Tecnologas de Comunicacin de DatosTransmisin digitalEduardo Interiano

ContenidoModulacin por manipulacin por corrimiento (shift keying) Transmisin serie y paralelo Transmisin en banda base Cdigos de lnea Cdigos de deteccin y correccin de errores2

Modulacin por manipulacin 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 manipulacin no significa, sin embargo que sean opciones tericamente deseables Estas manipulaciones se llaman ASK (amplitude shift keying), FSK (frequency shift keying) y PSK (phase shift keying)3

ASKLa seal se manipula segn la frmula s(t) = A(t)cos[C t + 0 ] En este mtodo, no se altera el ancho de banda de la seal transmitida Es sensible al ruido4

FSKSe usan dos frecuencias. Una para los 1, otra para los 0. La seal modulada puede considerarse como la suma de dos seales de AM de portadora diferente

s(t) = A(t)cos[C1t + ] + B(t)cos[C 2t + ]5

FSK: TiposSe llama FSK de banda ancha, cuando las portadoras se separan ms que los anchos de banda de los espectros de 1 y 2 (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)modulacin+ ] + B(t)cos[C 2t + ] = A(t)cos[C1t misma6

PSK, BPSKMatemticamente, PSK responde a esta ecuacin

s(t) = cos[C t + (t )]En BPSK, el ngulo solo tomas dos valores: 0 Por ello, se la considera una variacin de ASK, con f(t) tomando los valores 1 1. El ancho de banda es por tanto, el mismo de ASK7

QPSKQPSK. La fase puede tomar cuatro valores: 0, /2, /4, 3/2 M-ary PSK. Tiene M fases, 2mM; m=0,1,..., M-1 Baud rate: Es el nmero de veces por segundo que cambia el parmetro de seal (amplitud, fase o frecuencia). Tambin se le llama Tasa de sealizacin. Se mide en baudios8

Transmisin serie y paraleloTransmisin serieSe transmite bit por bit

Transmisin en paraleloSe transmiten varios bits simultneamente

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Transmisin en paraleloSe transmiten grupos de bits en paralelo Alta velocidad Muchas conexiones (n-lneas + control) Longitud limitada a varios metros Velocidad en bytes/segundo o mltiplos como Mbytes/segundo10

Transmisin en paraleloApta para comunicacin dentro de una placa de circuito impreso Usada para comunicar equipos a muy corta distancia entre s ej: computadora a impresora o a discos externos

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Transmisin serieBaja a mediana velocidad Requiere menos conexiones (3 lneas) Mayor alcance:sin modulacin algunos cientos de metros con modulacin ilimitado

La velocidad de comunicacin se expresa en bits/segundo (bps) o mltiplos como Mbps.12

Transmisin serie: requisitosEl receptor, para poder recuperar los bits de datos, debe ser capaz de identificar el inicio y el fin de cada bit Tambin el receptor tiene que identificar el inicio y el fin del mensaje o secuencia de bits13

Transmisin serie: tiposDependiendo de la forma empleada para sincronizar el receptor con el transmisor se conocen dos tiposSerie asincrnica Serie sincrnica14

Transmisin serie asincrnicaLa seal de reloj no se incluye con los datos, el receptor y el transmisor deben ponerse de acuerdo antes sobre la velocidad de transmisin Ya que los relojes en el receptor y transmisor slo se sincronizan al inicio del carcter, se limita la cantidad de bits para que el error de sincronizacin no sea demasiado grande15

Transmisin serie asincrnicaLa unidad de datos es el byte o carcter, 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 lnea toma el valor marca cuando est inactiva16

Transmisin serie asincrnica

T T=Tiempo de bit

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Eficiencia de la transmisin serie asincrnicaTenemos que para transmitir un byte se requieren al menos 2 y a veces hasta 3 bits extra; por lo que la eficiencia de transmisin mxima es: asincBitsdeDatos 8 = = = 0.8 = 80% TotaldeBits 10

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Transmisin serie sincrnicaLa seal contiene informacin del reloj entremezclada con los datos El receptor extrae el reloj de la seal para sincronizarse Como el receptor est siempre sincronizado con el transmisor, el nmero mximo de bits se puede incrementar sin aumentar el error de sincronizacin19

Transmisin serie sincrnicaLa 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 otro20

Transmisin serie sincrnicaFormato de una trama sincrnica tpicaBytes:1 2 Direccin 2 Control variable (1500 mx.) Datos 2 FCS 1

Flag

Flag

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Eficiencia de la transmisin serie sincrnicaLas tramas sincrnicas usan aproximadamente 8 bytes extra para transmitir hasta 1500 bytes de datos por lo que la eficiencia mxima es de:sincBytesdeDatos 1500 = = = 0.9947 = 99.47% TotaldeBytes 1508

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Transmisin en banda baseSe 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 baseM

0

f [Hz]23

Codificacin de lneaMtodo para convertir secuencia de datos binarios en una seal digital Objetivos de la codificacin de lneaMaximizar la velocidad de transmisin Facilitar la recuperacin de la seal de reloj Capacidad para detectar errores Inmunidad al ruido e interferencias Eliminacin del nivel de CD24

Cdigos de lnea: ejemplosNRZ unipolar NRZ polar NRZ invertida(codificacin diferencial)

Bipolar Manchester Manchester diferencial25

Cdigos de lnea: propiedades deseablesAutosincronizacin Baja probabilidad de error de bits Espectro adecuado para el canal Ancho de banda de transmisin pequeo Capacidad de deteccin de errores Transparente26

Espectros de cdigos de lnea

Espectro de algunas formas de codificacin27

AMIUsado en las lneas dedicadas T1

28

HDB3

29

2B1Q: Reglas de codificacin2B1Q es un cdigo de cuatro niveles Toma dos bits y los convierte en un baudio de 4 niveles Se reduce a la mitad la frecuencia de la lnea Requiere una relacin S/N mejor para una misma tasa de errores (BER)

Ventajas: Atenuacin reducida, e inmunidad mejorada al ruido y la diafona cercana y lejana (la energa de altas frecuencias se puede filtrar)

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2B1Q: Codificacin de lnea

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Correccin de erroresEn sistemas de comunicacin se usan dos tipos de correccin de errores:Solicitud de repeticin automtica (ARQ : Automatic Repeat Request) Correccin anticipada de errores (FEC : Forward Error Correction)32

Correccin de erroresSolicitud de repeticin automticaSe emplea en sistemas de comunicacin bidireccionales simultneos (full-duplex) Si el receptor encuentra que el mensaje est bien enva un ACK al transmisor Cuando el receptor detecta errores en un bloque de datos, solicita que se retransmita el mensaje por medio de un NACK33

Correccin de erroresCorreccin anticipada de erroresSe emplea en sistemas de comunicacin en canales de una va (simplex) o en sistemas duplex con demoras grandes en la transmisin Los datos transmitidos se codifican de forma tal que el receptor pueda detectar y corregir los errores Estos mtodos se clasifican como codificacin del

canal

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Codificacin de canal

Sistema de comunicacin digital en general35

Codificacin de canalLa codificacin 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 seal codificada36

Clasificacin de cdigosDe bloqueEl codificador no tiene memoria

ConvolucionalesEl codificador tiene memoria

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Clasificacin de cdigosDe bloqueSe transforman k smbolos binarios de entrada en n smbolos binarios de salida con n > k Se selecciona la codificacin que produzca redundancia, tal como bits de paridad Ejemplos de cdigos de bloque:Hamming Reed-Solomon38

Clasificacin de cdigosConvolucionalesSe transforman k smbolos binarios de entrada en n smbolos binarios de salida donde los smbolos de salida se ven afectados por (v + k) smbolos de entrada

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Tasa de error de bits(BER: Bit Error Ratio)Es una medida del deterioro de la informacin en un sistema de comunicaciones digital (similar a la relacin seal a ruido de los sistemas analgicos) Es la probabilidad de error de bit En forma simple es el nmero de errores dividido entre el nmero total de bits en un intervalo de tiempo determinado40

Tasa de error de bits(BER: Bit Error Ratio)BitsConError BER = BitsTotales

Ejemplo: si se reciben 10 bits errneos por cada milln 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 recibidos41

Cdigos de deteccin de erroresParidad simple,paridad transversal paridad longitudinal

Verificacin de redundancia cclica (CRC: Cyclic Redundancy Check)CRC-16 o CRC-3242

Paridad simpleLa paridad P, es el nmero de bits 1 de una secuencia de bits Si se acuerda paridad par, el nmero de bits 1 debe ser par en la secuencia. Para lograrlo, se inserta un 0 o un 1 el el campo correspondiente a P0 1 1 0 1 0 0 143

3 unos P = 1

Paridad simpleOriginal

0

1

1

0

1

0

0

1

Ocurre un error durante la comunicacin y se altera un bitAlterado

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 ser diferente del valor de P y se puede detectar el error Si se alteran dos bits cualesquiera, no se detectar error44

Verificacin de redundancia cclica (conceptual)Se divide la secuencia de bits a transmitir entre un nmero escogido especialmente El residuo de la divisin 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 comunicacin45

Verificacin de redundancia cclicaEjemplo: Usaremos el nmero 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 divisin y si todo est en orden, el CRC ser igual al residuo100 = 7, R = 9 CRC = 9 13

01100100

1001

100 = 7, R = 9 = CRC = 9 13

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Cdigos de correccin de erroresCdigo de HammingDetecta dos errores y corrige un error con d = 3 2t+1, con t =1 errores corregibles

Cdigo de Reed-SolomonUsado en CD, DAT y vdeo digital Corrige hasta dos errores en mensajes de hasta 251 Bytes de longitud47

Cdigo de HammingPeso de Hamming es el nmero de bits 1El peso de Hamming de 0 1 1 0 1 0 0 1 es 4

Distancia de Hamming entre dos palabras de cdigo es el nmero de posiciones en las cuales difieren0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1

La distancia d = 248

Cdigo Hamming (7,4)En este cdigo i3 intercalado se generan los bits de paridad haciendo una operacin XOR de los bits de datos 1 p1 = i3i1 i0p2 = i3i2 i0 p4 = i3i2 i149

i2

i1

p4 i0

p2 p1

0

1

0

0

1

0

Cdigo Hamming (7,4)Se produce un error en la comunicacin que 1 afecta el quinto bit Se realiza la operacin 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 est en error

0

10 01 0

11 01

1 5

0

1

0

01 0

0

1

050

ReferenciasCouch II, Len W.. Sistemas de Comunicacin Digitales y Analgicos. Prentice Hall, 5a Ed. Mxico, 1998. Len-Garca, Alberto, Widjaja, Indra. Redes de Comunicacin, McGraw Hill, Espaa, 2002

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