
medio sólido
Par trenzado / cable coaxial
• Hilos de cobre
• Transmisión eléctrica
• Fibra óptica
• Fibra de vidrio o plástico
• Transmisión en forma de haces de luz
Medios no guiados
• Transmisión inalámbrica a través de aire, agua o vacío
• Microondas (WLAN), telefonía inalámbrica y satélites
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Transmisión de señales
3.1 Medios guiados
Par trenzado
• Medio más antiguo en usado en telecomunicaciones
•
•
•
•
para transmisión de voz y datos (analógica y digital)
Dos hilos de cobre dispuestos de forma helicoidal
cubiertos por un aislante de plástico
Varios pares se agrupan en troncales protegidas
Frecuencias de hasta 250 MHz
La señal se propaga varios Kms sin amplificar
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Transmisión de señales
3.1 Medios guiados
Par trenzado
• Ampliamente utilizado en LANs
• Ethernet (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet) y Token Ring
• Conector RJ-45
• Categorías (estándar EIA-568-B)
Reduce interferencias
• UTP (Unshielded Twisted Pair)
• Tipo 5(E): hasta 100 Mbps (1Gbps)
• Tipo 6: hasta 1 Gbps
• STP (Shielded Twisted Pair)
• Carcasa metálica que rodea el par
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Transmisión de señales
3.1 Medios guiados
Cable coaxial
• Núcleo de cobre recubierto por un aislante envuelto a
•
•
su vez en un conductor externo
Frecuencias de hasta 500 MHz
Mayor velocidad de transmisión e inmunidad al ruido
que el par trenzado
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Transmisión de señales
3.1 Medios guiados
Cable coaxial
• Ampliamente usado en telefonía, TV y LAN
• Conectores BNC (Bayonet Network Connector)
• Categorías
• RG-8 (Ethernet grueso) / 50 Ω
• RG-58 (Ethernet fino) / 50 Ω
• RG-59 (TV) / 75 Ω
• Transmisión digital (banda base)
• Transmisión analógica (banda ancha)
• múltiples canales (FDM)
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Transmisión de señales
3.1 Medios guiados
Fibra óptica
• La presencia/ausencia de luz codifica un bit
• Núcleo de fibra de vidrio
• Revestimiento de cristal o plástico (menor densidad)
• Fuente: LED (Light Emitting diode) o ILD (Injection
•
Laser Diode)
Destino: fotodiodo generador de impulsos eléctricos
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Transmisión de señales
3.1 Medios guiados
Fibra óptica
• Tipos de fibras (de menor a mayor coste/VT)
• Multimodo
• Múltiples haces de luz inciden con diferentes ángulos
• Índice escalonado: núcleo de densidad constante
• Índice gradual: núcleo de densidad variable que decrece
hacia el borde de la fibra (ITU-T G.651 - 50/125 µm)
• Monomodo
• Haz de luz único
• Núcleo de menor diámetro
•
y menor densidad
ITU-T G.652 - 10 µm
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Transmisión de señales
3.1 Medios guiados
Comparación entre par trenzado y fibra óptica
• Ventajas de la fibra óptica
• Mayor inmunidad al ruido
• Menor atenuación de la señal
• Mayor ancho de banda (frecuencia de la luz visible)
• Grosor (menor que cualquier otro medio guiado)
• Desventajas de la fibra óptica
• Mayor coste (fabricación de la fibra, láser,…)
• Instalación/mantenimiento (conexiones,…)
• Fragilidad
La fibra óptica es el medio de transmisión preferido
para distancias medias/largas
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Transmisión de señales
3.2 Factores que afectan a un medio de
transmisión
Durante la transmisión, las señales se deterioran
debido a: atenuación, distorsión y ruido
Atenuación: NdB = 10·log10 (P1/P2)
•
•
•
•
•
•
•
•
Pérdida de potencia de una señal
Relación logarítmica entre dos niveles de potencia (decibelios)
Medida de la diferencia relativa (no absoluta)
Medios guiados: la atenuación se expresa en dB/m
Medios no guiados: condiciones atmosféricas
La señal recibida debe tener suficiente potencia para ser
detectada por el receptor, y debe mantenerse a un nivel de
potencia más alto que el ruido para que se reciba sin errores
La atenuación es una función que aumenta con la frecuencia
(distorsión de atenuación)
Factor crítico en transmisión señales analógicas
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Transmisión de señales
3.2 Factores que afectan a un medio de
transmisión
Distorsión (de retardo)
•
•
•
La velocidad de propagación de una señal varía con la frecuencia
La distorsión es una función que aumenta con la frecuencia
Factor crítico en transmisión de señales digitales
Ruido
• Señales no deseadas que aparecen en el medio
• Tipos de ruido:
• Ruido térmico o ruido blanco: agitación térmica de los electrones en
•
•
•
el medio que se distribuye uniformemente en el espectro de la señal
(amplificar la señal amplifica el ruido)
Diafonía (crosstalk): acoplamiento no deseado entre líneas cercanas
Ruido de intermodulación: aparición de señales con frecuencias
suma o resta de dos señales que comparten el medio
Ruido impulsivo: pulsos irregulares o picos de corta duración y gran
amplitud (crítico en transmisiones digitales)
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Tema 2
Transmisión de señales
3.2 Factores que afectan a un medio de
transmisión
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Tema 2
Transmisión de señales
3.3 Capacidad de un medio de transmisión
Canal libre de ruido
• La velocidad de transmisión depende sólo del ancho de
•
banda
Teorema de Nyquist: C = 2·W·log2 M
• Dada una señal que se hace pasar a través de un filtro pasobajo (con un ancho de banda W), ésta se puede reconstruir
tomando 2W muestras por segundo
• El muestreo a más velocidad no tiene sentido
• Dado un ancho de banda fijo, se puede incrementar la
velocidad aumentando el número de niveles (M)
• Distinguir entre M niveles puede sobrecargar al receptor que
debe distinguir entre más niveles
• El ruido limita el número de niveles
Problema 2. Calcula C si W es 3100 Hz con 8 niveles.
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Tema 2
Transmisión de señales
3.3 Capacidad de un medio de transmisión
Canal con ruido
• La velocidad de transmisión está limitada por el ruido
• Medición de relación entre la potencia de la señal y la
potencia del ruido
• SNRdB = 10 log10 (S/N) donde S es la potencia de la señal y N
es la potencia del ruido (mayor número de decibelios indica
señal de mejor calidad)
• Teorema de Shannon: C = W log2 (1 + S/N)
• Máximo teórico (sin errores y sólo ruido térmico)
• Independiente del número de niveles
• Incrementar W o S aumenta también el nivel de ruido
Problema 3. Calcula C si W es 3100 Hz y SNRdB es 30 dB.
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Tema 2
Transmisión de señales
Índice
1. Introducción
2. Representación y análisis de señales ([STA04] C3.1)
2.1. Dominio de la frecuencia
2.2. Ancho de banda y velocidad de transmisión
3. Medios de transmisión
3.1. Medios guiados ([FOR02] C7.1)
3.2. Factores que afectan a un medio de transmisión ([STA04] C3.3)
3.3. Capacidad de un medio de transmisión ([STA04] C3.4 )
4. Multiplexión ([STA04] C8.1 a C8.3)
5. Conmutación ([STA04] C10.6)
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Tema 2
Transmisión de señales
4. Multiplexión
Transmisión simultánea de varias señales a través de una
única línea o enlace
W/VT de la línea mayor que la suma de las líneas de entrada
Técnicas de multiplexión:
• 4 dimensiones posibles
• División de espacio (SDM)
• División de frecuencia (FDM)
• División de tiempo (TDM)
• División de código (CDM)
• Objetivos:
• Mínima interferencia
• Máxima utilización del medio
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Tema 2
4. Multiplexión
Transmisión de señales
Multiplexión por división de espacio (SDM)
• División del espacio en distintas zonas de cobertura
• Espacio de guarda
• Cada canal utiliza todo el espectro dentro de su zona
•
de cobertura
Ejemplo: radio FM
c
t
c
t
s1
f
s2
k1
k2
k3
k4
k5
f
c
k6
t
s3
f
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Tema 2
4. Multiplexión
Transmisión de señales
Multiplexión por división de frecuencia (FDM)
• Transmisión analógica
• División del espectro en bandas de frecuencias
• Cada canal usa una banda de frecuencias distinta
• Ventajas:
• No necesita coordinación entre canales
• Desventajas
• Consumo de ancho de banda
• Bandas de guarda
c
f
• Esquema poco flexible
t
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Tema 2
Transmisión de señales
4. Multiplexión
Multiplexión por división de longitud de onda (WDM)
•
•
•
•
Conceptualmente equivalente a FDM sobre fibra óptica
La señal de varias fibras se combina, se envía a través de una
única fibra compartida, y la señal resultante se replica en el
destino en cada fibra saliente que, a su vez, posee un filtro
Velocidades de transmisión elevadas (100 canales a 10 Gbps)
Permite superar límites conversión entre los medios óptico y
eléctrico
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Tema 2
Transmisión de señales
4. Multiplexión
Multiplexión por división de tiempo (TDM)
• Transmisión digital
• Cada canal emplea todo el espectro temporalmente
• Nomenclatura:
• Ranura o slot: porción de tiempo asociada a una línea de
entrada
• Canal: secuencia de slots de una misma línea de entrada
• Trama: secuencia de slots de distintos canales
c
f
t
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Tema 2
Transmisión de señales
4. Multiplexión
Multiplexión por división de tiempo (TDM)
• Agrupación de slots de diferentes canales para formar
tramas cíclicamente
• Ventajas:
• Buen rendimiento incluso con muchos canales
• Desventajas:
• Necesita coordinación precisa entre canales
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Tema 2
Transmisión de señales
4. Multiplexión
Ejemplo TDM: Portadora T1
• 24 canales de voz de 4 KHz digitalizados
• Cada canal se muestrea 8000 veces por segundo (64 Kbps) e
inserta 8 bits en la señal compuesta (7 datos+1 control)
• Tramas de 193 bits (24 x 8 + 1 control)
• Duración de la trama: 125 µs (8000 tramas/seg)
• Velocidad de transmisión total: 1,544 Mbps
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Tema 2
Transmisión de señales
4. Multiplexión
Ejemplo TDM: Portadora T1
•
•
Variante europea E1 (30 canales datos + 2 control): 2.048 Mbps
Multiplexión jerárquica de portadoras T1
Otros estándares:
•
•
•
SONET (Synchronous Optical Network): USA
SDH (Synchronous Digital Hierarchy): Europa
Jerarquía digital síncrona estándar para fibra óptica
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Tema 2
4. Multiplexión
Transmisión de señales
Multiplexión en tiempo (TDM) y en frecuencia (FDM)
• Combinación de ambos métodos
• Cada canal obtiene una banda temporalmente
• Ventajas:
• Protección contra intercepción
• Protección contra interferencias selectivas
•
en una banda de frecuencias
Desventajas:
c
• Necesita coordinación precisa
• Ejemplo: GSM
t
f
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Tema 2
Transmisión de señales
4. Multiplexión
Multiplexión por división de código (CDM)
•
•
•
•
Todos los canales utilizan todo el espectro al mismo tiempo
Cada canal utiliza un código único
c
Uso de códigos ortogonales
Ventajas:
•
Desventajas:
• Uso eficiente del ancho de banda
• No necesita coordinación entre canales
• Buena protección contra intercepción
• Robustez ante interferencias
f
• Señal compleja
•
Complejidad de emisor/receptor
• Tasa de envío de datos baja
• Requiere misma potencia
en las señales de entrada
t
39
Tema 2
Transmisión de señales
Índice
1. Introducción
2. Representación y análisis de señales ([STA04] C3.1)
2.1. Dominio del tiempo
2.2. Dominio de la frecuencia
2.3. Ancho de banda y velocidad de transmisión
3. Medios de transmisión
3.1. Medios guiados ([FOR02] C7.1)
3.2. Factores que afectan a un medio de transmisión ([STA04] C3.3)
3.3. Capacidad de un medio de transmisión ([STA04] C3.4 )
4. Multiplexión ([STA04] C8.1 a C8.3)
5. Conmutación ([STA04] C10.6)
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Tema 2
Transmisión de señales
5. Conmutación
Conmutación de circuitos (red telefónica)
• La línea está desocupada la mayor parte del tiempo
• Emisor/receptor deben transmitir/recibir a la misma
velocidad
Conmutación de paquetes (almacenamiento y
reenvío)
• Mayor aprovechamiento de la línea
• Emisor/receptor pueden transmitir/recibir a diferentes
•
•
•
velocidades
Mejor respuesta ante situaciones de congestión
Gestión de prioridades
Circuitos virtuales o datagramas
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Tema 2
Transmisión de señales
5. Conmutación
Conmutación de circuitos y conmutación de paquetes
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Tema 2
Transmisión de señales
5. Conmutación
Problema 5. Compare el retardo al enviar un
mensaje de x bits por una trayectoria de k saltos
en una red de conmutación de circuitos y en una
red de conmutación de paquetes en ausencia de
congestión:
• El tiempo de establecimiento de circuito es de s seg
• El retraso de propagación es de d seg por salto
• El tamaño del paquete es de p bits
• La tasa de transmisión de datos es de b bps
¿En qué condiciones tiene un retardo menor
la red de conmutación de paquetes?
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Tema 2
Transmisión de señales
Resumen
Representación en el dominio de la frecuencia
Relación entre Vm y VT
Relación entre W y VT
Medios de transmisión guiados
• Par trenzado, cable coaxial y fibra óptica
Factores que afectan a un medio de transmisión
• Atenuación, distorsión y ruido
Capacidad de un medio de transmisión
• Teorema de Nyquist y teorema de Shannon
Tipos de multiplexión: SDM, FDM, TDM y CDM
Conmutación de circuitos / conmutación de paquetes
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