Software de Comunicaciones

USP

Tema 01

Sistema de Comunicación de Datos

IntroducciónLa energía para transmitir datos puede ser eléctrica, ondas de radio, luminosa, etc

Cada tipo tendrá sus propiedades y requisitos de transmisiónPodrá utilizar diferentes medios físicos de transmisión (cobre, aire, vidrio...)

Transmisor necesita:

Receptor necesita:

Transmisor ReceptorMedios de TxDATOS DATOS

Hardware especial para transmitir los Datos desde el origen (ETD)

Hardware especial para transformar energía en datos(ETD)Una conexión hardware con el medio de transmisión utilizado (ETCD)

Una conexión de Hardware para adaptar los Datos al medio que los va a llevar (ETCD

Conceptos básicos y terminologíaCanal: medio de transmisión al que se le acoplan un transmisor y un receptor y, por tanto, tiene asociado un sentido de transmisión

Analógico: información suministrada al transmisor es analógicaDigital: información suministrada al transmisor es digitalEl tipo de canal lo imponen los equipos, no el medio

Circuito: canal en cada sentido de transmisiónEnlace: circuito con controladores de los equipos terminales de datos (camino de transmisión entre Txor y Rxor)Enlace directo: enlace en el que la señal se propaga sin usar dispositivos intermedios que no sean amplificadores o repetidoresConfiguración o enlace punto a punto: enlace directo entre dos dispositivos que comparten un medio de transmisiónConfiguración multipunto: el medio es compartido por más de 2 dispositivos

Conceptos básicos y terminologíaSímbolo o elemento de señalización:

Aquella parte de la señal que ocupa el intervalo más corto correspondiente a un código de señalización.

Digital: un pulso de tensión de amplitud constanteAnalógico: un pulso de frecuencia, fase y amplitud constantes

Velocidad en símbolos (Vs) o velocidad de modulación (Vm):Es el número máximo de símbolos que se pueden transmitir en un segundo.Se calcula como: nº símbolos/1segSe mide en baudios.Se asocia a la línea de transmisión.

Velocidad de transmisión serie o régimen binario (Vt o R):Es el número máximo de elementos binarios que pueden transmitirse por unidad de tiempo.Se calcula como: nº de bits en un periodo/periodoSe mide en bps (bit/s).Se asocia al circuito de datos.

Conceptos básicos y terminologíaUnidades de medida

1.000.000.000.000.000.000.000.000 bitsYottabits (Yb)1024

1.000.000.000.000.000.000.000 bitsZettabits (Zb)1021

1.000.000.000.000.000.000 bitsExabits (Eb)1018

1.000.000.000.000.000 bitsPetabits (Pb)1015

1.000.000.000.000 bitsTerabits (Tb)1012

1.000.000.000 bitsGibabits (Gb)109

1.000.000 bits Megabits (Mb)106

1.000 bitsKilobits (Kb)103

Clasificación de las transmisionesSegún el sentido de la transmisión:

Símplex (simple)

Half-duplex (semi-dúplex)

Full-duplex (dúplex)

A B

A B

A B

Clasificación de las transmisiones (II)

Tipos de comunicaciones

Paralela

Serie

Bus

E/S paralela

Asíncrona(2 relojes)

Síncrona(1 solo reloj)

Heterosincronizada(2 líneas: datos y reloj)

Autosincronizada(1 línea: datos+reloj)

Orientada al bit

Orientada al carácter

Orientada al carácter

Txor Rxor

Txor Rxor

Txor Rxor

Transmisión paralelaTodos los bits de un dato se transmiten a la vezSon necesarias tantas líneas como nº de bits contenga el dato a TxTipos:

BusLíneas de direcciones, datos, control y alimentaciónReglas estrictas de comunicacionesElementos muy acoplados (CPU y memoria)Distancias muy pequeñas (típicamente <1m)Ejemplo: bus de datos entre CPU y memoria

E/S paralelaMenor número de líneasMenor dependencia entre elementosCable plano o manguera multiconductoraEjemplo: impresora

Transmisión serieSe transmiten los bits secuencialmente

Problema: cómo reconoce el receptor que tiene un bit válido para leer es necesario conocer el reloj con el que se generó la secuencia de bitsTipos:

AsíncronaSíncrona

Transmisión serie asíncronaSólo se transmiten los datos; Txor y Rxor tienen su propio relojLa señal permanece a 1 mientras no se transmiteSe delimita el envío de 1 carácter (5-10bits) con 1 bit de comienzo (START) y 1 , 1.5 ó 2 bits de parada (STOP)Txor y Rxor deben estar de acuerdo previamente

Transmisión serie síncronaLa señal de reloj debe transmitirse:

En una línea separada (heterosincronizada)Codificando dicha señal con los datos que se Tx (autosincronizada)

Los datos se delimitan por una serie de caracteres o bitsPuede ser:

Orientada al carácter: se trata el bloque de datos como una secuencia de caracteres (8 bits)

Orientada al bit: se trata el bloque de datos como una secuencia de bits (flag de inicio de bloque-datos-flag fin de bloque)

Emisor Receptor...... ...carácter

Emisor Receptor...... ...Flag inicio bloque Flag fin bloque

Datos

Flag inicio bloque

Datos

Flag fin bloque

Txor Rxor

Txor Rxor

Transmisión serie vs. paralelaVentajas de la transmisión serie:

Número de líneas bastante menorMenor coste, sobre todo cuando aumentan las distancias

Ventajas de la transmisión paralela:Mayor velocidadMayor simplicidad

Representación de señalesUna misma señal puede ser representada de 2 formas:

En el dominio del tiempo s(t) representación cartesianaEn el dominio de la frecuencia S(f) representación espectral

Ambas representaciones implican una misma realidad física.Todas las señales son funciones reales y, por tanto, las transiciones son continuas en el tiempo (aunque puedan ser muy rápidas).

Representación de señales. Ejemplos

Análisis de Fourier. Ejemplo

Espectro y ancho de bandaEspectro de frecuencias (frecuency spectrum)

Conjunto de frecuencias que constituyen una determinada señalAncho de banda absoluto

Anchura del espectro de frecuencias completoSe mide en Hz (hercios) o s-1

Ancho de banda relativoAnchura del espectro de frecuencias donde se concentra la mayor parte de la energía de la señalSe mide en Hz (hercios) o s-1

Ancho de banda absoluto

Ancho de banda relativo

Frecuencia (Hz)

Amplitud (V)

Ancho de banda y canalSe puede hacer una representación espectral de la señal a transmitir y del canal por donde se va a transmitirSi ambos espectros coinciden, la señal se puede transmitir tal cual por ese canal, si no coinciden, hay que transformar (modular) la señal antes de transmitirla

Canal telefónico

Hz

Hz

300 3400

Relación entre Vt y AB del canalSupongamos la señalcorrespondiente a la secuencia1010101...Su desarrollo en serie de Fourier es:

s(t)= A x 4 x Σ sen(2πkf1t)

Limitando el ancho de banda a las 4 primeras componentes:

-A

A

0

Ampli

tud de

la se

ñal

periodo=T=1/f1

Tiempo

K=1 K impar

∞

π k

(4/π) [sen(2πf1t)+(1/3)sen(2 π(3f1)t)+ (1/5)sen(2 π(5f1)t) + (1/7)sen(2 π(7f1)t)]

Relación entre Vt y AB del canal (II)Vt para el caso de esa señal cuadrada: Vt = 2/T = 2 f1 bpsSi f1 = 1 MHz:

necesitamos AB = 6 MHz en el canalVt = 2 Mbps

Si f1 = 2 MHz:necesitamos un AB = 12 MHz en el canalVt sería de 4 Mbps AB efectivo

4 componentes espectrales(f1=1MHz)

Frecuencia (MHz)

Amplitud (V)

1 3 5 7 9 11 13

AB efectivo4 componentes espectrales

(f1=2MHz)

Frecuencia (MHz)

Amplitud (V)

2 226 2610 1814

Relación entre Vt y AB del canal (III)Suponemos que ABcanal = 12MHz, podemos (a) o (b):

(a) Mantener la velocidad de transmisión:Se mantiene la frecuencia de la señal (f1)Por el canal cabrían 7 armónicos en vez de 4Misma velocidad y mayor ancho de banda mayor calidad de la señal

(b) mantener la calidad de la señal:Se mantiene el nº de ármonicos Se aumenta la frecuencia de la señal (f1)Misma calidad y mayor ancho de banda mayor Vt

Cuanto mayor es el ABcanal, mayor puede ser la Vt de la señal

Relación entre Vt y AB del canal (IV)

Ancho de banda 4000 Hz

Ancho de banda 2500 Hz

Ancho de banda 1700 Hz

Ancho de banda 1300 Hz

Ancho de banda 900 Hz

Ancho de banda 500 Hz

Pulsos después de la transmisión:

Pulsos antes de ser transmitidos:Razón de bits: 2000 bps

Bits: 0 1 0 0 0 0 1 0 0

Relación Vs - AB y Vs - VtSe ha demostrado que:

Vs = N x AB [baudios]donde N es una constante que puede variar entre: (peor caso) 1 ≤ N ≤ 2 (mejor caso)AB es el ancho de banda del canalEn el caso ideal Vs = 2 x ABComo regla práctica Vs = AB

Si al codificar la información en una señal analógica 1 símbolo representa a n bits, podemos decir que:

Vt = n x Vs [bps]

Vs está limitada por el AB del canal, pero no la VtVt está limitada por el ruido del canal (Shannon)

Transmisión de datosHay que tener en cuenta:

Naturaleza de los datosDatos ANALÓGICOS: toma cualquier valor dentro de un intervaloDatos DIGITALES: toma sólo determinados valores posibles dentro de un intervalo

Propagación de la señal que lleva los datosSeñal ANALÓGICA: onda electromagnética que varía continuamenteSeñal DIGITAL: secuencia de pulsos de tensión discretos y discontinuos. Puede ser unipolar (1 nivel de tensión), polar (2 niveles de tensión) o bipolar (3 niveles de tensión)

En la Tx de datos hay 4 combinaciones posibles:Dato analógico – Señal analógicaDato digital – Señal analógicaDato analógico – Señal digitalDato digital – Señal digital

Transmisión de datos (II)Dato analógico – Señal analógica

Si coincide el ancho de banda ambos, se envían los datos tal cual, si no, hay que modular los datos

Dato digital – Señal analógicaEn Txor se modula la señal analógica para que lleve los datos digitales y en Rxor se demodula (MODEM)

Dato analógico – Señal digitalEn Txor se codifican los datos analógicos en digitales y en Rxor se decodifican (CODEC)

Dato digital – Señal digitalSi se dispone de dos niveles de tensión, se envían los datos directamente. Si se dispone de más niveles se convierten antes de enviar.

CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales digitalesEl Transmisor debe conocer:

El tiempo empleado en enviar un bit: si la tasa de bits es de X bps, la duración de un bit es 1/X segundosLa velocidad de modulación (depende del esquema de codificación elegido)

El Receptor debe conocer:La duración de cada bitComienzo y fin de cada bitNiveles de tensión utilizados para representar cada bit

Tipos de codificación:Unipolar NRZ, Polar NRZ, Unipolar RZ, Bipolar RZ, Manchester NRZ

Formatos de codificación digital

Polar NRZ

Unipolar NRZ(Not Return to Zero)

Cinta perforada

Unipolar RZ

Bipolar RZ

Manchester NRZ

1 ≡ nivel alto (A voltios)0 ≡ nivel bajo (cero voltios)

1 ≡ nivel alto (A voltios)0 ≡ nivel bajo (-A voltios)

1 ≡ transición al principio y mitad del bit0 ≡ no hay transición (0 voltios)

1 ≡ niveles alternantes A, -A voltios0 ≡ no hay transición (0 voltios)

0 ≡ transición alto-bajo en mitad del bit1 ≡ transición bajo-alto en mitad del bit(de acuerdo con IEEE 802.3)

Tiempo de 1 bit Tiempo de 1 elemento de señalización = ½ Tiempo de 1 bit

CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales analógicasUna señal analógica se basa en la transmisión de una señal continua (señal portadora) con una frecuencia centrada en una zona compatible con el medio de transmisión y de tipo Acos(2πfct+φ)Los datos digitales se transmiten modulando la señal portadora.Modulación: Variación de cierto parámetro de una señal en función de otra.

Señal portadoraSeñal moduladoraSeñal modulada

Tipos de modulación (tasa de bits = tasa de baudios)ASK: modulación de amplitudFSK: modulación de frecuenciaPSK: modulación de fase

CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales analógicasASK: modulación o desplazamiento en amplitud

A1cos(2Πfct + ϕ) ≡ 1 binarioA2cos(2Πfct + ϕ) ≡ 0 binario

s(t)= ABASK= (1+r)·Vs

Vs = velocidad en símbolos o tasa de baudiosr = factor filtrado línea (0 ≤ r ≤ 1)

Amplitud

fc

Ancho de banda mínimo = Vs

fc – Vs/2 fc + Vs/2

Frecuencia

A1

A2

CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales analógicasFSK: modulación o desplazamiento en frecuencia

Acos(2Πfc1t + ϕ) ≡ 1 binarioAcos(2Πfc0t + ϕ) ≡ 0 binario

s(t)=

ABFSK= (fc1- fc0) + (1+r)Vs

fc1= frecuencia de la portadora para el 1 binariofc0 = frecuencia de la portadora para el 0 binario

Típicamente, fc1 y fc0 corresponden a desplazamientos de igual magnitud pero en sentidos opuestos de la portadora

Vs = velocidad en símbolos o tasa de baudiosr = factor filtrado línea (0≤r≤1)

ABFSK = (fc1- fc0) + (1+r)VsVs/2 Vs/2

Amplitud

Frecuencia

fc1- fc0

fc0 fc1

Más resistente a los ruidos que ASK

CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales analógicasPSK: modulación o desplazamiento en fase

Acos(2Πfct + Π) ≡ 1 binarioAcos(2Πfct) ≡ 0 binario

s(t)=

ABPSK= (1+r)·Vs Vs = velocidad en símbolos o tasa de baudiosr = factor filtrado línea (0≤r≤ 1)

Amplitud

fc

Ancho de banda mínimo = Vs

fc – Vs/2 fc + Vs/2

Frecuencia

CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales analógicasOtras modulaciones (tasa baudios < tasa bits):

Modulación MPSK (modulación en múltiples fases):(BPSK Si Vs=2400 baudios (n=1), Vbps=2400 bps)QPSK Si Vs=2400 baudios (n=2), Vbps=4800 bps8PSK Si Vs=2400 baudios (n=3), Vbps=7200 bps16PSK Si Vs=2400 baudios (n=4), Vbps=9600 bps

...

Recuerde que la relación entre la tasa de baudios y la tasa en bps venía dada por:

Vbps= n·Vs

Ancho de banda para modulaciones multinivel: AB = Vs·(1+r)/n

Vs = velocidad en símbolos o tasa de baudiosr = factor filtrado línea (0≤r≤ 1)n= nº de bits por cada símbolo

CODIFICACIÓN DE DATOS Datos digitales usando Señales analógicas

Tasa de baudios – Tasa de bits

CODIFICACIÓN DE DATOS Datos analógicos usando Señales digitales

Teorema del muestreo:“Si se muestrea s(t) a intervalos regulares de tiempo, con una frecuencia mayor del doble de la frecuencia significativa más alta de s(t) (fmax), entonces las muestras obtenidas contienen toda la información de la señal original”. fs≥ 2fmax Ts≤ 1/2fmax

Tipos de “Modulación”:Modulación PCM: Modulación por codificación de impulsos

Usa PAM (Modulación por amplitud de pulsos)Modulación Delta

La señal analógica se aproxima mediante una función escalera que en cada intervalo de muestreo sube o baja un nivel de cuantización

Datos analógicos MUESTREO CUANTIFICACIÓN CODIFICACIÓN Señal digital

Proceso de digitalización

“Modulación”CODEC

Datos analógicos usando Señales digitalesModulación PCM

(8 bits en signo-magnitud)

- Muestreo natural- Muestreo plano

PCM

Datos analógicos usando Señales digitalesModulación PCMEjemplo:

Los datos de voz se limitan a frecuencias < 4000 Hz para caracterizar una señal de voz se requieren 8000 muestras/segPara convertir muestras PAM a digital, se les debe asignar un código digital a cada una de ellasSi se usan 256 niveles diferentes se requieren 8 bits por muestra8000 muestras/seg x 8 bits/muestra = 64 Kbps se necesita para una señal de voz

Datos analógicos usando Señales digitalesModulación Delta

Por cada intervalo de muestreo, la señal analógica de entrada se compara con el valor más reciente de la función escalera:

si el valor > función escalera, se genera un 1si el valor ≤ función escalera, se genera un 0

δ, Ruido de cuantización(variaciones lentas de la señal)δ, Ruido de sobrecarga en la

pendiente (variaciones rápidas de la señal)

Más sencillo de implementar y mejor SNR para una misma Vt que PCM

CODIFICACIÓN DE DATOS Datos analógicos usando Señales analógicas

La modulación consiste en variar la amplitud, frecuencia o fase de la portadora en función de f(t) :

Modulación en amplitud:AM (Modulación en Amplitud) ABAM= 2·B

Modulación angular:FM (Modulación en frecuencia) ABFM= 10·B

PM (Modulación en fase) ABAM= 10·B

B = ancho de banda de la señal original

Datos analógicos f(t) MODULADOR g(t) Señal analógica

Señal portadoracos 2πfct

Señal moduladora Señal modulada

Datos analógicos usando Señales analógicasSeñal Portadora, Moduladora y Modulada

CODIFICACIÓN DE DATOS Datos analógicos usando Señales analógicas

AM

BWm =Ancho de banda de la moduladora (audio)BWt = Ancho de banda total (radio)fc = frecuencia de la portadora

BWm =Ancho de banda de la moduladora (audio)BWt = Ancho de banda total (radio)fc = frecuencia de la portadora FM y PM

Multiplexión o multiplexaciónEs el conjunto de técnicas que permite la transmisión simultánea de múltiples señales (canales) a través de un único enlace de datosEn toda transmisión multiplexada se tiene un multiplexor (en Txor) y un demultiplexor (en Rxor)

Hay tres técnicas de multiplexión:FDM (Multiplexión por División en Frecuencias)WDM (Multiplexión por División de Onda)TDM (Multiplexión por División en el Tiempo)

MULT

IPLE

XOR

DEMU

LTIP

LEXO

R

1 camino3 canales

Multiplexión. FDMMultiplexión por División en FrecuenciasGeneralmente para señales analógicasSe puede aplicar cuando el AB de un enlace es mayor que los anchos de banda combinados de la señal a transmitirSe usan distintas frecuencias portadoras para transmitir (que no deben interferir con las frecuencias de los datos originales)Se usan bandas de seguridad

Frecuencia (Hz)Ancho de banda del enlace de transmisión

Canal 1 Canal 2 Canal 3 Canal 4 Canal 5

Bandas de seguridad

Multiplexión. WDMMultiplexión por División de OndaConceptualmente igual que FDM, pero la multiplexación y demultiplexación involucran señales luminosas a través de fibra óptica (bandas de longitudes de ondas)

Multiplexión. TDMMultiplexión por División en el TiempoGeneralmente para señales digitalesSe puede aplicar cuando la capacidad de tasa de datos de la transmisión es mayor que la tasa de datos necesaria requerida por los dispositivos transmisores y receptoresSe divide el enlace en el tiempo y no en frecuencia

Tipos:Síncrona: el multiplexor siempre asigna exactamente la misma ranura de tiempo para cada dispositivo, independientemente de que los dispositivos tengan o no que transmitir.Asíncrona o estadística: el multiplexor usa reserva dinámica bajo demanda de las ranuras. Con un enlace de igual velocidad, esta multiplexión puede dar más servicios que la síncrona.

...Tiempo (s)

Canal 1 Canal 2 Canal 3 Canal 1 Canal 2 Canal 3 ...

Interfaz RS-232Nombres oficiales: ANSI/TIA-232F o ITU-T V.24Se compone de varias especificaciones:

mecánica: ISO 2110eléctrica: V.28funcional y procedural: V.24

Describe las características mecánicas, eléctricas, funcionales y procedimentales que permiten el intercambio de información binaria entre un DTE y un DCE, con transmisión serieModos half-duplex y full-duplexPermite transmisión síncrona y asíncrona

ComputadoraConector DB25 macho

Conector DB25 hembra

Cabledel interfaz

Línea de teléfono

DTE y DCEDTE (Data Terminal Equipment)

Emisor o receptor de datos.Terminales, computadores, fax...

DCE (Data terminal Circuits Equipment)Equipo que transforma la información para ser enviada por la línea.Módem

Fuente o colector de datos

Controlador decomunicaciones

Fuente o colector de datos

Controlador decomunicacionesDCE DCE

Línea de transmisión

Circuitos de datos

Enlace de datos

DTE DTE

INTERFAZ RS-232Características mecánicasEspecifica el conector a utilizarConector DB-25 (síncrona y asíncrona) y conector DB-9 (asíncrona)

1 pulgada = 23 mm

INTERFAZ RS-232Características eléctricasEl estándar define:

Velocidad máxima: 20 kbps (típicas:300, 1200, 2400, 4800, 9600 y 19200 bps)Distancia máxima: 15 mcódigo NRZ-LTransmisión no balanceada

Referencias a 0VLimitación de corriente a 0.5 ACapacidad máxima 2500 pF

1 lógico = [-3,-15] voltios0 lógico = [15,3] voltios

“0”

“1”

+15

-15

+5

-5

Tx

“0”

“1”

+25

-25

+3-3

Rx

INTERFAZ RS-232Características funcionalesSe describen las funciones de cada uno de los circuitos de intercambio, así como la posición de esos circuitos en el conector (pin)Líneas de datos

TxD y RxDLíneas de control de flujo

Request to send (RTS)Clear to send (CTS)Data Carrier Detected (CD ó DCD)

Líneas de establecimiento de conexiónData Terminal Ready (DTR)Data Set Ready (DSR)Ring Indicator (RI)

Líneas de referenciaMasa (GND)Masa de protección (SGH)

INTERFAZ RS-232Características funcionales. Conector DB15 (DTE)

INTERFAZ RS-232Características procedimentalesEspecifican la secuencia de eventos que se debe producir en la transmisión de datos, basándose en las características funcionales del interfaz. Ejemplo de llamada:

[Fuente: Stallings]

BibliografíaBehrouz A. Forouzan, “Transmisión de datos y redes de comunicaciones”, 2ª edición, McGrawHill, 2002.William Stallings, “Comunicaciones y Redes de Computadores”, 6ªedición, Prentice Hall, 2000.James Truvole, “LAN wiring”, 2ª edición, MacGrawHill, 2000.Andrew S. Tanenbaum, “Redes de Computadoras”, 3a edición,Prentice Hall, 1997.ANSI/TIA-232-F (R2002), “Interface Between Data Terminal Equipment and Data Circuit-Terminating Equipment Employing Serial Binary Data Interchange”, 1997.