2.1.3 bases teóricas de comunicaciones
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Los canales de los enlaces entre las máquinas computarizadas que comforman una red, tienen limitaciones por su naturaleza física pero por medios tecnologicos se puede mejorar su eficiencia.

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2.1.3 bases teóricas de comunicaciones 2.1.3 bases teóricas de comunicaciones Presentation Transcript

  • MÓDULO – II LA CAPA FISICALHDG / 2011B - 47 1
  • MODULO 2- CAPA FISICA CONTENIDO -Bases Teóricas de Comunicación de Datos -Medios de Transmisión guiados -Transmisión Inalámbrica -Satélites de Comunicaciones -La Red Telefónica Pública Conmutada -Sistema Telefónico Móvil -Television por cableLHDG / 2011B - 47 2
  • Bases Teóricas de Comunicación de Datos CONTENIDO => Introducción a la Capa Física => Bases Teóricas de la Comunicación de Datos • Análisis de Fourier • Señales limitadas por el ancho de banda • La tasa de envío máxima por un canalLHDG / 2011B - 47 3
  • Bases Teóricas de Comunicación de Datos CONTENIDO => Introducción a la Capa Física => Bases Teóricas de la Comunicación de Datos • Análisis de Fourier • Señales limitadas por el ancho de banda • La tasa de envío máxima por un canalLHDG / 2011B - 47 4
  • Introducción a la Capa FísicaLHDG / 2011B - 47 5
  • Introducción a la Capa Física •Representa la capa más baja en la jerarquía OSI •Define las Interfaces: mecánica, eléctrica y la temporización con la red. •La capa física interactúa directamente con el canal de tx, por lo cual, se debe entender su naturaleza la que limita lo que se puede enviar por este medio de transmisión.LHDG / 2011B - 47 6
  • Bases Teóricas de Comunicación de Datos CONTENIDO => Introducción a la Capa Física => Bases Teóricas de la Comunicación de Datos • Análisis de Fourier • Señales limitadas por el ancho de banda • La tasa de envío máxima por un canalLHDG / 2011B - 47 7
  • Bases Teóricas de la Comunicación de Datos La información se puede emitir por un medio de transmisión al hacer variar en ellos alguna de sus propiedades físicas Ej.: El voltaje o corriente, la fase, la frecuencia. Si se logra representar el valor de este parámetro (voltaje, corriente…) como una función simple en el tiempo, f(t) => se puede modelar el comportamiento de la señal y hacerle un análisis matemático . Una herramienta matemática que facilita éste trabajo es el “Análisis de Fourier”LHDG / 2011B - 47 8
  • Bases Teóricas de Comunicación de Datos CONTENIDO => Introducción a la Capa Física => Bases Teóricas de la Comunicación de Datos • Análisis de Fourier • Señales limitadas por el ancho de banda • La tasa de envío máxima por un canalLHDG / 2011B - 47 9
  • Análisis de Fourier Fourier demostró que sumando, una cantidad (≈infinita) de senos y cosenos se puede construir cualquier función periódica de comportamiento razonable, g(t), con periodo T. Se representa así: donde: f = 1/T, es la frecuencia fundamental an y bn son las amplitudes de seno y coseno del n-ésimo (término ) armónico. Esta descomposición se llama Serie de Fourier.LHDG / 2011B - 47 10
  • Análisis de Fourier Donde an, bn y c se definen como: => Con Fourier se puede construir el espectro en frecuencia de cualquier función periódica, g(t), con periodo T, representados por la amplitud de sus armónicos (A*n*fo), sobre un valor DC que representa la constante C. 12LHDG / 2011B - 47
  • Bases Teóricas de Comunicación de Datos CONTENIDO => Introducción a la Capa Física => Bases Teóricas de la Comunicación de Datos • Análisis de Fourier • Señales limitadas por el ancho de banda • La tasa de envío máxima por un canalLHDG / 2011B - 47 13
  • Señales limitadas por el ancho de banda Para observar la relación qué existe entre el análisis de Fourier con la comunicación de datos, consideremos el siguiente ejemplo: La transmisión del carácter ASCII "b", codificado en un byte de ocho dígitos. => El patrón de bits a transmitir es: 01100010 La figura siguiente muestra la representación de la señal del carácter ASCII "b” en binario.LHDG / 2011B - 47 14
  • Señales limitadas por el ancho de banda En la figura se observa la Señal de Voltaje de Salida de la máquina transmisora para el carácter “b”. 0 1 1 0 0 0 1 0 Vol TiempoLHDG / 2011B - 47 15
  • Señales limitadas por el ancho de banda El análisis de Fourier de esta señal “b” conduce a los coeficientes:Se ha demostrado que los valores siguientes sonproporcionales a la energía transmitida, en lafrecuencia correspondiente ~ 2 2 an bnEn la figura siguiente se representan estos valores,para los primeros términos de n.LHDG / 2011B - 47 16
  • Señales limitadas por el ancho de bandaA-Señal Conformada por “n” Armónicos Amplitud rms 2 2 an bn 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Numero de armónico (a) B- Señal Recuperada con 1 Armónico <= 1 armónico (b)Figura.(a) Señal binaria y sus amplitudes de raíz cuadrada media de Fourier. (b)Aproximación de la señal conformada por el 1er armónicoLHDG / 2011B - 47 17
  • Señales limitadas por el ancho de banda 4 armónicos 2 2 an bn Señal solo pasa 4 armónicos (c)C-El canal Recuperada con 4 Armónicos El canal solo pasa 8 armónicos 8 armónicosD-Señal Recuperada con 8 Armónicos Número de armónicos (d)Figura.(C) Señal binaria resultante si se transmiten 4 armónicos(D) Señal binaria resultante si se transmiten 8 armónicos = > A mayor número de armónicos transmitidos la aproximación es mayor a la señal original ...LHDG / 2011B - 47 18
  • Señales limitadas por el ancho de banda DISTORSIÓN & ATENUACIÓN • Ningún sistema de transmisión puede enviar señales sin perder cierta potencia en el proceso. • Si todos los componentes de Fourier se atenuan en la misma proporción, la señal resultante se reduce en amplitud pero no se distorsiona (se tendra por Ej. la misma forma cuadrada, aunque atenuada).LHDG / 2011B - 47 21
  • Señales limitadas por el ancho de banda …DISTORSIÓN & ATENUACIÓN… • Pero en la práctica los sistemas de transmisión atenúan, los distintos componentes de Fourier, en diferente grado => introducen distorsión. • Las amplitudes se transmiten sin atenuación desde “0” hasta la frecuencia de corte “fc”. Todas las señales con frecuencias por encima de esta frecuencia de corte se atenúan más de 3dB.LHDG / 2011B - 47 22
  • Señales limitadas por el ancho de banda …DISTORSIÓN & ATENUACIÓN… • En ciertos casos, ésta es una propiedad física inherente a los medios de transmisión, en otros casos se introduce artificialmente por medio de un filtro en el circuito (para limitar el ancho de banda disponible). • Como se vio la figura (b) muestra cómo luce la señal, si el ancho de banda fuera tan bajo que se transmitieran únicamente las frecuencias más bajas [es decir, que la función se aproximara con los primeros términos de la ecuación (2-1)].LHDG / 2011B - 47 23
  • Señales limitadas por el ancho de banda …DISTORSIÓN & ATENUACIÓN • Y como lucirían las señales para canales de mayor ancho de banda por donde se podrían transmitir un mayor número de armónicos. Ver las figuras (c) y (d)LHDG / 2011B - 47 24
  • Señales limitadas por el ancho de banda BAUDIOS & BPS La cantidad de cambios de nivel por segundo de una señal se mide en BAUDS. Ahora, una línea de b «bauds» no necesariamente transmite b «bps», porque cada señal transmitida podría transportar varios bits de información por impulso de señal transmitido y en este caso los bps serian mayores a los Baudios …veamosLHDG / 2011B - 47 25
  • Señales limitadas por el ancho de banda CODIFICACIÓN Y VELOCIDAD DE LA SEÑAL El tiempo “T “ requerido para transmitir un carácter por un medio de transmisión depende: • del método de codificación • de la velocidad de señalización.LHDG / 2011B - 47 26
  • Señales limitadas por el ancho de banda CODIFICACIÓN: Si se usaran señales de diferentes niveles de voltajes tales como: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7 Volts => el nivel de cada señal podría servir para representar caracteres de tres bits (000, 001, 010,…..,111) => Número de niveles (n) = 2m Donde:“m” es el número de bits transmitidos por cada señal codificada. Ej: Ocho bits “11010101” podrían representarse por un solo bit de voltaje de un valor de “213”. = > la velocidad (b) en bps, sería ocho veces mayor a la velocidad en bauds.LHDG / 2011B - 47 27
  • Señales limitadas por el ancho de banda BAUDIOS & BPSNivel Bits Nivel7 111 76 110 6 CON UN IMPULSO ENVIADO SE5 101 5 ESTAN TRANSMITIENDO4 100 3 BITS, QUE SE 4 CODIFICAN SEGÚN3 011 3 SU AMPLITUD2 010 21 001 10 000 0 TLHDG / 2011B - 47 28
  • Señales limitadas por el ancho de banda= > Por cada pulso de “n” niveles se puede transmitirun carácter de “m” bits (n = 2m ). Niveles de la señal a Tx (n) Carácter transmitido de “m” bits 2 niveles Carácter de 1 bit 4 niveles Carácter de 2 bit 8 niveles Carácter de 3 bit 16 niveles Carácter de 4 bit 32 niveles Carácter de 5 bit 64 niveles Carácter de 6 bit 128 niveles Carácter de 7 bit 256 niveles Carácter de 8 bit= > Con un código de 256 niveles se puede transmitir uncarácter de 8 bits por pulso enviado Ej. código ASCIILHDG / 2011B - 47 30
  • Señales limitadas por el ancho de banda PREGUNTA: Si sólo se usan señales binarias => la velocidad en bauds es igual en bps a…???LHDG / 2011B - 47 31
  • Señales limitadas por el ancho de banda VELOCIDAD DE LA SEÑALSi se transmite a una velocidad de “b” bps, eltiempo “T” que se requiere para enviar 8 bits sería: T =8 bits/b (segundos) (t = e/v) como T = 1/fo => fo = b/bitsDonde: fo es la frecuencia de la primera armónica ofrecuencia fundamentalPara el caso de un código de 8 bits, la frecuencia (fo)sería fo = b/8 . 32LHDG / 2011B - 47
  • Señales limitadas por el ancho de banda VELOCIDAD DE LA SEÑAL Para una línea telefónica común, que tiene una frecuencia de corte efectiva cercana a los 3Khz. (establecida en forma artificial en las C.O). Cual sería el número de armónicos (n) que puede pasar por este canal: => n = ancho de banda (β) / Frec. fundamental (fo). Para el caso n = 3.000 / fo Como se vio, una señal de 8 bits transmitida a una velocidad de b bits/s, fo = b/8, reemplazando => n = 3.000 / (b/8) => n = 24.000 / b.LHDG / 2011B - 47 33
  • Señales limitadas por el ancho de banda VELOCIDAD DE LA SEÑAL Cuantos armónicos de un carácter ASCII se podrán transmitir por una línea telefónica, a una tasa de 300 bps. ?? => N armónicos = β/fbyte0 fbyte fo Tbit = 1 bit/b = 1/300 = 3,33 ms por bit => Tbyte = 3,33 ms * 8 = 26,67 ms por byte => fbyte = 1 / Tbyte = 1/26,7 ms = 37,5 [Hz] N armónicos = β/fbyte = 3000 / 37,5 = 80 Armónicos 80 armónicos de un carácter ASCII se pueden enviar por una línea telefónica a una tasa de 300bpsLHDG / 2011B - 47 35
  • Señales limitadas por el ancho de banda Figura VELOCIDAD DE LA SEÑALDe acuerdo al ejemplo anterior los armónicos de unaseñal binaria que se pueden transmitir por una líneatelefónica, a velocidades de 300, 600, 1200, 2400,4800, 9600, 19200 y 38400 bps, serán: Cantidad de armónicos que se pueden transmitir por un canal telefónico a diferentes velocidades (Bps).LHDG / 2011B - 47 36
  • Señales limitadas por el ancho de banda VELOCIDAD DE LA SEÑAL= > El envío de datos (señales binarias) a velocidadesmayores que 38.4 Kbps no pueden transmitir ni unarmónico por un canal telefónico, aún si el canal detransmisión se encuentra completamente libre deruidos.En otras palabras, al incrementar la tasa detransmisión se limita la cantidad de armónicos quepueden ser transmitidos por el canal, incluso encanales perfectos.Sin embargo, existen esquemas de codificaciónavanzados que pueden lograr tasas de envío de datosmucho mayores.LHDG / 2011B - 47 39
  • Bases Teóricas de Comunicación de Datos CONTENIDO => Introducción a la Capa Física => Bases Teóricas de la Comunicación de Datos • Análisis de Fourier • Señales limitadas por el ancho de banda • La tasa de envío máxima por un canalLHDG / 2011B - 47 40
  • La tasa de envío máxima de un canal • H. Nyquist determinó la existencia de un límite fundamental para la velocidad de transmisión de datos y dedujo una ecuación que expresa la tasa de datos máxima para un canal sin ruido, de ancho de banda finito. • C. Shannon extendió el trabajo de Nyquist al caso de un canal con ruido aleatorio (termodinámico).LHDG / 2011B - 47 41
  • La tasa de envío máxima de un canal Nyquist también demostró que si se pasa una señal arbitraria a través de un canal con un filtro pasa- bajos, de ancho de banda β, la señal filtrada se puede reconstruir por completo tomando tan sólo 2*β muestras (exactas) por segundo. => es inútil muestrear la línea a una velocidad mayor que 2*β veces por segundo porque los componentes de frecuencia más alta, que tal muestreo podría recuperar, ya se han filtrado o bloqueado en el canal.LHDG / 2011B - 47 42
  • La tasa de envío máxima de un canal Si la señal tiene “N” niveles discretos, el teorema de Nyquist establece: Tasa de datos máxima [bps] = 2*β.log2 N De acá se deduce que un canal sin ruido de 3 Khz, no puede transmitir señales binarias a una velocidad mayor de 6.000 bps.LHDG / 2011B - 47 43
  • La tasa de envío máxima de un canal El principal resultado de Shannon fué que la tasa de datos máxima en un canal ruidoso cuyo ancho de banda es β [Hz] y cuya relación señal a ruido es S/N , está dada por: Tasa de datos máxima [bps] = β log2 (1 + S/N) 44LHDG / 2011B - 47
  • La tasa de envío máxima de un canal Con lo cual… Un canal con ancho de banda de 3000 Hz y una relación de señal a ruido térmico de 30 dB (parámetros típicos de la parte analógica de un sistema telefónico) nunca puede transmitir a mucho más que: 30.000 bps… …no importa cuántos niveles de señal se usen, ni qué tan frecuente o infrecuente sea el muestreo. 45LHDG / 2011B - 47
  • La tasa de envío máxima de un canal El resultado de Shannon se dedujo aplicando argumentos de la teoría de la información y es válido para cualquier canal sujeto a ruido gaussiano (térmico). Sin embargo, cabe señalar que éste solamente es un límite superior y que los sistemas reales rara vez lo alcanzan.LHDG / 2011B - 47 46
  • NOTA: La relación señal a ruido (S/N) presente en un canal se mide por la relación entre la potencia de la señal y la potencia del ruido. Donde: S es la potencia de la señal N es la potencia del ruido S/N es la relación señal a ruido Generalmente, la relación absoluta no se usa; en cambio, se usa la cantidad 10 Log S/N. A esta relación se les llama decibeles (dB). -una relación S/N de 10 son 10 dB, -una relación S/N de 100 son 20 dB, -una relación S/N de 1000 son 30 dB … 47LHDG / 2011B - 47
  • MODULO 2- CAPA FISICA CONTENIDO -Bases Teóricas de Comunicación de Datos -Medios de Transmisión guiados -Transmisión Inalámbrica -Satélites de Comunicaciones -La Red Telefónica Pública Conmutada -Sistema Telefónico Móvil -Television por cableLHDG / 2011B - 47 48
  • LHDG / 2011B - 47 49