TRANSMISIÓN DIGITAL EN BANDA BASE Contenido 1.-- Codificación de línea. 1. 2.-- Esquemas de codificación de línea. 2. 3.-- Características de la transmisión digital. 3. 4.-- Capacidad de información de canal. 4.
Objetivo.-- Al finalizar el tema, el estudiante será capaz de Objetivo. describir y comparar los códigos de línea en el dominio de la frecuencia. fr ecuencia.
1
1.-- Codificación de línea 1. Se puede transmitir una señal digital de 2 formas: en banda base o en banda ancha (con modulación digital). Transmitir en banda base significa enviar una señal digital sobre un canal sin cambiarla a analógica. Los datos, en forma de texto, números, imágenes gráficas, audio o voz, se almacenan en la memoria de un PC en secuencia de bits, “0”s y “1”s . Estos números binarios deben convertirse a señales digitales, es decir a niveles de voltaje o corriente (u otro tipo de símbolos) para su transmisión por la línea. Este proceso se llama codificación de línea .
La codificación de línea es el proceso de convertir datos digitales en señales digitales. 2
Bits y símbolos Bit. Bit En las comunicaciones de datos, el objetivo es enviar bits de datos. Un bit es la entidad m s peque a que pue e represen ar un e emen o e n ormac n. Símbolo. Símbolo En una comunicaciones de datos digitales, los bits son transportados por símbolos (variaciones de voltaje). Un señal digital. En otras palabras, los bits son transportados; los símbolos son los portadores.
Tasa de bit y tasa de símbolos La tasa de símbolos es el número de símbolos enviados en 1 segundo. La unidad es el baud. Se utilizan diferentes terminologías en la literatura. La tasa de bit se denomina en algunas ocas ones asa e a os . a asa e s m o os se enom na am n asa e se a , asa e pulsos , tasa de modulación o tasa de baud . Un objetivo en la comunicación de datos es incrementar la tasa de bit, al mismo tiempo que . , transmisión. Si se reduce la tasa de símbolos, se reducen los requisitos de ancho de banda (BW). 3
Relación entre la tasa de bit y de símbolos La relación depende del número de bits que son transportados por cada símbolo. Una . Un vehículo puede transportar una o más personas. También se puede dar el caso de que una persona conduzca un vehículo y remolque otro.
Aquí, 1 bit es transportado por 1 símbolo. Ambas . Ejemplo: codificación NRZ-L.
Aquí, 1 símbolo ranspor a s. Esquema multinivel que incrementa la tasa de bit sobre el mismo BW. Ejemplo: codificación 2B1Q.
símbolos para transportar 1 bit. El símbolo extra garantiza la s ncron zac n. a tasa de bit es la mitad de la de baud. Ejemplo: Manchester.
qu , n grupo e bits es transportado por un grupo de 3 símbolos.
4
Ancho de banda (BW)
Espectros de señal digital periódica y aperiódica.
Es el rango de frecuencias conteni o en una se a .
Una señal digital que transporta información no es periódica, por tanto, su BW es continuo con un . Sin embargo, las señales digitales que se encuentran en la vida real tienen un BW con valores finitos. El BW es teóricamente infinito, pero muchos de los componentes tienen una amplitud . . La tasa de baud determina el BW requerido para una señal digital. Utilizando la analogía, el número de vehículos afecta al tráfico, no el número de personas que llevan. Más cambios en la señal significa inyectar más frecuencias en la señal. La frecuencia significa cambio y cambio significa frecuencia. Cuando se habla de BW, se define un rango de frecuencias. Se necesita saber dónde se sitúa este rango así como los valores de las frecuencias más alta y más baja. Además, la amplitud e ca a componen e es un aspec o mpor an e. e pue e ec r que e es proporc ona a a tasa de baud. 5
Componente DC Cuando un nivel de voltaje en una señal digital es constante durante bastante tiempo, el . cercanas a 0, denominadas componentes DC (corriente continua), dan lugar a problemas en sistemas que no pueden pasar frecuencias bajas o que utilizan acoplamiento eléctrico con transformador. , frecuencias por debajo de los 300 Hz. Un enlace de larga distancia puede utilizar uno o más transformadores para aislar eléctricamente diferentes partes de la línea.
ara estos s stemas, se neces ta un esquema s n componentes
.
Autosincronización Para interpretar correctamente las señales recibidas, los intervalos de bits del receptor deben corresponder exactamente con los del transmisor. Si el reloj de receptor es más rápido o más lento, los intervalos no coincidirán y el receptor podría malinterpretar las señales. Una señal digital con autosincronización incluye información sobre el tiempo en los datos transmitidos. Esto se consigue con transiciones en la señal que alerten al receptor del comienzo, de la mitad o del fin de un pulso. Si el reloj de receptor no está sincronizado, estas transiciones ueden reiniciar el relo .
6
2.-- Esquemas de codificación de línea 2. Se pueden dividir en 5 categorías. En cada una de ellas pueden haber var os esquemas.
n po ar Utiliza 2 niveles de voltaje TTL. Puede ser de . Problema 1: tiene un componente de DC, no compatible para algunos . NRZ: No Retorno a Cero.
No se utiliza en comunicación de datos. 7
Polar NRZ-L y NRZ-I Solución a problema 1: codificación NRZ-L. . El RS-232 usa NRZ para 1 entre 3 y 25 V y para 0 entre +3 y +25 V.
ro ema : pro ema e s ncron a cuando hay muchos 0 ó 1. Solución parcial a problema 2: codificación -. transiciones para los 1 que son más frecuentes que los 0.
Polar RZ Solución completa a problema 2: . con transiciones a cero en la mitad bit, tanto para los 0 y 1. Problema 3: utiliza 3 niveles de señal y 2 símbolos (cambios) para transportar 1 bit. Es compleja y necesita mayor BW, aunque es más eficiente que las anteriores. Ya no se utiliza.
8
Polar bifásica Manchester Solución a problema 3: codificación Manchester. Hace lo mismo que RZ pero con sólo 2 niveles de señal. Se utiliza en redes LAN Ethernet .
Polar bifásica Manchester diferencial
.
9
Bipolar AMI , marca alternada , la palabra marca proviene de la telegrafía y significa 1. AMI se utiliza en comunicaciones de larga distancia, pero tiene el problema de sincronización cuando aparecen largas secuencias de 0. La soluciona.
Multinivel 2B1Q La codificación multinivel incrementa el número de bits por baud, codificando un patrón de n bits en un patrón de m símbolos. Los diferentes símbolos perm ten erentes n ve es e se a . Se utiliza en la tecnología DSL (línea de abonado digital) para ofrecer una conexión líneas telefónicas de abonado.
10
Aleatorización Los esquemas bifásicos (Manchester), adecuados para enlaces dedicados entre estaciones en una , no o son a ecua os para comun cac n a arga s anc a, e o a que requieren un mayor BW. La codificación bipolar AMI tiene un BW más reducido y no crea una componente DC. Sin embargo, una larga secuencia de 0 provoca problemas de sincronización. Se puede utilizar AMI para largas distancias si se utiliza la aleatorización, técnica que sustituye una larga secuencia pulsos de nivel cero con una combinación de otros niveles. El sistema insertar los pulsos requeridos de acuerdo a reglas de aleatorización definidas. . AMI - B8ZS (AMI con sustitución de 8 ceros). Introduce cambios artificiales denominados violaciones. Si vienen ocho 0 seguidos, cambia el patrón en base a la polaridad del 1 anterior. Se usa en EE.UU y Japón.
AMI - HDB3 (Bipolar 3 de Alta Densidad). Introduce cambios cada vez que encuentra cuatro 0 consecutivos . Se basa en la polaridad e an er or y e n mero e es e la última sustitución. Se usa en el r esto del mundo. 11
3.-- Características de la transmisión digital 3. Inmunidad al ruido. La señal se regenera en el receptor con un Trigger o un amplificador operacional.
2 Detección de errores y corrección. Se han desarrollado técnicas para encontrar errores y corregirlos.
3 Compatibilidad con TDM. Permite transmitir varias señales por el mismo canal.
4 Procesamiento digital de señales. El procesador DSP permite comprimir los datos para ncremen ar a ve oc a e ransm s n y a macenar os, a em s e muc os o ros procesamientos no disponibles en técnicas analógicas.
5 Otra característica de la transmisión en banda base es que se requiere un medio con un BW incluso 10 veces mayor que el que se requiere con métodos analógicos. 12
El ruido y la relación S/N Ruido es cualquier energía eléctrica frecuencia de la señal deseada e interfiere con ella perturbando la comunicación.
El ruido térmico cons an e, e m s importante, produce este efecto .
n em argo, o que mporta es a re ac n e a potenc a e a se a y a potenc a e ru o. Esta relación S/N es una de las especificaciones más importantes de cualquier sistema de comunicaciones.
lo que se quiere (señal) y lo que no se quiere (ruido).
Una S/N baja indica que la señal está muy corrompida por el ruido. 13
4.-- Capacidad de información de canal 4. Según el análisis de Fourier, una señal digital es una señal analógica compuesta.
Una señal digital con una duración de bit de T/2 , requiere, para su transmisión, un canal paso a o con un m n mo gua a . or tanto, si la señal tiene 2 niveles, la velocidad de bit (v b ) puede expresarse como:
C = Capacidad de transmisión del canal, en bps. B = ancho de banda del canal, en Hz. 14
El canal paso bajo Para tener en el receptor una réplica exacta de una señal digital, se necesitaría un medio con un en re e n n o, que conserve a amp u e ca a uno e os componen es en que se descompone la señal digital. Tales medios no se tienen en la vida real: pero tampoco son necesarios, como se ha visto, pueden ignorar, además, si la señal recibida no es una réplica exacta, aún puede ser recuperada con técnicas de regeneración.
con diferentes BW . El de mayor BW soporta transmisiones a mayor ve oc a .
2 nodos se pueden comunicar usando señales muy grande, a través de un medio con un BW muy grande, como un cable coaxial o una fibra óptica.
rango de frecuencias que deja pasar. 15
Límites en la tasa de transmisión Una consideración importante en la transmisión de señales digitales es lo rápido que se pueden enviar por un canal, en bps. Depende de 3 factores.
El ancho de banda dis onible. Los niveles de señal que se usan. La calidad del canal (el nivel de ruido).
un canal sin ruido y la de Shannon para un canal ruidoso.
Canal sin ruido – Tasa de bits de Nyquist Nyquist define la máxima capacidad de transmisión teórica para un canal sin ruido. capacidad de transmisión del canal, en bps. , . número de niveles de voltaje transmitidos.
Se podría pensar que, dado un B específico, se puede conseguir cualquier velocidad . ,
.
Si se incrementan los niveles de la señal, se impone una carga en el receptor. Si los niveles son sólo 2, el receptor distingue fácilmente entre 0 y 1. Si los niveles son 64, el receptor debe ser muy sofisticado para distinguirlos. En otras palabras, incrementar los niveles de la señal reduce la fiabilidad del sistema.
16
Canal con ruido – Capacidad de Shannon Desafortunadamente, la capacidad de información de un canal no aumenta ilimitadamente , , canal real siempre tiene ruido. En 1944, Shannon desarrolló la fórmula denominada Capacidad de Shannon, para determinar la máxima tasa de bits teórica de un canal. capacidad de transmisión del canal, en bps. ancho de banda del canal, en Hz. relación señal a ruido como razón de otencias no en dB.
En esta fórmula, no hay indicación del nivel de señal, lo que significa que, sin importar los niveles que se tengan, no se puede conseguir una velocidad mayor que la capacidad del . , , transmisión.
Usando ambos límites En la práctica, es necesario usar ambos métodos para encontrar los límites y los niveles de la señal. La capacidad de Shannon da el límite superior. La tasa de bits de Nyquist dice cuántos niveles de señal son necesarios. 17
