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Comunicación de DatosEscuela Superior de Informática
Tema 1
Fundamentos de la
Comunicación de Datos
COMUNICACIÓN DE DATOS ESI-CR.UCLM 2
Terminología (1)
�Transmisor
�Receptor
�MedioMedio guiado
Par trenzado, cable coaxial, fibra óptica
Medio no guiadoAire, agua, vacío
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Terminología (2)
�Enlace directoSin dispositivos intermedios
�Punto a puntoEnlace directo
Sólo intervienen dos dispositivos en el enlace
�Enlace múltipleIntervienen más de dos dispositivos en el enlace
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Terminología (3)
�SimplexUna dirección
Ej: Radiodifusión
�Semi duplexDos direcciones, pero no simultáneas
Ej: Radioaficionados
�DuplexDos direcciones simultáneas
Ej: Teléfonos
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Frecuencia, espectro y ancho
de banda
�Conceptos en el dominio del tiempoSeñal continua
Varía de una forma continua en un margen de tiempo
Señal discretaMantiene constante un nivel y cambia a otro nivel distinto
Señal periódicaRepite un patrón en el tiempo
Señal no periódicaNo repite un patrón en el tiempo
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Señales Continuas y Discretas
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Señales periódicas
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Onda sinusoidad
�Amplitud de pico (A)Máxima intensidad de la señal
Voltios
�Frecuencia (f)Ritmo de cambio de la señal
Hertzios (Hz) o ciclos por segundo
Periodo = tiempo de una repetición (T)
T = 1/f
�Fase (φ)Posición relativa en el tiempo
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Distintas ondas sinusoidales en
función de sus parámetros
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Longitud de onda
�λ�Distancia entre dos puntos con la misma fase temporal en dos ciclos consecutivos
�Distancia ocupada por un ciclo
�Distancia recorrida por la onda en un período
�Suponiendo que la velocidad de la señal es vλ = v T0λ F0 = v
v = 3*108 m/s (velocidad de la luz en espacio libre)
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Conceptos en el Dominio de la
Frecuencia
�La señal periódica se compone de la superposición de varias frecuencias, todas ellas múltiplos de la llamada frecuencia fundamental
�La frecuencia fundamental coincide con la frecuencia de la señal periódica
�Las componentes son ondas sinusoidales
�Se puede demostrar (Fourier) que cualquier señal periódica está construida como suma se señales sinusoidales
�Se pueden representar funciones en el dominio de la frecuencia
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Suma de componentes de
frecuencia
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Dominio de la Frecuencia
Señal periódica
Señal no periódica:
pulso rectangular
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Espectro y Ancho de Banda
�EspectroMargen de frecuencias contenidas en la señal
�Ancho de Banda absolutoAnchura del espectro
�Ancho de Banda efectivoA menudo es el mismo que el Ancho de Banda
Banda de frecuencias que contienen la mayor parte de la energía
�Componente continua (DC)Componente de frecuencia cero
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Señal con Componente Continua
)2·3sin()3/1()2sin()/4(1)( ftfttx πππ ++=
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Ancho de Banda y
Velocidad Binaria
�Cualquier sistema de transmisión tiene una banda limitada de frecuencias
�Ello limita la velocidad binaria que puede soportar
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Onda cuadrada
�Una sucesión de pulsos cuadrados de 0 y 1 se puede ver como la suma de los infinitos múltiplos impares de la frecuencia fundamental
�También es una señal digital binaria a una determinada velocidad en bits por segundo (bps)
∑=k
fktk
ts )2sin(14
)( ππ
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Componentes en frecuencia
de una onda cuadrada
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Distintos casos
Caso 1. Frecuencia 1 MHz. Anchura bit 0,5 µs
(desde f hasta 5 f), Ancho de banda = 4 MHz
Velocidad de transmisión = 2 Mbps
Caso 2. Frecuencia 2 MHz. Anchura bit 0,25 µs
(desde f hasta 5f), Ancho de banda = 8 MHz
Velocidad de transmisión = 4 Mbps
Caso 3. Frecuencia 2 MHz. Anchura bit 0,25 µs
(hasta f hasta 3f) Ancho de banda = 4 MHz
Velocidad de transmisión = 4 Mbps
ANCHO DE BANDA (Hz)<= 2�VELOCIDAD (bps)
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Efecto del ancho de banda en Efecto del ancho de banda en Efecto del ancho de banda en Efecto del ancho de banda en
las selas selas selas seññññales digitalesales digitalesales digitalesales digitales
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Datos
�AnalógicosValores continuos en un intervalo determinado
Ej: sonido, video, ...
�DigitalesValores discretos
Ej: texto, números enteros, ...
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Transmisión de Datos
Analógicos y Digitales
�DatosEntidades que portan información
�SeñalesRepresentación eléctrica o electromagnética de datos
�Señalización�Propagación física de señales por el medio adecuado
�TransmisiónComunicación de datos mediante la propagación y proceso de señales
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Espectro acústico (analógico)
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Señales
�AnalógicasVariable de forma continua
Varios mediosCable, fibra óptica, espacio (aire o vacío)
Ancho de Banda de voz de 100 Hz a 7 KHz
Ancho de Banda telefónico de 300 Hz a 3400 Hz
Ancho de Banda de video 4 MHz
�DigitalesUsan dos componentes continuas
Se convierten datos discretos de varios valores en binario (ASCII)
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Datos y señales
Señal analógica Señal digital
Datos analógicos
Hay dos alternativas: la señal ocupa el mismo espectro que los datos analógicos, los datos analógicos se codifican ocupando una porción distinta del espectro
Los datos analógicos se codifican utilizando un codec para generar una cadena de bits
Datos digitales
Los datos digitales se codifican usando un modem para generar señal analógica
Hay dos alternativas: la señal consiste en dos niveles de tensión que representan dos valores binarios, los datos digitales se codifican para producir una señal digital con las propiedades deseadas
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Señales analógicas que portan
datos analógicos y digitales
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Señales digitales que portan
datos analógicos y digitales
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Transmisión analógica
�La señal analógica se puede transmitir sin tener en cuenta el contenido: puede provenir de una señal analógica original (voz) o ser el resultado de pasar por un modem una señal original
�Se atenúa con la distancia
�Se usan amplificadores para reforzar la señal
�También se amplifica el ruido y se acumula
�Se puede tolerar una pequeña distorsión. Ejemplo: la voz, sigue siendo inteligible
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Transmisión digital
� Se tiene en cuenta el contenido de la señal
� La integridad de los datos se daña con el ruido, la atenuación, etc.
� Se usan repetidores
� Se produce regeneración Los repetidores reciben la señal
Extraen el patrón de bits
Lo retransmiten
� La atenuación se elimina
� El ruido no se amplifica ni se acumula
� Una señal analógica se puede aprovechar de estas ventajas si se convierte previamente a digital
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Ventajas de la transmisión
digital
� Tecnología digitalBajo coste tecnología LSI/VLSI
� Integridad de los datosEl uso de repetidores permite mayores distancias incluso en
líneas de baja calidad
� Utilización de la capacidadSe ha conseguido mayor ancho de banda en enlaces baratos
Mayor grado de multiplexación y más fácil con técnicas digitales
� Seguridad y PrivacidadCifrado
� IntegraciónSe pueden tratar los datos analógicos y digitales de forma
similar, independientemente de cuál sea su origen (voz, datos)
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Perturbaciones en la transmisión
�La señal recibida puede diferir de la señal transmitida
�Analógico - degradación de la calidad de la señal
�Digital – Errores de bits
�Causado porAtenuación y distorsión de atenuación
Distorsión de retardo
Ruido
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Atenuación
� La intensidad de la señal disminuye con la distancia
� Depende del medio
� La intensidad de la señal recibida:Debe ser suficiente para que se detecte
Debe ser suficientemente mayor que el ruido para que se reciba sin error
Crece con la frecuencia
� Ecualización: amplificar más las frecuencias más altas
� Problema menos grave para las señales digitales
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Distorsión de retardo
�Sólo en medios guiados
�La velocidad de propagación en el medio varía con la frecuencia
�Para una señal limitada en banda, la velocidad es mayor cerca de la frecuencia central
�Las componentes de frecuencia llegan al receptor en distintos instantes de tiempo, originando desplazamientos de fase entre las distintas frecuencias
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Ruido (1)
� Señales adicionales insertadas entre el transmisor y el receptor
� TérmicoDebido a la agitación térmica de los electrones
Aumenta linealmente con la temperatura absoluta (N0= kT)
Uniformemente distribuido en la frecuencia
Ruido blanco (NBW= kTB)
� IntermodulaciónSeñales que son la suma y la diferencia de frecuencias
originales y sus múltiplos (mf1± nf2)
Se produce por falta de linealidad
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Ruido (2)
�DiafoníaUna señal de una línea se mete en otra
�ImpulsivoImpulsos irregulares o picos
Ej: Interferencia electromagnética externa (tormenta)
Corta duración
Gran amplitud
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Efecto del ruido en señal digital
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Conceptos relacionados con la
capacidad del canal
�Velocidad de datosEn bits por segundo
Velocidad a la cual se pueden transmitir los datos
�Ancho de BandaEn ciclos por segundo (hertzios)
Limitado por el transmisor y el medio
�Ruido, nivel medio a través del camino de transmisión
�Tasa de errores, cambiar 0 por 1 y viceversa
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Ancho de Banda de Nyquist(ancho de banda teórico máximo)
Para 2 niveles SIN RUIDOVelocidad binaria
Para M niveles SIN RUIDOVelocidad binaria
1 Baudio = 1 estado señalización/sg
1 Baudio = 1 bps si M=2
La relación entre la velocidad de transmisión C y la velocidad de modulación V es:
)(2)( HzBbpsC =
)(log)(2)( 2 nivelesMHzBbpsC =
MbaudiosVbpsC 2)·log()( =
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Capacidad de Shannon (1)
� Para un cierto nivel de ruido, a mayor velocidad, menor período de un bit, mayor tasa de error (se pueden corromper 2 bits en el tiempo en que antes se corrompía 1 bit)
� Relación Señal / Ruido (Signal Noise Ratio, SNR) en dB
� Restricción: no se puede aumentar M cuanto se quiera porque debe cumplirse:
RuidoPotencia
SeñalPotenciaSNRSNRdB
_
_log10)log(10 ==
SNRM +≤ 1
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Capacidad de Shannon (2)
� En principio, si se aumenta el ancho de banda B y la potencia de señal S, aumenta la velocidad binaria C.
� Pero:Un aumento del ancho de banda B aumenta el ruido
Un aumento de potencia de señal S aumenta las no linealidades y el ruido de intermodulación
� Por tanto, la velocidad binaria teórica máxima será:
� Es decir,
2
222 ·log·log·2·log)( MBMBMVbpsC ===
)1()·log()( 2 SNRHzBbpsCmáx +=
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Ejemplo
�Canal entre 3 MHz y 4 MHz
�Relación señal ruido = 24 dB, SNR=102,4=251
Calcular ancho de bandaRespuesta: B = 1 MHz
�Calcular la velocidad binaria teórica máxima y el número de nivelesRespuesta: SNR = 251
Respuesta: C = 8 Mbps
Respuesta: M = 16 niveles
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Relación Eb/N0 (1)
�Eb: energía de señal por bit (Eb=S�Tb=S/R)� siendo S potencia señal, Tb tiempo de un bit, R bits/sg
�N0: densidad de potencia de ruido por Hz
�Se demuestra fácilmente que:
�O bien
kTR
S
N
RS
N
E b ==00
/
6,228log10log100
+−−=
TRS
N
EdBW
dB
b
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Relación Eb/N0 (2)
siendo k la constante de Boltzmann, cuyo valor es
y siendo T la temperatura absoluta en grados Kelvin
Ejemplo: Para obtener una relación Eb/N0 = 8,4 dBa una temperatura ambiente de 17 ºC (290 ºK) y una velocidad de transmisión de 2.400 bps, ¿qué potencia de señal recibida se necesita?
Respuesta:
KJk /º10·3803,1 23−=
8,161−=dBWS