2
. TRANSMISION DE DATOS
2
.1 . Conceptos y terminología
2.1.1.
Terminología utilizada en transmisión de datos
Los medios
de transmisión pueden ser :
v
Guiados si las ondas electromagnéticas van encaminadas a lo largo de un
camino físico ; no guiados si el medio es sin encauzar ( aire , agua , etc..) .
v
Simplex si la señal es unidireccional ; half-duplex si ambas estaciones
pueden trasmitir pero no a la vez ; full-duplex si ambas estaciones pueden
transmitir a la vez .
2.1.2.
Frecuencia , espectro y ancho de banda
1.
Conceptos en el dominio temporal .
Una señal , en el ámbito temporal , puede ser continua o discreta . Puede ser
periódica o no periódica . Una señal es periódica si se repite en intervalos
de tiempo fijos llamados periodo . La onda seno es la más conocida y utilizada
de las señales periódicas . En el ámbito del tiempo , la onda seno se
caracteriza por la amplitud , la frecuencia y la fase .
S(t) = A x
Sen ( 2 x pi x f x t + fase )
La longitud de onda se define como el producto de la velocidad de
propagación
de la onda por su fase .
2.
Conceptos del dominio de la frecuencia
. En la práctica , una señal electromagnética está compuesta por muchas
frecuencias . Si todas las frecuencias son múltiplos de una dada , esa
frecuencia se llama frecuencia fundamental . El periodo ( o inversa de la
frecuencia ) de la señal suma de componentes es el periodo de la frecuencia
fundamental . Se puede demostrar que cualquier señal está constituida por
diversas frecuencias de una señal seno .
El
espectro de una señal es el conjunto de frecuencias que constituyen la señal .
El
ancho de banda es la anchura del espectro . Muchas señales tienen un ancho de
banda infinito , pero la mayoría de la energía está concentrada en un ancho
de banda pequeño .
Si
una señal tiene una componente de frecuencia 0 , es una componente continua.
3.
Relación entre la velocidad de transmisión
y el ancho de banda . El medio de transmisión
de las señales limita mucho las componentes de frecuencia a las que puede ir la
señal , por lo que el medio sólo permite la transmisión de cierto ancho de
banda .
En
el caso de ondas cuadradas ( binarias ) , estas se pueden simular con ondas
senoidales en las que la señal sólo contenga múltiplos impares de la
frecuencia fundamental . Cuanto más ancho de banda , más se asemeja la función
seno ( multifrecuencia ) a la onda cuadrada . Pero generalmente es suficiente
con las tres primeras componentes .
Se
puede demostrar que al duplicar el ancho de banda , se duplica la velocidad de
transmisión a la que puede ir la señal .
Al
considerar que el ancho de banda de una señal está concentrado sobre una
frecuencia central , al aumentar esta , aumenta la velocidad potencial de
transmitir la señal .
Pero
al aumentar el ancho de banda , aumenta el coste de transmisión de la señal
aunque disminuye la distorsión y la posibilidad de ocurrencia de errores .
2
. 2 . Transmisión de datos analógicos y digitales
Los datos
analógicos toman valores continuos y los digitales , valores discretos .
Una señal
analógica es una señal continua que se propaga por ciertos medios .
Una señal
digital es una serie de pulsos que se transmiten a través de un cable ya que
son pulsos eléctricos .
Los datos
analógicos se pueden representar por una señal electromagnética con el mismo
espectro que los datos .
Los datos
digitales se suelen representar por una serie de pulsos de tensión que
representan los valores binarios de la señal .
La
transmisión analógica es una forma de transmitir señales analógicas ( que
pueden contener datos analógicos o datos digitales ). El problema de la
transmisión analógica es que la señal se debilita con la distancia
, por lo que hay que utilizar amplificadores de señal cada cierta
distancia .
La
transmisión digital tiene el problema de que la señal se atenúa y distorsiona
con la distancia , por lo que cada cierta distancia hay que introducir
repetidores de señal .
Ultimamente
se utiliza mucho la transmisión digital debido a que :
v
La tecnología digital se ha abaratado mucho .
v
Al usar repetidores en vez de amplificadores , el ruido y otras
distorsiones no es acumulativo .
v
La utilización de banda ancha es más aprovechada por la tecnología
digital .
v
Los datos transportados se pueden encriptar y por tanto hay más
seguridad en la información .
v
Al tratar digitalmente todas las señales , se pueden integrar servicios
de datos analógicos ( voz , vídeo, etc..) con digitales como texto y otros .
2
. 3 . Perturbaciones en la transmisión
2.3.1. Atenuación
La energía
de una señal decae con la distancia , por lo que hay que asegurarse que llegue
con la suficiente energía como para ser captada por la circuitería del
receptor y además , el ruido debe ser sensiblemente menor que la señal
original ( para mantener la energía de la señal se utilizan amplificadores o
repetidores ) .
Debido a
que la atenuación varía en función de la frecuencia , las señales analógicas
llegan distorsionadas , por lo que hay que utilizar sistemas que le devuelvan a
la señal sus características iniciales ( usando bobinas que cambian las
características eléctricas o amplificando más las frecuencias más altas ) .
2.3.2.
Distorsión de retardo
Debido a
que en medios guiados , la velocidad de propagación de una señal varía con la
frecuencia , hay frecuencias que llegan antes que otras dentro de la misma señal
y por tanto las diferentes componentes en frecuencia de la señal llegan en
instantes diferentes al receptor . Para
atenuar este problema se usan técnicas de ecualización .
2.3.3. Ruido
El ruido
es toda aquella señal que se inserta entre el emisor y el receptor de una señal
dada . Hay diferentes tipos de ruido : ruido térmico debido a la agitación térmica
de electrones dentro del conductor , ruido de intermodulación cuando distintas
frecuencias comparten el mismo medio de transmisión , diafonía se produce
cuando hay un acoplamiento entre las líneas que transportan las señales
y el ruido impulsivo se trata de pulsos discontinuos de poca duración y
de gran amplitud que afectan a la señal .
2.3.4.
Capacidad del canal
Se llama
capacidad del canal a la velocidad a la que se pueden transmitir los datos en un
canal de comunicación de datos .
La
velocidad de los datos es la velocidad expresada en bits por segundo a la que se
pueden transmitir los datos .
El ancho
de banda es aquel ancho de banda de la señal transmitida y que está limitado
por el transmisor y por la naturaleza del medio de transmisión ( en hertzios ).
La tasa de
errores es la razón a la que ocurren errores .
Para un
ancho de banda determinado es aconsejable la mayor velocidad de transmisión
posible pero de forma que no se supere la tasa de errores aconsejable . Para
conseguir esto , el mayor inconveniente es el ruido .
Para un
ancho de banda dado W , la mayor velocidad de transmisión posible es 2W , pero
si se permite ( con señales digitales ) codificar más de un bit en cada ciclo
, es posible transmitir más cantidad de información .
La
formulación de Nyquist nos dice que aumentado los niveles de tensión
diferenciables en la señal , es posible incrementar la cantidad de información
transmitida .
C=
2W log2 M
El
problema de esta técnica es que el receptor debe de ser capaz de diferenciar más
niveles de tensión en la señal recibida , cosa que es dificultada por el ruido
.
Cuanto
mayor es la velocidad de transmisión , mayor es el daño que puede ocasionar el
ruido .
Shannon
propuso la fórmula que relaciona la
potencia de la señal ( S ) , la potencia del ruido ( N ) , la capacidad del
canal ( C ) y el ancho de banda ( W ) .
C
= W log2 ( 1+S/N )
Esta
capacidad es la capacidad máxima teórica de cantidad de transmisión , pero en
la realidad , es menor debido a que no se ha tenido en cuenta nada más que el
ruido térmico .
3
. MEDIOS DE TRANSMISION
3
. 1 . Medios
de transmisión guiados
En medios
guiados , el ancho de banda o velocidad de transmisión dependen de la distancia
y de si el enlace es punto a punto o multipunto .
3.1.1. Par trenzado
Es
el medio guiado más barato y más usado .
Consiste
en un par de cables , embutidos para su aislamiento , para cada enlace de
comunicación . Debido a que puede haber acoples entre pares , estos se trenza
con pasos diferentes . La utilización del trenzado tiende a disminuir la
interferencia electromagnética .
Este
tipo de medio es el más utilizado debido a su bajo coste ( se utiliza mucho en
telefonía ) pero su inconveniente principal es su poca velocidad de transmisión
y su corta distancia de alcance .
Con
estos cables , se pueden transmitir señales analógicas o digitales .
Es
un medio muy susceptible a ruido y a interferencias . Para evitar estos
problemas se suele trenzar el cable con distintos pasos de torsión y se suele
recubrir con una malla externa para evitar las interferencias externas .
3.1.2. Pares trenzados apantallados y sin apantallar
Los
pares sin apantallar son los más baratos aunque los menos resistentes a
interferencias ( aunque se usan con éxito en telefonía y en redes de área
local ) . A velocidades de transmisión bajas , los pares apantallados son menos
susceptibles a interferencias , aunque son más caros y más difíciles de
instalar .
3.1.3. Cable coaxial
Consiste
en un cable conductor interno ( cilíndrico ) separado de otro cable conductor
externo por anillos aislantes o por un aislante macizo . Todo esto se recubre
por otra capa aislante que es la funda del cable .
Este
cable , aunque es más caro que el par trenzado , se puede utilizar a más larga
distancia , con velocidades de transmisión superiores , menos interferencias y
permite conectar más estaciones .
Se
suele utilizar para televisión , telefonía a larga distancia , redes de área
local , conexión de periféricos a corta distancia , etc...
Se
utiliza para transmitir señales analógicas o digitales .
Sus
inconvenientes principales son : atenuación , ruido térmico , ruido de
intermodulación .
Para
señales analógicas , se necesita un amplificador cada pocos kilómetros y para
señales digitales un repetidor cada kilómetro .
3.1.4. Fibra óptica
Se
trata de un medio muy flexible y
muy fino que conduce energía de naturaleza óptica .
Su
forma es cilíndrica con tres secciones radiales : núcleo , revestimiento y
cubierta .
El
núcleo está formado por una o varias fibras muy finas de cristal o plástico .
Cada fibra está rodeada por su propio revestimiento que es un cristal o plástico
con diferentes propiedades ópticas distintas a las del núcleo . Alrededor de
este conglomerado está la cubierta ( constituida de material plástico o
similar ) que se encarga de aislar el contenido de aplastamientos , abrasiones ,
humedad , etc...
Es
un medio muy apropiado para largas distancias e incluso últimamente para LAN's
.
Sus
beneficios frente a cables coaxiales y pares trenzados son :
v
Permite mayor ancho de banda .
v
Menor tamaño y peso .
v
Menor atenuación .
v
Aislamiento electromagnético .
v
Mayor separación entre repetidores .
Su
rango de frecuencias es todo el espectro visible y parte del infrarrojo .
El
método de transmisión es : los rayos de luz inciden con una gama de ángulos
diferentes posibles en el núcleo del cable , entonces sólo una gama de ángulos
conseguirán reflejarse en la capa que recubre el núcleo . Son precisamente
esos rayos que inciden en un cierto rango de ángulos los que irán rebotando a
lo largo del cable hasta llegar a su destino . A este tipo de propagación se le
llama multimodal . Si se reduce el radio del núcleo , el rango de ángulos
disminuye hasta que sólo sea posible la transmisión de un rayo , el rayo axial
, y a este método de transmisión se le llama monomodal .
Los
inconvenientes del modo multimodal es que debido a que dependiendo al ángulo de
incidencia de los rayos , estos tomarán caminos diferentes y tardarán más o
menos tiempo en llegar al destino , con lo que se puede producir una distorsión
( rayos que salen antes pueden llegar después ) , con lo que se limita la
velocidad de transmisión posible .
Hay
un tercer modo de transmisión que es un paso intermedio entre los anteriormente
comentados y que consiste en cambiar el índice de refracción del núcleo . A
este modo se le llama multimodo de índice gradual .
Los
emisores de luz utilizados son : LED ( de bajo coste , con utilización en un
amplio rango de temperaturas y con larga vida media ) y ILD ( más caro , pero más
eficaz y permite una mayor velocidad de transmisión ) .
3
. 2 . Transmisión inalámbrica
SE
utilizan medios no guiados , principalmente el aire . Se radia energía
electromagnética por medio de una antena y luego se recibe esta energía con
otra antena .
Hay
dos configuraciones para la emisión y recepción de esta energía : direccional
y omnidireccional . En la direccional , toda la energía se concentra en un haz
que es emitido en una cierta dirección , por lo que tanto el emisor como el
receptor deben estar alineados . En
el método omnidireccional , la energía es dispersada en múltiples direcciones
, por lo que varias antenas pueden captarla . Cuanto mayor es la frecuencia de
la señal a transmitir , más factible es la transmisión unidireccional .
Por
tanto , para enlaces punto a punto se suelen utilizar microondas ( altas
frecuencias ) . Para enlaces con varios receptores posibles se utilizan las
ondas de radio ( bajas frecuencias ) . Los infrarrojos se utilizan para
transmisiones a muy corta distancia ( en una misma habitación ) .
3.2.1. Microondas terrestres
Suelen
utilizarse antenas parabólicas . Para conexionas a larga distancia , se
utilizan conexiones intermedias punto a punto entre antenas parabólicas .
Se
suelen utilizar en sustitución del cable coaxial o las fibras ópticas ya que
se necesitan menos repetidores y amplificadores , aunque se necesitan antenas
alineadas . Se usan para transmisión de televisión y voz .
La
principal causa de pérdidas es la atenuación debido a que las pérdidas
aumentan con el cuadrado de la distancia ( con cable coaxial y par trenzado son
logarítmicas ) . La atenuación aumenta con las lluvias .
Las
interferencias es otro inconveniente de las microondas ya que al proliferar
estos sistemas , pude haber más solapamientos de señales .
3.2.2. Microondas por satélite
El
satélite recibe las señales y las amplifica o retransmite en la dirección
adecuada .
Para
mantener la alineación del satélite con los receptores y emisores de la tierra
, el satélite debe ser geoestacionario .
Se
suele utilizar este sistema para :
v
Difusión de televisión .
v
Transmisión telefónica a larga distancia .
v
Redes privadas .
El rango de frecuencias para la recepción del satélite debe ser diferente del
rango al que este emite , para que no haya interferencias entre las señales que
ascienden y las que descienden .
Debido
a que la señal tarda un pequeño intervalo de tiempo desde que sale del emisor
en la Tierra hasta que es devuelta al receptor o receptores , ha de tenerse
cuidado con el control de errores y de flujo de la señal .
Las
diferencias entre las ondas de radio y las microondas son :
v
Las microondas son unidireccionales y las ondas de radio
omnidireccionales .
v
Las microondas son más sensibles a la atenuación producida por la
lluvia .
v
En las ondas de radio , al poder reflejarse estas ondas en el mar u otros
objetos , pueden aparecer múltiples señales "hermanas" .
3.2.3. Infrarrojos
Los
emisores y receptores de infrarrojos deben estar alineados o bien estar en línea
tras la posible reflexión de rayo en superficies como las paredes .
En infrarrojos no existen problemas de seguridad ni de interferencias ya
que estos rayos no pueden atravesar los objetos ( paredes por ejemplo ) .
Tampoco es necesario permiso para su utilización ( en microondas y ondas de
radio si es necesario un permiso para asignar una frecuencia de uso ) .
4
. CODIFICACION DE DATOS
4
. 1 . Datos digitales , señales digitales
Una
señal es digital si consiste en una serie de pulsos de tensión . Para datos
digitales no hay más que codificar cada pulso como bit de datos .
En
una señal unipolar ( tensión siempre del mismo signo ) habrá que codificar un
0 como una tensión baja y un 1 como una tensión alta ( o al revés ) .
En
una señal bipolar ( positiva y negativa ) , se codifica un 1 como una tensión
positiva y un 0 como negativa ( o al revés ) .
La
razón de datos de una señal es la velocidad de transmisión expresada en bits
por segundo , a la que se transmiten los datos .
La
razón de modulación es la velocidad con la que cambia el nivel de la señal ,
y depende del esquema de codificación elegido .
v
Un aumento de la razón de datos aumentará la razón de error por bit .
v
Un aumento de la relación señal-ruido ( S/N ) reduce la tasa de error
por bit .
v
Un aumento del ancho de banda permite un aumento en la razón de datos .
Para mejorar las prestaciones del sistema de transmisión , se debe utilizar un
buen esquema de codificación , que establece una correspondencia entre los bits
de los datos y los elementos de señal .
Factores
a tener en cuenta para utilizar un buen sistema de codificación :
1.
Espectro de la señal : La ausencia de componentes de altas frecuencias ,
disminuye el ancho de banda . La presencia de componente continua en la señal
obliga a mantener una conexión física directa ( propensa a algunas
interferencias ) . Se debe concentrar la energía de la señal en el centro de
la banda para que las interferencias sean las menores posibles .
2.
Sincronización : para separar un bit de otro , se puede utilizar una señal
separada de reloj ( lo cuál es muy costoso y lento ) o bien que la propia señal
porte la sincronización , lo cuál implica un sistema de codificación adecuado
.
3.
Detección de errores : es necesaria la detección de errores ya en la
capa física .
4.
Inmunidad al ruido e interferencias : hay códigos más robustos al ruido
que otros .
5.
Coste y complejidad : el coste aumenta con el aumento de la razón de
elementos de señal .
4.1.1.
No retorno a cero ( NRZ )
Es
el esquema más sencillo ya que se codifica un nivel de tensión como un 1 y una
ausencia de tensión como un 0 ( o al revés ) .
Ventajas
: sencillez , fácil de implementar , uso eficaz del ancho de banda .
Desventajas
: presencia de componente en continua , ausencia de capacidad de sincronización
.
Se
suelen utilizar en grabaciones magnéticas .
Otra
modalidad de este tipo de codificación es la NRZI
que consiste en codificar los bits cuando se producen cambios de tensión (
sabiendo la duración de un bit , si hay un cambio de tensión , esto se
codifica por ejemplo como 1 y si no hay cambio , se codifica como 0 ) . A esto
se le llama codificación diferencial . Lo que se hace es comparar la polaridad
de los elementos de señal adyacentes , y esto hace posible detectar mejor la
presencia de ruido y es más difícil perder la polaridad de una señal cuando
hay dificultades de transmisión .
4.1.2. Binario multinivel
Este
sistema intenta subsanar las deficiencias de NRZ utilizando el sistema de
codificar un 1 cada vez que se produce un cambio de nivel de la señal , y
codificando un 0 cuando no hay cambio de nivel ( lo cuál sigue siendo un
inconveniente para cadenas de ceros ) .
Ventajas
: no hay problemas de sincronización con cadenas de 1 ( aunque sí con cadenas
de 0 ) , no hay componente en continua , ancho de banda menor que en NRZ , la
alternancia de pulsos permite la detección de errores .
Desventajas
: hay aún problemas de sincronización , es menos eficaz que el NRZ , hay mayor
tasa de errores que NRZ .
4.1.3. Bifase
En
la codificación Manchester siempre hay una transición en mitad del intervalo
de duración del bit ( la mitad del bit se encarga de la sincronización ) .
En
Manchester diferencial la transición en mitad del intervalo se utiliza sólo
como sincronización y es la presencia de un cambio de tensión al inicio del
bit lo que señala la presencia de un 1 .
Ventajas
: sincronización ,no tiene componente en continua , detección de errores .
Desventajas
: se necesita mayor ancho de banda .
4.1.4. Velocidad de modulación
Hay
que diferenciar entre la razón de datos ( bits por unidad de tiempo ) y la
velocidad de modulación ( elementos de señal por unidad de tiempo ) . Cuanto
mejor sea el sistema de codificación , mayor velocidad de modulación se podrá
obtener .
4.1.5. Técnicas de altibajos
Para
mantener sincronizado el reloj del receptor en técnicas bifase , se hace
necesario sustituir series largas de ausencias de tensión por cambios
sincronizados ( que portan el reloj ) y luego se requiere un método en el
receptor para volver a decodificar la señal original .
4
. 2 . Datos digitales , señales analógicas
4.2.1.
Técnicas de codificación
Para
transmitir datos digitales mediante señales analógicas es necesario convertir
estos datos a un formato analógico . Para esto existen varias técnicas.
1.
Desplazamiento de amplitud ( ASK ) : los dos valores binarios se
representan por dos valores de amplitud de la portadora , por ejemplo s(t)=A x
Cos ( 2 x pi x f x t ) simboliza el
1 y s(t)= 0 simboliza el 0 .
Aunque este método es muy sensible a cambios repentinos de la ganancia , es muy
utilizado en fibras ópticas ( 1 es presencia de luz y 0 es ausencia de luz ) .
2.
Desplazamiento de frecuencia ( FSK ) : en este caso , los dos valores
binarios se representan por dos frecuencias próximas a la portadora . Este método
es menos sensible a errores que ASK y se utiliza para mayores velocidades de
transmisión que ASK , para transmisiones de teléfono a altas frecuencias y
para LAN's con cables coaxiales .
3.
Desplazamiento de fase ( PSK ) : en este caso es la fase de la portadora
la que se desplaza . Un 0 se representa como una señal con igual fase que la señal
anterior y un 1 como una señal con fase opuesta a la anteriormente enviada
.Utilizando varios ángulos de fase , uno para cada tipo de señal , es posible
codificar más bits con iguales elementos de señal .
4
. 3 . Datos analógicos , señales digitales
Para
transmitir datos analógicos en señales digitales es preciso realizar un
proceso de digitalización de los datos . Este proceso y el siguiente de
decodificación la realiza un dispositivo llamado codec .
4.3.1. Modulación por codificación de impulsos
Se
basa en el teorema de muestreo : " Si una señal f(t) se muestrea a
intervalos regulares de tiempo con una frecuencia mayor que el doble de la
frecuencia significativa más alta de la señal , entonces las muestras así
obtenidas contienen toda la información de la señal original . La función
f(t) se puede reconstruir a partir de estas muestras mediante la utilización de
un filtro pasa-baja " .
Es
decir , se debe muestrear la señal original con el doble de frecuencia que ella
, y con los valores obtenidos , normalizándolos a un número de bits dado ( por
ejemplo , con 8 bits habría que distinguir entre 256 posibles valores de
amplitud de la señal original a cuantificar ) se ha podido codificar dicha señal
.
En
el receptor , este proceso se invierte , pero por supuesto se ha perdido algo de
información al codificar , por lo que la señal obtenida no es exactamente
igual que la original ( se le ha introducido ruido de cuantización ) .
Hay
técnicas no lineales en las que es posible reducir el ruido de cuantización
muestreando a intervalos no siempre iguales .
4.3.2. Modulación delta
Esta
técnica reduce la complejidad de la anterior mediante la aproximación de la
función a codificar por una función escalera lo más parecida posible . De
esta forma , cada escalón de la escalera ya puede ser representado por un valor
( en 8 bits , uno entre 256 posibles valores de amplitud ) .La elección de un
adecuado salto de escalera y de la frecuencia de muestreo pueden hacer que se
modifique la precisión de la señal .
La
principal ventaja de esta técnica respecto a la anterior es la facilidad de
implementación .
4.3.3. Prestaciones
Las
técnicas de transmisión digital están siendo muy utilizadas debido a :
v
Al usar repetidores en lugar de amplificadores , no hay ruido aditivo .
v
Al usar técnicas de multiplexación por división en el tiempo , no hay
ruido de intermodulación .
v
Las señales digitales son más fáciles de emplear en los modernos
circuitos de conmutación .
4 . 4 . Datos analógicos , señales analógicas
La
modulación consiste en combinar una señal de entrada con una señal portadora
para producir una señal cuyo ancho de banda esté centrado en torno a la
frecuencia de la portadora . Este proceso es necesario para transmitir datos
digitales mediante señales analógicas , pero no se sabe si está justificado
para transmitir datos analógicos .
Este
proceso es necesario ya que para transmitir señales analógicas sin modular ,
tendríamos que utilizar enormes antenas y tampoco podríamos utilizar técnicas
de multiplexación por división en frecuencias .
4.4.1. Modulación en amplitud
Consiste
en multiplicar la señal original por la portadora y de esta forma se obtiene la
forma original pero sólo utilizando los máximos y los mínimos de la señal
modulada . De esta forma , se puede
reconstruir la señal original y se evita la utilización de enormes antenas .
Hay
una aproximación que utiliza sólo la mitad del ancho de banda y se necesita
menos potencia para su transmisión . Pero esta aproximación y otras quitan la
portadora , con lo que se pierde el poder de sincronización de la señal .
4.4.2. Modulación en ángulo
Se
puede hacer que la señal portadora tenga cambios de fase que recreen la señal
original a modular ( modulación en fase ) o también que la portadora tenga
cambios de frecuencia que simulen la señal original a modular ( modulación en
frecuencia ) .