UNIVERSIDAD YACAMBU
MINISTERIO DE
EDUCACION
DIRECCION DE
INVESTIGACION Y POSTGRADOS VIRTUALES
GERENCIA EN SISTEMAS
DE INFORMACION
Trabajo 3
Asignatura: Redes y
Telecomunicaciones
Integrantes: Pérez Isilrobert José
Ejercicio 1:
Si la señal transmitida tiene un potencia de 400 mW, frente a un ruido de 20 mW. Evalúe cuánto sería la degradación sufrida por la señal
en un esquema analógico de 6 secciones, y compárela con un caso de transmisión
digital. Saque sus propias conclusiones.
Variables: Señal 400 mW
Ruido: 20mW L=6 (Secciones)
Transmisión Analógica:
[Señal/Ruido]T ≈ [Señal/Ruido]1 * (1/L)
Para 6 secciones, [S/R] ≈ [S/R]1 ÷ 6
Por lo tanto: [S/R] ≈ 10 log[40/2] ÷ 6 ≈ 13.01 dB ÷ 6 ≈ 2.168 dB
La degradación sería de 10.84 dB, es decir del 83.32%
Transmisión
digital:
[Señal/Ruido]T ≈ [Señal/Ruido]1 - ln (L)
Para 6 secciones, [S/R] ≈ [S/R]1 - ln (6)
Por lo tanto: [S/R] ≈ 10 log[40/2] – ln (6) ≈ 13.01 – 1.79 ≈ 11.22 dB
La degradación sería de 1.79 dB, es decir del 13.76%
En la transmisión analógica las señales al propagarse son afectadas por ruido e interferencias, en cada nodo se amplifica la señal (Señal+Ruido) y esta combinación se propaga al siguiente nodo y así sucesivamente hasta llegar al destino.
En
la transmisión digital, la señal (Señal+Ruido) se “regenera” en cada
nodo por la cual
Conclusión:
En una transmisión de señal de
400 mW frente a un ruido de
20 mW y en 6 secciones,
Ejercicio 2:
¿Qué
sucedería si se intenta transmitir una señal analógica en un sistema digital?
Una señal analógica varia entre un conjunto infinito de valores (recordemos que un segmento de recta tiene infinitos puntos, y sin embargo, es un segmento limitado en longitud); una señal digital solo puede tomar valores dentro de un conjunto acotado (06:10, ,06:11, 06:12,...6:15. Tambien nos referimos a una señal digital cuando hablamos de señales binarias, es decir, señales que pueden tomar valores: uno nulo "0" o uno positivo "1".
Conversión Analógico-Digital
Qué es ANALOGICO y que es DIGITAL?
El término ANALÓGICO en la industria de las telecomunicaciones y el
cómputo siginica todo aquel
proceso entrada/salida cuyos valores son continuos. Algo continuo
es todo aquello de puede tomar una infinidad de valores dentro de un cierto
limite, superior e inferior.
El témino DIGITAL de
la misma manera involucra valos
de entrada/salida discretos. Algo discreto es algo que puede tomar
valores fijos. El el caso
de las comunicaciones digitales y el cómputo, esos valores son el CERO (0) o el
UNO (1) o Bits (BInary DigiTs).
Figura 1:
Diagrama de Conversión
Ventajas de la comunicación
digital
La transmisión digital es la
transmisión de pulsos digitales entre dos puntos, en un sistema de
comunicación. La información de la fuente original puede estar ya sea en forma
digital o en señales analógicas que deben convertirse en pulsos digitales,
antes de su transmisión y convertidas nuevamente a la forma analógica en el
lado del receptor.
Algunas de las VENTAJAS de la transmisión digital [con respecto a la
analógica] son:
1.-La ventaja principal de la transmisión digital es la inmunidad
al ruido. Las señales analógicas son más susceptibles que los pulsos
digitales a la amplitud, frecuencua
y variaciones de fase. Esto se debe a que con la transmisión digital, no se
necesita evaluar esos parámetros, con tanta precisión, como en la transmisión
analógica. en cambio, los
pulsos recibidos se evalúan durante un intervalo de muestreo y se hace una sola
determinación si el pulso está arriba (1) o abajo de un umbral específico (0).
2.-Almacenamiento y procesamiento: Las señales digitales se pueden
guardarse y procesarse fácilmente que las señales analógicas.
3.- Los sistemas digitales utilizan la regeneración de señales,
en vez de la amplificación, por lo tanto producen un sistema más resistente al
ruido que su contraparte analógica.
4.-
Las señales digitales son más sencillos de medir y evaluar. Por lo tanto
es más fácil comparar el rendimiento de los sistemas digitales con diferentes
capacidades de señalización e información, que con los sistemas analógicos
comparables.
5.- Los sistemas digitales están mejor equipados para evaluar
un rendimiento de error (por ejemplo, detección y corrección de errores),
que los analogicos.
6.- Los equipos que procesan digitalmente consumen menos potencia y son
más pequeños, y muchas veces con más económicos.
Algunas de las DESVENTAJAS
de la transmisión digital son las siguientes:
1.- La transmisión de las señales analógicas codificadas de
manera digital requieren de más ancho de banda para transmitir que la
señal analógica.
2.- Las señales analógicas deben convertirse en códigos digitales, antes
que su transmisión y convertirse nuevamente a nalaógicas en el receptor.
3.-La transmisión digital requiere de sincronización precisa, de
tiempo, entre los relojes del transmisor y receptor.
4.- Los sistemas de transmisión digital son incompatibles con las
instalaciones analógicas existentes.
CONVERSION ANALOGICO-DIGITAL (ADC, Analogic to
Digital Conversion)
La conversión Analógico-Digital
consta de varios procesos:
- Muestreo
- Cuantización
- Codificación
Figura 1: Señal
analógica y muestreo
Figura 2: Diagrama de Conversión Señales
Muestreo
Toda la tecnología digital (e.g. audio, video) está basado en
la técnica de muestreo (sampling
en inglés). En música, cuando una grabadora digital toma una muestra,
básicamente toma una fotografía fija de la forma de onda y la
convierte en bits, los cuales pueden ser almacenados y procesados. Comparado
con la grabación analógica, la cual está basada en registros de voltaje como
patrones de magnetización en las partículas de óxido de la cinta magnetica. El muestreo digital
convierte el voltaje en números (0s y 1s) los cuales pueden ser fácilmente
representados y vueltos nuevamente a su forma original.
Razón de muestreo
La frecuencia de muestreo de una señal en un segundo es conocida como razón de
muestreo medida en Hertz (Hz).
1 Hz = 1/seg
La razón de muestreo determina
el rango de frecuencias [ANCHI DE BANDA] de un sistema. A mayores razones de
muestreo, habrá más calidad o precisión.
Por ejemplo en audio digital se
usan las siguientes razones de muestreo:
24,000 = 24 kHz - 24,000 muestras por
segundo. Una muestra cada 1/24,000 de segundo.
30,000 = 30 kHz - 30,000
muestras por segundo. Una muestra cada 1/30,000 de segundo.
44,100 = 44.1 kHz - 44,100
muestras por segundo. Una muestra cada 1/44,000 de segundo.
48,000 = 48 kHz - 48,000
muestras por segundo. Una muestra cada 1/48,000 de segundo.
Figura 3: Diagrama de señales muestreo
Una señal de
audio muestreada a 48 KHz
tiene una mejor calidad [el doble], que una señal muestrueada a 24 KHz.
Pero, una señal muestreada a 48 KHz,
ocuparía el doble del ancho de banda que la de 24 KHz.
Por lo que si queremos mayor calidad, lo perdemos en ancho de banda. Cuando
bajan archivos en Internet MP3 por ejemplo, éstos tienen diferentes calidades,
un archivo MP3 de mejor calidad, ocupará mayor es en disco.
La calidad de un disco compacto [CD] equivale un muestreo de 44.1 KHz a 16 bits, éste es el éstándar. Si decimos que los
archivos MP3 tienen calidad de CD, es que están muestreados a 44.1 KHz a 16 bits.
Una última pregunta!
¿Qué razón de muestreo es la
suficiente para que al ser digitalizada una señal analógica y al realizar el
proceso contrario, digital-analógico, la señal sea idéntica [o casi idéntica] a
la original?
La respuesta es el Teorema de Nyquist.
Cuantización:
Es el proceso de convertir
valores continuos [e.g
voltajes] en series de valores discretos.
Por ejemplo el audio digital [e.g.
MP3, WAV, etc] tienen dos
características bien importantes, el muestreo (tiempo) y la cuantización (nivel).
Mientras que el muestreo representa el tiempo de captura de una señal, la cuatización es el componente
amplitud de el muestreo. En
otras palabras, mientras que el muestreo mide el tiempo (por instancia 44,100
muestras por segundo), la cuantización
es la técnica donde un evento analógico es medido dado un valor númerico.
Para hacer esto, la amplitud de la señal de audio es representada en una serie
de pasos discretos. Cada paso está dado entonces por un número en código
binario que digitalmente códifica
el nivel de la señal. La longitud de la palabra determina la calidad de la
representación. Una vez más, una palabra más larga, mejor la calidad de un
sistema de audio (comparando una palabra de 8 bits con una de 16 bits o 32
bits) (ver figura).
El bit de resolución de un
sistema define el rango dinámico de el
sistema. 6 dB es ganado por
cada bit.
Por ejemplo:
8 bits equivale a 256 estados = 48 dB (decibeles)
16 bits equivalen a 65,536 estados = 96 dB.
Entonces, se debe de tomar
muestras a tiempos menores y se debe de cuantizar
a mayores niveles (bits), si sucede lo contrario suceden errores de cuantización.
Figura 4: Diagrama de Muestreo de cuantización.
Codificación
La codificación es la representación númerica de la cuantización utilizando códigos ya establecidos y
estándares. el código más
utilizado es el código binario, pero también existen otros tipos de códigos que
son empleados.
A continuación se presenta una tabla donde se representan los números del 0 al
7 con su respectivo código binario. Como se ve, con 3 bits, podemos representar
ocho estados o niveles de cuantización.
En general
2(n)= Niveles o estados de cuantización
donde n es el número de bits.
|
Número |
Código binario |
|
0 |
000 |
|
1 |
001 |
|
2 |
010 |
|
3 |
011 |
|
4 |
100 |
|
5 |
101 |
|
6 |
110 |
|
7 |
111 |
Tabla 1: Código binario
Ejercicio 3:
A partir del Teorema de Nyquist, y conociendo que la señal de voz en un canal telefónico contiene frecuencias máximas del orden de los 4kHz (4000Hz), indique la velocidad mínima para transmitir la señal por un canal de voz digital (explique). Además, si esas muestras se cuantifican en 128 niveles, que velocidad de flujo de datos se requiere en el canal para poder transmitir las muestras.
Teorema de Nyquist
(Teorema de muestreo)
Desarrollado por H. Nyquist, quien afirmaba que
"una señal analógica puede ser reconstruída,
sin error, de muestras tomadas en iguales intervalos de tiempo. La razón de
muestreo debe ser igual, o mayor, al doble de su ancho de banda de la señal
analógica".
Figura 5: Diagrama de Conversión Señales
La teoría del muestreo define
que para una señal de ancho de banda limitado, la frecuencia de muestreo, fm, debe ser mayor que dos veces su ancho de banda [B]
medida en Hertz [Hz].
fm > 2·B
Para este caso entonces tenemos
2*B= 2*(4,000 Hz), es igual a 8000 Hz, equivalente a 8,000 muestras por segundo (1/8000). Por
lo tanto la razón de muestreo de la voz debe ser de al menos 8000 Hz, para que puede
regenerarse sin error.
La frecuencia 2*B es llamada la razón de muestreo de Nyquist. La mitad de su valor, es
llamada algunas veces la frecuencia de Nyquist.
Teorema de Muestreo:
fm = 4 KHz Frecuencia Máxima.
fs ³ 2 fm Frecuencia de Muestreo
(Según Teorema de Nyquist)
fs = 2 *
4 KHz = 8 Khz
Se deben tomar muestras con una frecuencia igual o mayor
de 8 KHz, es decir 8000 muestras por seg, para cuantificar apropiadamente la señal.
El número de bits (n) con los que se desea codificar una palabras, viene dado por la siguiente ecuación
n = logm
(Q) Donde se utilizan m caracteres para
representar Q niveles de cuantización.
m = 2 Q
= 128
n = log2
(128) = log2 27 = 7 bits
La
velocidad (V) de flujo de datos de un canal es:
V
= n * fs = 7 bits
* 8000 muestras = 56000 bps
Muestra seg
La velocidad de flujo de
datos que se requiere en el canal para poder transmitir las muestras es de 56000 bps.
Ejercicio 4:
¿Cuál es la función de un MODEM, qué limita que se incremente la velocidad de transmisión en los mismos, y como se explica que pueden tenerse velocidades del orden de los 33Kbps?
Se había pensado por mucho tiempo que el "límite teórico" en la velocidad del módem sobre una línea telefónica ordinaria era de 33.6 kbps, básicamente porque la industria de comunicaciones se había convencido de que las comunicaciones por la red telefónica estaban limitadas por el Teorema de Shannon a las velocidades por debajo de 35Kbps.
Debido al ruido de cuantización generado por el codec usado en la red, no es posible lograr velocidades mayores 35 Kbps utilizando las técnicas ordinarias de los módem. Sin embargo, si el ruido de cuantización del codec puede eliminarse, entonces, pueden lograrse tasas de datos significativamente más altas.
Los Módem de 56k logran su velocidad evitando una conversión de digital a analógica en la conexión entre el usuario y el proveedor del servicio. Las conexiones ordinarias empiezan con una línea analógica, se convierten a digital por la compañía telefónica y se convierten de nuevo a analógica en el segmento final, antes de llegar al proveedor del servicio.
La palabra "módem" es la abreviatura de: "Modulador - DeModulador"; y es aquél aparato que se utiliza para conectar computadoras por medio de la línea telefónica.
Como su nombre lo dice, el módem, se encarga de transformar la señal digital que sale de la computadora, en analógica, que es en la forma que viaja a través de las líneas de teléfono comunes (modula la señal) ; y a su vez, el módem receptor se encarga de "demodular" la señal, transformándola de analógica a digital para ser recibida de nuevo por la computadora.
Sus Funciones complementarias son:
Recepción de señales a través de la interfase estándar, Protección contra sobre
tensiones en la red telefónica.
Sus Funciones Especiales son:
Discado y recepción automática desde el computador, Corrección de Errores,
Multiplexado de canales.
Lo que limita la velocidad de
transmisión en los MODEM es que la línea telefónicas para señales analógicas,
tienen un ancho de banda comprendido entre 300 y 3300 baudios Hz. Son estos 3000 Hz los que
limitan la velocidad de transmisión.
El logro de 33Kbps fue codificando
12 bits por baudio.
Limitación física de la
velocidad de transmisión en la linea telefónica:
Las leyes físicas establecen un límite para la velocidad de transmisión en un canal ruidoso, con un ancho de banda determinado. Por ejemplo, un canal de banda 3000Hz, y una señal de ruido 30dB (que son parámetros típicos del sistema telefónico), nunca podrá transmitir a mas de 30.000 BPS.
Throughput. Define la cantidad de datos que pueden enviarse a través de un modem en un cierto período de tiempo. Un modem de 9600 baudios puede tener un throughput distinto de 9600 BPS debido al ruido de la linea (que puede ralentizar) o a la compresión de datos (que puede incrementar la velocidad hasta 4 veces el valor de los baudios).
Para mejorar la tasa efectiva de transmisión o throughput se utilizan técnica de compresión de datos y corrección de errores.
Compresión de datos. Describe el proceso de tomar un bloque de datos y reducir su tamaño. Se emplea para eliminar información redundante y para empaquetar caracteres empleados frecuentemente y representarlos con sólo uno o dos bits.
Control de errores. La ineludible presencia de ruido en las lineas de transmisión provoca errores en el intercambio de información que se debe detectar introduciendo información de control. Así mismo puede incluirse información redundante que permita ademas corregir los errores cuando se presenten.
Figura 6:
Esquema de transmisión de un MODEM
El canal telefónico para la banda de voz es un
canal pasa-bajo que tradicionalmente se ha pensado que opera en la banda de
aproximadamente
Con la introducción de QAM (Quadrature Amplitud Modulation) se logró una mejora significativa, ofreciendo densidades de información de múltiples bits por hertz. QAM opera modulando una señal sinusoidal en amplitud y fase, y en la cual cada combinación, única, de amplitud y fase es conocida como un "símbolo". En general, un símbolo se define como una información que lleva una ficha que se envía del transmisor al receptor.
En los primeros módem, estas fichas se llamaron "baudios" en honor del inventor francés Emile Baudot quien, en 1875, inventó un código de cinco bits para representar el alfabeto. Recientemente, sin embargo, el término baudio se ha adulterado en el uso común, con personas que usan baudio para significar bits por segundo. Esto es debido a que cuando se comenzaron a usar los módem un baudio llevaba un sólo bit, por lo tanto la tasa del baudio y la tasa de bit era la misma. Así, los módem de 300 bits por segundos se volvieron módem de 300 baudios en el argot popular. El problema es que cuando un baudio empezó a llevar bits múltiples, las personas todavía estaban acostumbradas a que el baudio significara bits por segundo. Para evitar esto, los diseñadores de los módem empezaron a usar el término "símbolo.”
Cuando se modula una señal sinusoidal, la señal resultante no es una señal de una sola frecuencia. La señal resultante estará en un rango de frecuencias alrededor de la señal portadora modulada. Asumiendo una serie aleatoria de bits, el ancho de banda de una señal de QAM modulada es igual a la tasa del símbolo. Es decir, si se envía 2400 símbolos por segundo, el ancho de banda de la señal del módem será 2400 Hz. El standard V.32 de modulación, por ejemplo, usa una portadora de 1800 Hz y una tasa de símbolo de 2400 símbolos por segundo. El ancho de banda de la señal, por consiguiente, es de 600 Hz a 3000 Hz.
Con el tiempo, los diseñadores de los módem empezaron a comprender que la red telefónica estaba mejorando y que estaba disponible más ancho de banda. Los módem más recientes empezaron a aprovecharse de estos canales de mayor ancho de banda. La tasa más alta V.34, por ejemplo, usa una portadora de 1959 Hz, y una tasa de símbolo de 3429 símbolos por segundo, dando un ancho de banda de aproximadamente 244 Hz a 3674 Hz.
Funcionamiento de los módem.
QAM, como se mencionó anteriormente, es una modulación de una señal en amplitud y fase, y cuando se habla de amplitud y fase, se piensa inmediatamente en vectores. De esta manera, el concepto de vectores se emplea para visualizar los símbolos que son transmitidos. Por ejemplo, en la figura 7 se muestra un símbolo representado por una combinación de amplitud y fase.
Figura 7: El gráfico de un símbolo, mostrando la
amplitud y el ángulo de fase.
Cuando se intenta, sin embargo, representar un número grande de símbolos el gráfico puede volverse bastante complicado. Adicionalmente, algunos símbolos tendrán el mismo ángulo de la fase pero valores diferentes de amplitud. Estos dos vectores se pondrán encima entre sí y será difícil ver el de menor amplitud. Debido a esto, se suele colocar en el gráfico sólo los extremos de los vectores, usando un punto para representar el extremo del vector. Cuando un gran número de símbolos son representados en el gráfico la figura resultante es conocida como una "constelación", debido a que empieza a parecerse a un mapa de estrellas. Una constelación simple de cuatro símbolos se muestra en la figura 8, ilustrando, además, la región de decisión y el vector de error.
Figura
8: Una constelación de cuatro símbolos que muestra la región de decisión y el
vector de error en el receptor.
A pesar que desde el emisor se envíe el símbolo con precisión, el canal de transmisión puede causar modificaciones de manera tal que el símbolo recibido por el receptor sea diferente al transmitido. Por ejemplo, la presencia de ruido durante la transmisión puede generar una variación del valor de la amplitud. A esta diferencia se le llama "vector de error". Sin embargo, si el punto recibido está dentro de la región de decisión, se interpretará que el símbolo es correcto y los bits serán transmitidos.
Como los módem cada vez usan más símbolos la región de decisión se encoge, lo cual produce una tasa de error más alta en presencia de ruido. Debido a esto, no se puede seguir aumentando el número de símbolos para conseguir una tasa de datos mayor.
Regresando a los principios del módem, se pueden analizar las razones por las cuales se tiene el límite de 35 kbps en las velocidades de transmisión de datos en los módem comunes, para luego explicar cómo mediante el empleo de la tecnología de PAM se pueden alcanzar los 56 kbps.
En el caso de la figura 8 cada símbolo representa dos bits, por lo tanto si la tasa de símbolos es de 2400 símbolos por segundo, la tasa de bits será de 4800 bps. En general, el número de símbolos necesarios para transmitir una cierta tasa de bits viene dada por la siguiente ecuación 1
bps = Rs log 2 Ns Ecuación 1
Donde:
bps = bits por segundo
Rs = tasa de símbolos (también el ancho de banda para QAM)
Ns = el número de símbolos en la constelación
Despejando Ns, resulta:
bps/Rs = log 2 Ns
Ns = 2 (bps/Rs) Ecuación 2
Ahora bien, se debe tomar en cuenta el límite de Shannon, mencionado anteriormente, para la cantidad de información que podría comunicarse en un canal en presencia de ruido. La ecuación que él desarrolló para expresar este límite se muestra en la siguiente ecuación:
bps = BW log 2 (1+ 10 dB/10) Ecuación 3
Donde:
dB = relación señal a ruido (SNR) en decibelios.
Si se asume, un valor de 35 dB de ruido de cuantización producido por el codec (valor mínimo de referencia en los EUA para los módem ordinarios) [1], un ancho de banda de 3.000 hz y se sustituyen en la ecuación 3, se obtiene:
bps = 3000 log 2 (1+ 10 35/10)
bps = 34,822
Por lo tanto, debido al ruido de cuantización del codec, no es posible lograr velocidades mayores a 35 Kbps empleando los módem comunes que emplean la tecnología de QAM. Sin embargo, si el ruido de cuantización del codec se logra eliminar se puede, entonces, conseguir velocidades de transmisión de datos significativamente más altas.
Estándar V.90
La nueva Recomendación de
Los módem V.90 están concebidos para conexiones que son digitales en un extremo y que tienen sólo una conversión de digital a analógica. Es posible utilizar velocidades de hasta 56.000 bits por segundo (bit/s) en recepción, según las condiciones de la línea telefónica, y de hasta 33.600 bit/s en transmisión. Los fabricantes que actualmente producen módem basados en sistemas patentados han dicho ya que pasarán rápidamente a la nueva norma.
Los standard
tradicionales para módem asumen que ambos extremos de una sesión del módem
tienen una conexión analógica a
Figura 9: Diagrama de red PSTN
Viendo
Figura 10: Diagrama PTSN
La tecnología V.90 es ideal para los usuarios de Internet, porque realmente se necesita la velocidad de 56Kbps* para bajar de las páginas Web archivos con sonido, vídeo y otros archivos grandes. Todo lo que es necesario para el módem V.90 es estar conectado a un ISP o una corporación que usen tecnología V.90 sobre sus líneas digitales a la red.
*Los módem pueden recibir datos a una velocidad sobre los 56 Kbps sin embargo debido a que FCC (Comisión Federal de Comunicaciones) decide sobre el máximo nivel de transmisión permisible, las velocidades de 54 Kbps son el máximo. Las velocidades reales de los datos recibidos variarán dependiendo de las condiciones de la línea.
Cómo funciona un módem de 56k.
Las conexiones de 56k empiezan en forma analógica, se convierten a digital y no se convierten de nuevo a analógico en el proveedor del servicio. Esto exige al proveedor del servicio tener una conexión digital directa y por consiguiente evita la conversión de la señal. Al evitarse esta segunda conversión se hace posible velocidades a 56k e inclusive mayores. Por consiguiente, los usuarios de los módem necesitan saber que ellos pueden lograr velocidades de 56k sólo si su proveedor de servicio lo apoya.
El diagrama de la red requerido para el funcionamiento de estos módem se muestra en la figura 11. Se asume que la red es toda digital, con 64Kbps de transmisión entre el Proveedor de Servicio y la línea que sirve al suscriptor.
Figura
12: diagrama de la red telefónica requerido para el funcionamiento de los módem
de 56 kbps.
Los módem de 56Kbps operan usando Modulación de Amplitud de Pulso (PAM) y no QAM. Sin embargo, la técnica de PAM sólo se usa en la dirección de la red al módem del cliente. Las técnicas de QAM tradicionales son empleadas en la dirección del módem del cliente hacia la red.
El módem del proveedor del servicio envía ocho bits que generan un voltaje específico durante 125 microsegundos. Cuando estos bits representan los valores de cuantización de la muestra de una señal analógica la salida resultante es una serie de pasos de voltaje que siguen la forma de onda original. Como estos valores de voltaje son pasados a través de un filtro del paso bajo los componentes de frecuencia altos son removidos, lo que permite una aproximación razonable de la señal original.
Cuando se emplea PAM, sin embargo, los ocho bits enviados por el módem del proveedor del servicio no representan las muestras de una señal analógica, sino que estos valores son usados como símbolos.
Por otra parte, la tasa de muestreo de la red es de 8.000 muestras por segundo por lo cual se generarán 8.000 niveles de voltaje cada segundo. ¿Si se quiere enviar 56.000 bits por segundo, cuántos pasos de voltaje de cuantización se necesitan?
Utilizando la ecuación 2, se puede obtener:
Ns = 2 (bps/Rs)
Ns = 2 (56.000/8.000)
Ns = 27
Ns = 128
Tomando en cuenta que el módem de la red tiene la capacidad de generar 255 niveles diferentes de voltaje, entonces sólo se necesitan 128 de los 255 niveles de cuantización (aproximadamente la mitad) para transmitir a 56.000 bps.
¿Pero cuánta relación señal a ruido (SNR), hace falta para un módem a 56 Kbps?. Tomando de nuevo el teorema de Shannon expresado como la ecuación 3 y resolviendo para el dB de SNR, se obtiene:
bps = BW log 2 (1+ 10dB/10)
bps/BW = log 2 (1+ 10dB/10)
2 (bps/BW) = 1+ 10dB/10
10dB/10= 2 (bps/BW) -1
dB/10 = log 10 (2 (bps/BW) –1)
dB = 10 log 10 (2 (bps/BW) –1) Ecuación 4
Tomando como un valor de referencia de ancho de banda de 3.800 hz, y sustituyendo en la ecuación 4, se consigue:
dB = 10 log 10 (2(56000/3800) –1)
dB = 10 log 10 (2(14.74) –1)
dB> 44.36
De esta manera, la tasa de señal a ruido en la línea debe exceder los 45 dB para lograr una transmisión a 56 Kbps, lo cual es factible de alcanzar en las líneas reales.
TRANSMISIÓN DE DATOS A 56 Kbps
A TRAVÉS DE
Los módem de 56Kbps operan usando modulación de amplitud de pulso (PAM) y no QAM. El diagrama de la red requerido para la operación a 56Kbps se muestra en la figura 4, con transmisión a 64 Kbps entre el ISP y la tarjeta de la línea que sirve al abonado.
Figura 13: Diagrama de red
En el próximo nivel de detalle (figura 14), se observa que la tarjeta de la línea consiste de un codec, con un filtro pasa bajo entre el codec y la línea de cobre. El módem del cliente contiene un codec lineal y un filtro pasa bajo, también.
Figura 14: Diagrama de Comunicación
La técnica PAM sólo se usa en la dirección downstream (flujo de datos aguas abajo), de la tarjeta de la línea al módem del cliente. Las técnicas QAM tradicionales son usadas upstream (flujo de datos aguas arriba) del módem del cliente a la red.
El módem en el ISP envía ocho bits a la tarjeta de la línea, que genera un voltaje específico por 125 microsegundos, en respuesta a cada ocho bits. Cuando estos valores representan los valores de cuantización del muestreo de una señal analógica, la salida resultante es una serie de escalones de voltaje que siguen la forma de onda original. Dado que éstos escalones de voltaje son puestos a través de un filtro pasa bajo, los componentes de alta frecuencia son removidos, emparejando los escalones de voltaje a una aproximación razonable de la señal analógica original.
Cuando PAM se usa, sin embargo, los ocho bits enviados por el módem del ISP ya no representan las muestras de una señal analógica (ellos son valores usados como símbolos). El codec en la red tiene la capacidad de generar 255 niveles de voltaje diferentes. Dado que la tasa de muestreo de la red es 8.000 muestras por segundo, 8.000 de éstos niveles de voltaje se generarán cada segundo. Si se quiere enviar 56.000 bits por segundo, por consiguiente, sólo 128 de los 255 niveles de cuantización (aproximadamente la mitad) tienen que ser usados para transmitir 56.000 bps. Esta técnica del módem puede describirse, como una técnica PAM 128. Cuando no pueden lograrse 56.000 bps, un número más pequeño de niveles de cuantización se utiliza. Por ejemplo, a 48.000 bps se requieren sólo 64 niveles de cuantización. Las tasas de datos dentro de las que se pueden obtener con potencias enteras de 2 son logradas con una técnica llamada "tasa de bits fraccional". Usando esta técnica, cualquier tasa de datos puede llevarse a cabo.
Las salidas del codec permanecen fijas a un nivel de voltaje por 125 microsegundos (desde que la tasa de muestreo es 8,000 veces por segundo).
Del Teorema de Nyquist se sabe que hay que muestrear a una tasa de por lo menos dos veces el ancho de banda de la señal que deseamos reproducir. El teorema de Nyquist también trabaja en marcha atrás. Dada una tasa de muestreo, no se puede generar una señal con una frecuencia mayor que la mitad de la tasa de muestreo. Dado que la tasa de muestreo es 8,000 veces por segundo, la frecuencia máximo de la señal resultante en la línea analógica es 4,000 Hz. PAM, por lo tanto, es un eficiente ancho de banda, proporcionando un mínimo de dos símbolos por Hz de ancho de banda. QAM solo proporciona un símbolo por Hz de ancho de banda. Esta es una de las razones por la que se puede andar más rápidamente que con técnicas QAM.
La segunda razón por la cual es posible lograr velocidades más altas que con QAM es que se elimina el ruido de cuantización del codec de la red.
RELACIÓN SEÑAL A RUIDO (SNR)
La relación señal a ruido es una medida del
funcionamiento del enlace conseguido dividiendo la potencia de la señal por la
potencia del ruido. Incluso bajo las condiciones más buenas, cuando una señal
sufre conversión analógica a digital, hay unos
Por lo tanto, la relación señal a ruido en la línea debe exceder 45 dB para lograr 56 Kbps. Esto es realizable en circunstancias reales.
CANALES UPSTREAM Y DOWNSTREAM: OPERACIÓN ASIMÉTRICA
Las conexiones V.90 emplean un canal bidireccional, upstream y downstream. El canal downstream del módem analógico V.90 (recibe) es capaz de velocidades más altas porque ninguna información es perdida en la conversión digital a analógica. El canal upstream del módem analógico V.90 (envía) pasa por una conversión analógica a digital, que lo limita a velocidades V.34.
Esto significa que la velocidad de datos enviados y recibidos son diferentes cuando se conecta en modo V.90. Afortunadamente, la velocidad alta (sobre 54Kbps) es realizada en la dirección downstream, que es donde está el volumen de los datos, transmitiendo gráficos, etc. del internet al módem. La dirección upstream se limita a 33.6Kbps que es suficiente, dado que la mayoría de los navegadores del web envían es el comando del click del mouse que no exige transmitir muchos datos.
CONEXIÓN DEL MÓDEM V.90
Durante la secuencia de prueba, los módem V.90 sondean la línea para determinar si alguna conversión analógica a digital downstream (flujo de datos aguas abajo) ha tenido lugar. Si los módem V.90 descubren cualquier conversión analógica a digital, ellos simplemente se conectarán como V.34. El módem analógico V.90 también intenta una conexión V.34 si el módem remoto (vivienda) no soporta V.90.
El ruido de cuantización limita al canal de comunicaciones V.34 a aproximadamente 35 Kbps. Pero el ruido del cuantización afecta sólo a la conversión analógica a digital no a la digital a analógica, esta es la clave para V.90.
La señalización del servidor es tal que el proceso de la codificación usa sólo los 256 códigos PCM usados en el tramo digital de la red telefónica. En otras palabras, no hay ruido de cuantización asociado con convertir señales tipo analógico a discretas.
Figura 15: Diagrama de Conexión V.90
REQUERIMIENTOS V.90
V.90 requiere las siguientes condiciones para plena transmisión a 56 Kbps:
- Digital
en un extremo. Hoy, la mayoría de los proveedores de servicio tienen
conexiones digitales a
- Soporte V.90 en ambos extremos. V.90 debe estar soportado en ambos extremos de la conexión, por el módem analógico así como por el servidor de acceso remoto en el extremo del Host.
- Una conversión analógica a digital. Puede haber sólo una conversión analógica a digital en la red telefónica a lo largo de la ruta de la llamada entre el módem digital V.90 y el módem analógico.
- Módem analógico V.90: Un módem equipado con software V.90 y unido a una línea de teléfono analógica standard. Para conectar a velocidades V.90 (32-56 Kbps), el dispositivo al otro extremo de la conexión debe ser un módem digital V.90 que se una a una línea T1, BRI, o PRI (del troncal).
- Módem digital V.90: Un módem digital equipado con software V.90 y unido a una línea T1, BRI, o PRI (del troncal). Módem analógicos deben equiparse con software V.90 para conectar a velocidades V.90 (32-56 Kbps).
En el Futuro
Es posible usar PAM en la dirección del cliente a la red así como en la dirección contraria. Sin embargo, es un problema mucho más difícil, para usar PAM en la dirección del cliente a la red el módem del cliente debe determinar las características de la línea y preparar la señal PAM para que sean "ecualizadas" por las características del filtro de la línea. Adicionalmente, las señales deben enviarse de manera que al llegar al codec analógico, para que sean convertidas a digital, se realice en el momento correcto sincronizado con el reloj de la red.
Sin embargo, estos problemas pueden ser resueltos
y la velocidad de 28.8 Kbps en la dirección del
cliente a la red podrá ser superada.
Ejercicio 5:
Averigüe cuál es el estándar de UIT-T, y las principales características de la transmisión a 56000bps.
El Sector de Normalización de las
Telecomunicación (UIT-T) desempeña una función vital: supervisa la elaboración
de normas técnicas armonizadas para que el equipo fabricado en todo el mundo
interactúe sin problemas y los usuarios puedan comunicarse directamente en una
gran variedad de redes distintas interconectadas.
Las Recomendaciones de
La (UIT-T) acordó el 6 de febrero de 1998 el estándar
V.90; los módems que se compran hoy en día generalmente lo cumplen. Sin
embargo, existen aún módems que fueron instalados anteriormente. Para adaptar
estos módems al estándar V.90, los fabricantes han puesto a disposición
software/firmware de actualización.
La máxima
velocidad alcanzada en una transmisión vía módem telefónico es 56 Kbps (56000 bps).
Ejercicio 6:
Explicar las diferencias entre comunicaciones síncronas
y asíncronas.
|
|
Comunicación Síncronas |
Comunicación Asíncrona |
|
Los dispositivos |
Deben existir sincronismo
entre nodos |
No existe la sincronización |
|
Ttransferencia de datos |
Mayor |
Menor |
|
Bit adicionales |
Se envían caracteres ociosos
aunque no se esté enviando datos reales |
Para marcar el inicio y el
fin de cada octeto de datos |
|
Errores en la Transmisión |
La cantidad de bytes a
retransmitir es mayor, al trabajar por bloques |
La pérdida de caracteres es
mínima, ya que estos se sincronizan y transmiten uno a uno |
|
Velocidad de transmisión |
Son aptos para ser usados en
transmisiones de altas velocidad (iguales o mayores de 1200 baudios) |
Se usa en velocidades de
modulación de hasta 1200 baudios |
Bit de paridad es un método para la deteccion de errores de transmisión o almacenamiento de datos. Consiste en agregar 1 bit para cada palabra, en donde se especifica si la cantidad de bits con valor 1 de la palabra es par o impar, es decir, se hace la suma de los bits anteriores y se reduce a un bit.
Nótese que este método detecta los errores, pero no los corrige (salvo en el caso de que la palabra transmitida sea de tamaño 1 bit).
Para facilitar la conexión entre
DTE y DCE se han desarrollado múltiples estándares que determinan todas las
características físicas, eléctricas, mecánicas y funcionales de la conexión
constituyendo lo que denominamos la definición de un interfase. Estos estándares constituyen un ejemplo
de los protocolos del nivel físico, y se encuadrarían en el nivel más bajo del
modelo de referencia OSI.
Posiblemente el más conocido y popular es el "Recomended Standard 232". El RS-232 es una
norma para la conexión entre un DTE y un DCE que define :
- El
tipo de conector a emplear.
- Las
características eléctricas.
- Los
niveles de tensión.
- Las
longitudes máximas a distintas velocidades.
- Los
nombres de las señales que intervienen en el funcionamiento y la
estructura del protocolo de comunicación.
Esta norma establece una señalización eléctrica
bipolar:
Nivel lógico 0
: +15...+3Voltios.
Nivel lógico 1 :
-15...-3Voltios
Figura 16: Interfáz RS232-C
Los DCE y los DTE:
Según la terminología empleada
por el CCITT estos dispositivos reciben el nombre de DCE (Equipos Terminales de
Circuito de Datos) y los ordenadores reciben la denominación de DTE (Equipos
Terminales de Datos).
Figura 17: Diagrama de Conversión
.
Bit de Paridad (Baudio)
se define como el número de veces que cambia la portadora en un segundo.
La velocidad que puede emplearse depende en gran medida de la calidad del medio
de transmisión (calidad de la línea), que si (como es frecuente) se trata de
líneas telefónicas, depende a su vez de la distancia.
Los primeros dispositivos serie operaban a velocidades muy bajas, del orden de
El Baudio y el BPS ("Connection speed") es la cantidad de datos transmitidos en unidad de tiempo. Se expresa en bits por segundo (bps).
Modem Null
Este método de conexión (DCC o Direct Cable Conection), el mas sencillo y
barato de todos, esta pensado principalmente para la transferencia ocasional dearchivos entre dos PCs, mas que como manera de
conexión bidireccional. De hecho, solo permite que el CLIENTE determine la
dirección de los datos, "subiéndolos" o "bajándolos" del
HOST, mientras este ultimo permanece, digamos, en reposo, sin poder acceder a
los datos del CLIENTE ... Si has pensado en una conexión mas interactiva, pasa
de todo esto y cómprate unas tarjetas de red... Si vas a utilizar esta conexión
para jugar "en red" (esta sería de juguete :))), asegúrate de que los
juegos que vas a utilizar soportan "Conexión directa a través de puerto
serie" (Direct link), o "Conexión a
través de cable null modem", o algo similar. Si
solo permite "Red local", "Red IPX/SPX", o
"TCP/IP", no podrás utilizarlos con este tipo de conexión.
Comunicaciones Asíncronas y Sincronas
Las técnicas de control de acceso al medio pueden ser síncronas o asíncronas . Las síncronas hacen que la red se comporte como de conmutación de circuitos , lo cuál no es recomendable para LAN y WAN . Las asíncronas son más aceptables ya que las LAN actúan de forma impredecible y por tanto no es conveniente el mantenimiento de accesos fijos . Las asíncronas se subdividen en 3 categorías : rotación circular , reserva y competición .
Rotación circular: se va rotando la oportunidad de transmitir a cada estación , de forma que si no tiene nada que transmitir , declina la oferta y deja paso a la siguiente estación . La estación que quiere transmitir , sólo se le permite una cierta cantidad de datos en cada turno .Este sistema es eficiente cuando casi todas las estaciones quieren transmitir algo , de forma que el tiempo de transmisión se reparte equitativamente . Pero es ineficiente cuando sólo algunas estaciones son las que desean transmitir , ya que se pierde mucho tiempo rotando sobre estaciones que no desean transmitir .
Reserva : esta técnica es adecuada cuando las estaciones quieren transmitir un largo periodo de tiempo , de forma que reservan ranuras de tiempo para repartirse entre todas las estaciones .
Competición : en este caso , todas las estaciones que quieren transmitir compiten para poder hacerlo ( el control de acceso al medio se distribuyen entre todas las estaciones ) . Son técnicas sencillas de implementar y eficientes en bajas cargas pero muy ineficientes para cargas altas ( cuando hay muchas estaciones que quieren el acceso y además transmiten muchos datos ).
Infografias:
1 http://members.fortunecity.es/lore3/modem.html
2 http://neo.lcc.uma.es/evirtual/cdd/tutorial/fisico/fibra.html
3 http://neo.lcc.uma.es/evirtual/cdd/tutorial/fisico/inter232.html
4 http://gsyc.escet.urjc.es/docencia/asignaturas/itig-ransmision_datos/transpas/node3.html
5 http://www.itu.int/publications/
6 http://ceres.ugr.es/~alumnos/luis/mycuan.htm
7 http://es.wikipedia.org/wiki/Bit_de_paridad
8 http://infase.es/FORMACION/INTERNET/modem.html
9 http://www.zator.com/Hardware/H2_5_1.htm
10 http://www.euskalnet.net/shizuka/puertos.htm
11.http:// www
/v90/rockwell_k56whitepaper.htmlhttp://
www.nb.rockwell.com/k56flex/whitepapers/k56whitepaper.html
12.
http:// www.itu.int /newsroom /press
/releases/ 1998 / 98-04-es.htm
13. http:|/www.v90.com/whatis.htm