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Codificación de datosMedios de transmisión

Codificación de datos y medios de transmisión

Juan Manuel Orduña Huertas

Redes de Transmisión de Datos - Curso 2011/2012

Juan Manuel Orduña Huertas RTD - Tema 2


Índice

1 Codificación de datosModulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

2 Medios de transmisiónMedios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados



Modulación con portadora analógicaModulación PAM, PWM y PDMModulación con portadora y moduladora digitalModulación en espectro expandido: CDMA

Motivación

Banda base = No modificar el espectro original de la señal

Señales con espectro de amplitudes de B infinito.Si todas las señales se transmitieran en banda base seinterferirían entre ellas.La inductancia y capacitancia existentes en las líneas detransmisión afectan más a las señales en banda base.Teoría de antenas: antena ' longitud de onda λ. Vozhumana→ f = 3 kHz,λ = c/f .

λ =3 108

3 103 = 1 105 = 100 Km. (1)

Multiplexación en Frecuencia: Si canal de ancho de bandaB, dividir en n canales de ancho de banda B/n.Espectro electromagnético muy amplio.




Definiciones

Modulación: Transmisión de una señal a la frecuenciadeseada, pero variando alguna característica de la señal (osea, modulando la señal) de forma proporcional al mensaje oseñal que queremos transmitir.

Señal portadora: Seña periódica encargada de"transportar"la información a transmitir, y cuya frecuenciaes la frecuencia de transmisión deseada.Señal moduladora: Señal que representa el mensaje quedeseamos transmitir.Modulación: Modificación de algún parámetro de unaseñal por otra.Señal modulada: Señal resultante de la modulación deuna señal portadora por una señal modulada.




Clasificación

Tipo de señal: portadora y moduladora pueden seranalógica o digital.Parámetro de la portadora que se modifica: amplitud,frecuencia y fase.

Moduladora Analógica Moduladora Digital

AM (Amplitude Modulation) ASK (Amplitude Shift Keying)P. Analógica FM (Frequency Modulation) FSK (Frequency Shit Keying)

PM (Phase Modulation) PSK (Phase Shift Keying)PAM (Pulse Amplitude Modulation) NRZ (Non Return to Zero)PDM (Pulse Duration Modulation) RZ (Return to Zero)

Port. Digital PPM (Pulse Position Modulation) BifasePCM (Pulse Codification Modulation) Bipolar

Modulación Delta




Índice






Amplitude Shift Keying

UASK(t) = A[1 ± V

A

]cos(2πfpt) = A [1 ± m] cos(2πfpt)

(2)




Modulación por Desplazamiento en Frecuencia (FSK)

UFSK(t) =

{A cos(2πf1t + Θp) f1 = fp + ∆fp ⇔ ”1”A cos(2πf2t + Θp) f2 = fp −∆fp ⇔ ”0”

(3)




MFSK: MFSK Múltiple

UMFSK(t) = A cos(2πfi t) 1 ≤ i ≤ M (4)fi = fc + (2i − 1−M)fdfc = la frecuencia de la portadorafd = la diferencia mínima de frecuencias entrecualquier tono y la frecuencia portadoraM = número de elementos de señalización diferentes(4, 8,16, etc.) = 2L

L = número de bits por elemento de señalización

0 1 1 1

Time

Figure 5.9 MFSK Frequency Use (M = 4)

Freq

uenc

y

0 0Data

1 1 11 0 1 10 0 0 0 0 1 1

fc Wdfc + fdfc – fd

fc + 3 fd

fc – 3 fd

Ts

T




Modulación por Desplazamiento de Fase (PSK)

UBPSK(t) =

{A cos(2πfpt + π) ⇔ ”0”A cos(2πfpt) ⇔ ”1”

(5)

B = 2wm = 2Vtrans

2= Vtrans (6)




BPSK: Diagrama Constelación




BPSK: Modulador

Ancho de banda

s(t) = (sen(wmt)) · (sen(wpt))

=12

cos(wp − wm)t +12

cos(wp + wm)t

(7)

B = 2wm = 2Vtrans

2= Vtrans (8)




QPSK: PSK Cuaternario

UQPSK(t) =

A cos(2πfpt + 45o) ⇔ ”11”A cos(2πfpt + 135o) ⇔ ”10”A cos(2πfpt + 225o) ⇔ ”00”A cos(2πfpt + 315o) ⇔ ”01”

(9)




QPSK: Ancho de banda

s(t) = (sen(wmt)) · (sen(wpt))

=12

cos(wp − wm)t +12

cos(wp + wm)t

B = wp + wm − (wp − wm) = 2wm = Vtrans

wmQPSK = 1/2wmBPSK ⇒ B = 1/2Vtrans (10)




Diagrama constelación QPSK




Modulación 8-BPSK

wm8−BPSK = 1/3wmBPSK ⇒ B = 1/3Vtrans




Modulación 16-BPSK

wm16−BPSK = 1/4wmBPSK ⇒ B = 1/4Vtrans




Modulación 8-QAM

wm8−QAM = 1/3wmBPSK ⇒ B = 1/3Vtrans




Modulación 16-QAM

wm16−QAM = 1/4wmBPSK ⇒ B = 1/4Vtrans




Teorema de Muestreo




Índice






Modulación por amplitud de pulso (PAM)




Modulación por duración de pulso (PWM)




Modulación por posición de pulso (PPM)




Modulación PCM




Cuantificación




Índice






Técnicas de recodificación




Técnicas de inserción de bits




Índice






Concepto de espectro expandido

Input data

Spreadingcode

Spreadingcode

Channelencoder Modulator Channel De-

modulatorChanneldecoder

Output data

Pseudonoisegenerator

Figure 9.1 General Model of Spread Spectrum Digital Communication System

Pseudonoisegenerator




Espectro expandido por salto de frecuencias: FHSS

Figure 9.2 Frequency Hopping Example

f1

5

f2

8

f3

3

f4

7

f5

1

f6

4

f7

6

f8

2

Energy

Frequency

(a) Channel assignment

f1

f2

f3

f4

f5

f6

f7

f8

Frequency

Time

(b) Channel use




FHSS lento

Time

Figure 9.4 Slow Frequency Hop Spread Spectrum Using MFSK (M = 4, k = 2)

Input binary data

MFSKsymbol

Ts

T

Tc

Wd

Ws

Wd

Wd

Wd

Freq

uenc

y

0 1

00 11 01 10 00 PN sequence

1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1




FHSS rápido

Time

Figure 9.5 Fast Frequency Hop Spread Spectrum Using MFSK (M = 4, k = 2)

Ts

Tc

T

Wd

Ws

Wd

Wd

Wd

Freq

uenc

y

Input binary data

MFSKsymbol

0 1

00 11 01 10 00 10 00 11 10 00 10 11 11 01 00 01 10 11 01 10 PN sequence

1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1




Acceso Múltiple por División de Código: CDMA

User A

Code Message "1101" Encoded

User B

User C

Figure 9.10 CDMA Example




Table 9.1 CDMA Example

(a) User's codes

User A 1 –1 –1 1 –1 1User B 1 1 –1 –1 1 1User C 1 1 –1 1 1 –1

(b) Transmission from A

Transmit (data bit = 1) 1 –1 –1 1 –1 1Receiver codeword 1 –1 –1 1 –1 1Multiplication 1 1 1 1 1 1 = 6

Transmit (data bit = 0) –1 1 1 –1 1 –1Receiver codeword 1 –1 –1 1 –1 1Multiplication –1 –1 –1 –1 –1 –1 = –6

(c) Transmission from B, receiver attempts to recover A's transmission

Transmit (data bit = 1) 1 1 –1 –1 1 1Receiver codeword 1 –1 –1 1 –1 1Multiplication 1 –1 1 –1 –1 1 = 0

(d) Transmission from C, receiver attempts to recover B's transmission

Transmit (data bit = 1) 1 1 –1 1 1 –1Receiver codeword 1 1 –1 –1 1 1Multiplication 1 1 1 –1 1 –1 = 2

(e) Transmission from B and C, receiver attempts to recover B's transmission

B (data bit = 1) 1 1 –1 –1 1 1C (data bit = 1) 1 1 –1 1 1 –1Combined signal 2 2 –2 0 2 0Receiver codeword 1 1 –1 –1 1 1Multiplication 2 2 2 0 2 0 = 8



Medios de transmisión guiadosMedios de transmisión no guiados

Espectro electromagnético




Índice






Cable de par trenzado

Es de los más utilizadosDos hilos aislados trenzados entre sí a modo de hélice.Ventajas: Barato, sencillo de utilizarDesventajas: Baja velocidad de transmisión, distanciascortasA menudo se agrupan en cablesA menudo ya están instalados en el edificio

AplicacionesRed telefónica (la última milla) bucle de abonadoRed telefónica privadaRedes de área local (10 y 100 Mbps)




Clasificación según el recubrimiento

Par trenzado no apantallado (UTP)Hilo telefónico normalEl más baratoEl más fácil de instalarPuede sufrir interferencias electromagnéticas

Par trenzado apantallado (STP)Cubierta metálica que aísla de interferenciasMás caroMás difícil de manejar (más grueso, más rígido)




Cables de telefonía

Características de los hilos de cobre para telefonía




Ejemplos de cables de pares trenzados

Cables trenzados apantallados y no apantallados




Categorías en cables de cobre

Distintas categorías de cable UTPTipo Frec. máx. (aplicación)Categoría 1 4 khz (voz)telefónico)Categoría 2 (Datos hasta 4 Mbps)Categoría 3 16 Mhz (Datos hasta 10 Mbps)Categoría 4 20 Mhz (Datos hasta 16 Mbps)Categoría 5 100 Mhz (Fast Ethernet)Categoría 5e 100 Mhz (Gigabit Ethernet)Categoría 6 250 Mhz (Gigabit Ethernet)Categoría 7 600 Mhz (10-Gigabit Ethernet)




Cable coaxial

Cable coaxial




Aplicaciones del cable coaxial

Distribución de la televisiónTelefonía de larga distancia (Puede llevar hasta 10.000canales de voz, pero se va sustituyendo por la fibra óptica)Redes locales de 10 MbpsEnlaces de computador a corta distancia




Cable coaxial: Características de la transmisión

AnalógicaAmplificadores cada pocos Km.Distancia depende de la frecuenciaVálido hasta 500 MHz

DigitalRepetidores cada KmA menos distancia si se quiere más bps




Fibra óptica

CaracterísticasGran capacidad (Gbps)Tamaño y peso pequeñosPoca atenuaciónAislamiento electromagnéticoMayor distancia entre repetidores (10 Km)




Fibra óptica: Componentes

Medio de transmisión:Emisor de luz: LED o diodo laserDetector: fotodiodo




Sección de una fibra optica

Sección de un cable de fibra óptica

Conectores de fibra óptica




Interior de la fibra óptica






Fibra óptica: Funcionamiento

La transmisión de la luz por la refracción producida en elinterfaz del núcleo de la fibra con el recubrimientoLas refracciones hacen que haya muchos caminos ópticosentre la entrada y la salida, de modo que la ondaresultante de un pulso se vuelve más anchaLas fibras monomodo, son tan finas (9µm) que no hay másque un rayo de luz, con lo cual la dispersión es casi nula.Pero es muy caraUna versión intermedia es la fibra multimodo de índicegradual. La refracción gradual compensa las distintasdistancias recorridas.




Fibra óptica: tipos

Fibra óptica

Tres tipos de fibras




Índice






Medios inalámbricos

La mayoría de aparatos móviles permiten la conexióninalámbrica.Se utilizan mucho las frecuencias más altas del espectroya que si tomamos la ecuación λf = c y despejamos f yderivamos respecto de λ obtenemos:

dfdλ

= − cλ2

o despejando f y poniéndolo como incrementos tenemos:

4f =c4λλ2

lo cual indica que para ondas muy cortas la banda defrecuencia que se abarca con una pequeña variación de λes muy grande.




Radiodifusión

Las ondas de radio son omnidireccionales, penetran en losedificios y son fáciles de generar.Las propiedades dependen de la frecuencia:

A bajas frecuencias cruzan cualquier obstáculo pero supotencia se reduce proporcionalmente a 1/r2 en el aireA frecuencias altas viajan en línea recta y rebotan en losobstáculos

Como viajan a largas distancias, la interferencia estáreglamentada severamente.


Apéndice Lecturas recomendadas

Bibliografía I

Andrew S. Tanenbaum, “Redes de Computadores”, Ed.Prentice Hall, 4a. ed., 2003

William Stallings, Çomunicaciones y Redes decomputadores", Ed. Prentice-Hall, 7a. Edición, 2004


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