TEMA 1 : INTRODUCCIÓN A LA TRANSMISIÓN DIGITAL Y CONCEPTOS BÁSICOS

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICACÁTEDRA: TRANSMISIÓN DE DATOS

TEMA 1: INTRODUCCIÓN A LA TRANSMISIÓN DIGITAL

Y CONCEPTOS BÁSICOS.

Loyo Mora, Eduardo José.C.I: 18.246.759Narváez Rojas, Carlos Alberto.C.I: 19.095.897

Profesor:Ing. Henry Romero.

Sumario

1. Conceptos generales de Sistemas de Comunicaciones.

2. Digital vs analógico. Características.3. Información en formato digital.4. Representación binaria de señales.5. Técnicas de modulación digital.6. Capacidad del canal de transmisión. 7. Multiplexión digital. 8. Perturbaciones en la Transmisión.9. Codificación de línea.

Mundo analógico y digital: Características

La información se puede propagar a través de sistemas de comunicaciones en forma de símbolos que pueden ser analógicos (proporcionales) o bien pueden ser digitales (discretos), debido a la existencia de información digital, existe la necesidad de desarrollar distintas técnicas de modulación que permitan una óptima transmisión de estos datos.

Para este propósito existen tanto técnicas de modulación analógica como digital.

Mundo analógico y digitalModulaciones Analógicas:

1) Modulación de Amplitud2) Modulación de Frecuencia3) Modulación de Fase4) Modulación de Amplitud de Pulsos5) Modulación de Ancho de Pulsos6) Modulación de Posición de Pulsos

Modulaciones Digitales:1) Modulación por Conmutación de Amplitud2) Modulación por Conmutación de Frecuencia3) Modulación por Conmutación de Fase4) Modulación 4-PSK, 8-PSK y 16-PSK5) Modulación 8-QAM y 16-QAM

Cabe destacar que la información analógica como la digital pueden ser codificadas mediante señales analógicas o digitales.

Datos digitales, señales analógicas: Los módems convierten los datos digitales en señales analógicas de tal manera que se puedan transmitir a través de líneas analógicas. Entre las técnicas básicas se encuentran:

1. Desplazamiento de amplitud (ASK - Amplitude Shift Keying)

2. Desplazamiento de frecuencia (FSK - Frequency Shift Keying)

3. Desplazamiento de fase (PSK - Phase Shift Keying)

Datos analógicos, señales analógicas: Los datos analógicos se modulan mediante una portadora para generar una señal analógica en una banda de frecuencias distinta. Algunas técnicas:

1. Modulación en Amplitud ( AM - Amplitude Modulation)

2. Modulación en Frecuencia ( FM - Frequency Modulation)

3. Modulación en Fase ( PM - Phase Modulation)

Datos digitales, señales analógicas: Una situación habitual, la transmisión de datos digitales a través de la red telefónica donde es posible trabajar con frecuencias de voz entre 300 y 3.3khz, no es por ende adecuada para la transmisión de señales digitales. Pero se pueden conectar dispositivos digitales mediante el uso de dispositivos módem (modulador-demulador) que convierten los datos digitales en señales analógicas y viceversa. Algunas técnicas:

1. Desplazamiento de amplitud (ASK)2. Desplazamiento de frecuencia (FSK)3. Desplazamiento de fase (PSK)

Comparación entre Analógico y Digital

1) La naturaleza de la modulante y la portadora:La modulante en las comunicaciones digitales es

información digital la que se representa en forma binaria, a diferencia de la analógica.2) Facilidad de generación: en comunicaciones a largas distancia, pueden ser regeneradas por completo en estaciones repetidoras intermedias ya que la información está en el código.3) Ancho de banda: ocupa un gran ancho de banda en comparación con la señal analógica original, pero disminuye enormemente el ruido y los errores.

4) Influencia del ruido: No se acumulan los efectos del ruido gracias a que en cada repetidora se transmite una señal libre de ruido, también una codificación adecuada reduce la interferencia y los efectos del ruido. La atenuación se elimina.5) Facilidad de multiplexado6) Gran confiabilidad y estabilidad, aparte de todo eficiente ya que puede reducir la repetición innecesaria de información.7) Los sistemas digitales utilizan la regeneración de señales, en vez de la amplificación de señales, por lo tanto producen un sistema más resistente al ruido que su contraparte analógica.

Bits y BaudiosUn bit es el acrónimo de Binary Digit (Dígito binario), en los sistemas de comunicación digitales se define la “razón de bits”, que es la razón de cambio en la entrada del modulador y tiene como unidades bits por segundos (bps).

Un baudio es una unidad de medida, que es usada en telecomunicaciones, que representa el número de símbolos transmitidos por segundo en una red analógica, en los sistemas de comunicación digitales se define la “razón de baudio”, que es la razón de cambio en la salida del modulador y es igual al recíproco del tiempo de un elemento de señalización de salida.

Entonces el baudio es el número de cambios de altos/bajos que se hacen en línea de transmisión por segundo. Como tal, describe la cantidad de veces que la línea de transmisión cambia de estado por segundo.

Velocidad de transmisión: Es el número de bits transmitidos por segundo cuando se envía un flujo continuo de datos.

Bits y Baudios

Algunos valores de velocidad de transmisión standard son 2400, 4800, 9600, 19200 bps.

Ejemplo: Si se tienen símbolos de 4 bits c/u, y deseamos determinar la velocidad de transmisión de un módem de 4800 baudios/seg se hace lo siguiente: 4800 baudios/seg * 4 bits = 19.200 bps

Velocidad de Transmisión

Longitud de OndaLa longitud de onda de la señal es la distancia que ocupa un ciclo completo de la señal que viaja a una velocidad "v".

Donde:c: Constante de la velocidad de la luz (3*10^8 m/s)f: Frecuencia de la señal

f

c

Longitud de OndaEjemplo: La profundidad en el océano a la que se detectan las señales electromagnéticas generadas desde aeronaves crece con la longitud de onda. Por tanto, los militares encontraron que usando longitudes de onda muy grandes, correspondientes a 30 Hz, podrían comunicarse con cualquier submarino alrededor del mundo. La longitud de antena es deseable que sea del orden de la mitad de la longitud de onda. ¿Cuál debería ser la longitud típica de las antenas para operar a esas frecuencias?.

Kmm

L

mHz

fC

ant

sm

50002

102

1030

10.3/

7

78

Espectro y ancho de bandaEspectro: Es el margen de frecuencias contenidas en la señal. Existe el discreto y el continuo, conocer el espectro de la señal facilita el análisis de los sistemas de comunicaciones, en especial lo relacionado a su ancho de banda.

Espectro y ancho de banda

Ancho de banda:a) El ancho de banda de una señal se puede entender como la anchura del espectro de la señal.b) Si se trata del ancho de banda de un canal, el ancho de banda es la gama de frecuencias que dicho canal permite que pasen a través de él sin ser distorsionadas.

Se determina como:B = fmayor - fmenor

Relación entre ancho de banda y velocidad de transmisión

El medio de transmisión limita mucho las componentes de frecuencia a las que puede ir la señal. Entonces el medio solo permite la transmisión de una cierta porción del ancho de banda.

En el caso de ondas cuadradas, se pueden simular con ondas senoidales en las que la señal contenga solamente múltiplos impares de la frecuencia fundamental.

Cuanto más ancho de banda, mucho más se parecerá la función seno a la onda cuadrada.

Siendo que el ancho de banda de una señal está concentrado sobre una frecuencia central, al aumentar esta aumenta al mismo tiempo la velocidad potencial para transmitir la señal. El problema radica en que aumenta el coste de la transmisión pero obteniendo los beneficios de que disminuye la distorsión y la posibilidad de que ocurran errores.

Relación entre ancho de banda y velocidad de transmisión

Efecto del ancho de banda

Para una mejor transmisión de la

información digital, es necesario que el ancho

de banda sea el suficiente para dejar

pasar la mayor cantidad de armónicos posibles de

los pulsos digitales

Simulación del ancho de banda mediante coeficientes de Fourier

Esta representa el número de símbolos independientes que pueden pasarse, a través de un sistema, en una unidad de tiempo determinado. Como tal, este símbolo fundamental es el bit. A la hora de expresar la capacidad de información es conveniente hacerlo en bits por segundo (bps).

En los Laboratorios de Teléfonos Bell, Hartley en 1928 desarrolló una relación que resultó bastante útil, donde englobaba el ancho de banda, la línea de transmisión y la capacidad de información.

Capacidad de información


TxBI Esta es conocida como la Ley de Hartley:

I: Es la capacidad del canal de información del sistemaB: Es el ancho de banda disponible (Hz)T: Línea de transmisión (s)

Con esta ecuación se puede concluir que la capacidad de información es una función lineal del acho de banda (B) y de la línea de transmisión (T), y es directamente proporcional a ambos. Si se llega a cambiar entonces, el B o el T ocurrirá un cambio directamente proporcional en la capacidad de información.

Luego en 1948, Shannonm, relacionó la capacidad de información de un canal de comunicación al ancho de banda y a la relación señal-ruido.

Esta relación, mucho más útil que la anterior, es conocida como Límite de Shannon, es como sigue:


I B S N log ( / )2 1

I B S N 3 32 110, log ( / )

Donde:I: Capacidad de información

(bps)B: Ancho de banda (Hz).

S/N: Relación señal a ruido (no posee unidades).

Coeficiente Eb/No

Es la fracción entre la energía de la señal por bits y la densidad de potencia del ruido por hertzio. Este resulta ser un parámetro más adecuado para determinar las tasas de error y la velocidad de transmisión. Es medido en decibelios.

Donde:

Eb: Es la energía de señal por bit (Eb = S*Tb = S/R)Siendo S la potencia de señal, Tb el tiempo de un

bit, y R vendría siendo bits/segNo: Densidad de potencia de ruido por Hz.

kTR

S

N

RS

N

Eb 00

/

6,228log10log100

TRS

N

EdBW

dB

b

KJk /º10·3803,1 23

En donde se demuestra que:

O en otras palabras:

Donde K vendría siendo la constante de Boltzmann, cuyo valor es:

y T la temperatura absoluta en grados Kelvin

Ejemplo: Si el nivel recibido de una señal en un sistema digital es de -151dBw y la temperatura efectiva de ruido en el receptor es de 1500 K. ¿Cuál es el cociente de Eo/No para un enlace que transmite a 2400 bps?

dB.NE

)log()..log()log(dBwNE

dB

dB

03314

150010103803110240010151

0

0

23

0

0

TdBWRSN

EdBW

dBo

b log106.228log10

Multiplexión Digital

La multiplexión es latransmisión de

información proveniente de varias fuentes, a través de un mismo

medio de transmisión a diferentes destinos.

(UNIÓN INTERNACIONAL DE TELECOMUNICACIONES).

Multiplexión DigitalEs más práctico la utilización de sistemas combinados o multiplexores digitales que agrupa un gran número de sistemas individuales de Modulación por Código de Pulsos (PCM) en una sola línea de transmisión, a grandes distancias, donde se necesita una alta capacidad de canal.

Multiplexión Digital:Objetivo:

El objetivo de los multiplexores digitales es combinar un número de flujos de impulsos de entrada, tributarios, en un solo flujo de impulsos de salida, con una velocidad digital bruta que es algo mayor que la suma de las velocidades de los tributarios y viceversa.

Perturbaciones en la Transmisión.

3) RUIDOS .

2) Distorsión de retado.

1) Atenuación

1) Atenuación y Distorsión de AtenuaciónAtenuación: Es la reducción de la densidad de potencia de una onda electromagnética.

Tipo de a tenuac ión:a) A tenuac ión en e l vac io : La que se p roduce

cuando las ondas se p ropagan po r e l espac io y t i enden a d i spersa rse .

b) A tenuac ión por pé rd ida de absorc ión : Ocas ionada po r pa r t í cu las que pueden absorber energ ía e lec t romagné t i ca . Ocur re cuando las ondas v ia jan en la a tmós fe ra te r res t re .

Distorsión de Atenuación :

Es la d i ferencia entre la ganancia del c i rcui to a determinada f recuencia, entre la ganancia correspondiente a una f recuencia de referencia .

1) Atenuación y Distorsión de Atenuación

Es un método indirecto para evaluar las características de retardo de un circuito, es decir , evalúa la relación entre la fase y frecuencia de un circuito.

Para que la transmisión de datos no tenga errores se requiere una relación lineal entre la fase y la frecuencia.

2) Distorsión de Retardo de Envolvente

Concepto:

Es toda energía indeseable presente en la pasabanda útil de un canal de comunicaciones.

3) Ruido

3) Ruido

Tipos de ruido:

a) Ruido correlacionado: es una relación entre la señal y el ruido. Es energía no deseada que se presenta como resultado directo de la señal. Ejemplo: Distorsión armónica y de intermodulación.

b) Ruido no correlacionado: es la energía que hay en ausencia de una señal . Ejemplo: ruido térmico o de Gauss. El cual está presente en forma inherente , en un circuito debido a la estructura eléctrica del mismo.

Códigos de Comunicación de Datos:

Concepto Los códigos de comunicación de datos son secuencias predeterminadas de BIT que se usan para codificar caracteres y símbolos.

Clases de caracteresa)Caracteres de control de

eslabón de datosb)Caracteres de control

gráficoc)Caracteres alfa/numéricos

Códigos de Comunicación de Datos

1) Código de Baudot

5 Bits. 25=32.Caracteres de paso a figuras.Caracteres de paso a letras.58 caracteres.

Códigos de Comunicación de Datos Código de Baudot


2) Código ASCII (American Standard Code for Information Interchange)

7 Bits. 27= 128. LSB b0. MSB b6. b7 BIT de paridad.

Códigos de Comunicación de DatosCódigo ASCII

Códigos de Comunicación de DatosCódigo ASCII


3) Código EBCDIC ( Extended-binary-Coded Decimal Interchange Code)

8 Bits. 28=256.LSB b7.MSB b0.Sin bit de paridad.



Código IRA

Alfabeto de Referencia Internacional (IRA), ó Alfabeto Internacional número 5, (IA5).

•7 bits. 27=128 caracteres. 4 grupos.•Bit de paridad.•Detectar errores de un bit.

Código IRA Grupo 1: Control de

Formato: 6 caracteres.

Grupo 2: Control de Transmisión: 9 caracteres.

Grupo 3: Separadores de Información: 4 caracteres

Grupo 4: Miscelánea: 15 caracteres

Código IRA

Codificación de línea: Concepto

(TOMASY, 2003).

Consiste en convertir niveles lógicos normalizados a una forma más adecuada para su transmisión por línea telefónica.

Codificación de línea: Concepto

(Stallings, 2007).

En la señalización digital una fuente de datos g(t), (analógica o digital) se codifica en una señal digital x(t). La forma de onda de x(t) dependerá de la técnica de codificación empleada. Su elección busca optimizar el uso del medio de transmisión; minimizando el ancho de banda o la tasa de errores.

Factores para la selección de un formato de codificación de

línea.

Factores

• Voltaje de transmisión y componentes de CD.

• Ciclo de trabajo.

• Ancho de banda.

• Recuperación de reloj

• Detección de errores.

• Facilidad de detección y decodificación.

1)Voltaje de transmisión y componentes de CD. Los voltajes de transmisión pueden ser:

a) Unipolares: Se transmite un solo nivel de voltaje distinto de cero.

b) Bipolares: Se transmiten dos niveles de voltaje distintos de cero.

Factores para la selección de un formato de codificación de línea.

Cont..

2) Ciclo de trabajo.

a) Sin regreso a cero (NRZ). Si el impulso binario o ciclo de trabajo se mantiene durante todo el tiempo del bit .b) Con regreso o retorno a cero (RZ). Si el impulso binario o ciclo de trabajo ocupa menos que el tiempo del 100% del tiempo del bit.

Factores para la selección de un formato de codificación

de línea.

Cont..


de línea.

Los voltajes de transmisión UP y BP, y la codificación RZ y NRZ se pueden combinar de varias maneras para obtener determinado esquema de codificación de línea.

Cont..

Codificación de línea: Formatos de codificación de

línea.

a) UPNRZ.

b)BPNRZ

c)UPRZ

d)BPRZ

e)BPRZ-AMI

Codificación de línea: EJERCICIO 1.

PLANTEAMIENTO: Para la siguiente secuencia de bits (1110010101100), trace el diagrama de sincronía para codifi cación: UPNRZ, BPNRZ, UPRZ, BPRZ y BPRZ-AMI.

Codificación de línea: Formatos de codificación de línea.

Corriente de

bits: 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0

V+

UPNRZ 0V

V+

BPNRZ 0V

V-

V+

UPRZ 0V

V+

BPRZ 0V

V-

V+

BPRZ-AMI 0V

V-

3) Ancho de banda.

Para determinar el ancho de banda mínimo necesario para la propagación de una señal codificada el línea se debe determinar su mayor frecuencia fundamental.

La frecuencia fundamental máxima se determina con el peor de las casos de secuencia de bit

Codificación de línea: Factores para la selección de un formato de codificación

de línea.

4) Recuperación de reloj.

Para recuperar y mantener la información de sincronización a partir de la señal de datos recibidos, estas deben tener una cantidad suficiente de transiciones.

En UPNRZ, BPNRZ, UPRZ y BPRZ-AMI una cadena larga de ceros genera una señal de datos sin transiciones.

En BPRZ se presenta una transición en cada posición de BIT, independientemente si el BIT es uno o un cero.


de línea.

5) Detección de errores.

En las trasmisiones UPNRZ, BPNRZ, UPRZ y BPRZ no hay manera de determinar si los datos recibidos contienen errores.

En las trasmisiones BPRZ-AMI existe un mecanismo de detección de errores.


de línea.

6. Facilidad de detección y decodificación.

La transmisión bipolar se adapta mejor a la detección de datos porque su componente promedio de cd es igual a 0V. No es deseable que exista una componente cd , porque puede causar una mala interpretación de la condición lógica de los pulsos recibidos.


de línea.

Codificación de línea: Factores para la selección de un formato de codificación de línea.

Formato de codificación

Ancho mínimo de

banda

CD Promedio Recuperación de Reloj

Detección de errores

UPNRZ fb /2* +V/2 Mala No

BPNRZ fb /2* 0V* Mala No

UPRZ fb +V/4 Buena No

BPRZ fb 0V* Óptima* No

BPRZ-AMI fb /2* 0V* Buena Si*

*Indica el mejor desempeño o calidad

Codificación de línea.Otros códigos de codificación de

línea

formato características

No retorno a nivel cero (NRZ-L)

0 = nivel alto.1 = nivel bajo

No retorno a cero invertido (NRZI)

0 = no hay transición al comienzo del intervalo(un bit cada vez).1 = transición al comienzo del intervalo.

Bipolar-AMI 0 = no hay señal.1 = nivel positivo o negativo, alternante.

Pseudoternario. 0 = nivel positivo a negativo alternante.1 = no hay señal.

Manchester 0 = transición de alto a bajo en mitad del intervalo.1 = transición de bajo a alto en mitad del intervalo.

Manchester diferencial

0 = transición al principio del intervalo.1 = no hay transición al principio del intervalo.Siempre hay una transición en mitad del intervalo.

Codificación de línea.Otros códigos de codificación de línea

Codificación de línea. EJERCICIO 2:

PLANTEAMIENTO: Para la siguiente secuencia de bits (1110010101100), trace el diagrama de sincronía para codificación: UPNRZ, BPNRZ, UPRZ, BPRZ y BPRZ-AMI.


Corriente de bits: 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0

V+

NRZ-L 0V

V+

NRZI 0V

V+

Bipolar-AMI 0V

V-

V+

Pseudoternario 0V

V-

V+

Manchester 0V

V-

V+

Manchester 0V

diferencial

V-


Técnicas de Scrambling:

Definición Consiste en reemplazar las secuencias de bits que generen niveles de tensión constante, por otras secuencias que tengan un número suficiente de transiciones, para que el reloj del receptor pueda mantenerse sincronizado.


Condiciones:

1. Proporcionar suficiente número de transiciones para que el reloj se mantenga sincronizado.

2. Debe ser reconocida por el receptor y sustituida por la secuencia original.

3. Debe tener la misma longitud que la original.

Técnicas de Scrambling: Objetivos: 1) Evitar la componente en continua.

2) Evitar las secuencias largas que 3) correspondan a señales de tensión

nula.

4) No reducir la velocidad de transmisión de los datos.

5) Tener cierta capacidad para detectar errores.


Características:B8ZS (Bipolar with 8-Zeros Substitution) Bipolar con sustitución de 8.Se basa en un BP-AMI.1) Si aparecen 8 ceros sucesivos y el último valor

de tensión anterior a dicho octeto fue positivo, se codifica dicha secuencia como: 000+-0-+

2) 2. Si aparece 8 ceros sucesivos y el último valor de tensión anterior a dicho octeto fue negativo, se codifica dicha secuencia como: 000-+0+-


V: violación de secuencia bipolarB: bit bipolar valido Estrategia:

Pulso anterior: + → 0 0 0 + - 0 - +Pulso anterior: - → 0 0 0 - + 0 + -


1. Se fuerzan dos violaciones del código AMI.

2. Probabilidad muy baja de haber sido causada por el ruido u otros defectos en la transmisión.

3. El receptor identificará ese patrón y lo interpretará convenientemente como un octeto todo ceros.

Técnicas de Scrambling: Tipos

HDB3 (High Density Bipolar 3 Zeros)

Se basa en la codificación AMI

Consiste en reemplazar cadenas de cuatro ceros por cadenas que contienen uno o dos pulsos. El cuarto cero se sustituye por una violación del código.


La sustitución dependerá: a) Si el número de pulsos desde la última violación es par o impar.b) Dependiendo de la polaridad del último pulso, anterior a la aparición de los cuatro ceros.


Numero Impar de 1’sDesde la última sust.

Técnicas de Scrambling: EJERCICIO 3:

PLANTEAMIENTO: Para las s iguientes secuencias de bits trace el diagrama de s incronía.1)Para B8ZS: 10011000000001010 Y 10001000000001010

2)Para HDB3: 1100000000110000010

Técnicas de Scrambling: Tipos

Corriente de bits: 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0

0 0 0 V B 0 V B

V+

B8ZS 0V

V-

Corriente de bits: 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0

0 0 0 V B 0 V B

V+

B8ZS 0V

V-

Corriente de bits: 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 V 0 0 0 V B 0 0 V B 0 0 V

V+

HDB3 0V

V-

RETROALIMENTACIÓN:

PREGUNTAS Y

RESPUESTAS

GRACIAS

BibliografíaUnión Internacional de Telecomunicaciones. Disponible en:www.itu.int/itudoc/itu-d/dept/psp/ssb/planitu/plandoc/digmux-es.pdf

Fundamentos de Telemática. Disponible en: http://www.it.uniovi.es/ old/material/telemática/fundamentos/FundamentosTelematica-Tema5.pdf

Técnicas de Multiplexing Modulación y Demodulación de Señales. Disponible en: http://www.it.uniovi.es/docencia/Telecomunicaciones/arss/ material/arssTema2-TecnicasMultiplexing.pdf

TOMASY ,Wayne. (2003) Sistemas de Comunicaciones Electrónicas. 4ta Edición. Pearson. Prentice Hall. México.

STALLINGS, william. (2007).Comunicaciones y Redes de Computadores. 7ta

Edición. Pearson. Prentice Hall. México.

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