Sistemas de Telecomunicación
Apuntes 2003-2004
Autor: Fernando Aguado Agelet
1 Introducción
Capítulo 1
2
Introducción
1.1 INTRODUCCIÓN HISTÓRICA Telecomunicación es toda emisión, transmisión y recepción de signos, señales, escritos e imágenes, sonidos e informaciones de cualquier naturaleza por hilo, radioelectricidad, medios ópticos u otros sistemas electromagnéticos. Esta es la definición internacional de telecomunicación establecida por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT). Telecomunicación es comunicación a distancia o intercambio de información a distancia. Para distinguirse de otros procesos de comunicación a distancia, como por ejemplo los servicios postales, en su acepción actual telecomunicación implica la utilización del fenómeno electromagnético, que es lo que permite la alta velocidad en que se produce la comunicación al propagarse la información a velocidades cercanas a la de la luz. Por poner un ejemplo, compárese el retardo sufrido por una señal eléctrica viajando a 3.108 m/s y una onda acústica (343 m/s) sobre una distancia de 5000 Km, que corresponde aproximadamente a una comunicación transatlántica. Tomando solamente en consideración dichos retardos pueden extraerse consecuencias acerca de la viabilidad de una y otras ondas para una comunicación bidireccional de larga distancia. Si se pretende hacer una cronología de las telecomunicaciones, se debe considerar a los investigadores del fenómeno electromagnético como precursores o antecesores de las telecomunicaciones, por ello algunos de los hitos principales sobre este campo están incluidos en la lista que se ofrece. Asimismo, también aparecen algunos hechos que suponen un avance tecnológico en el campo de la electrónica, lo que también supuso una contribución relevante al desarrollo de las telecomunicaciones: •
1819 Oersted: descubre la relación entre magnetismo y electricidad. Su trabajo es continuado por otros nombres importantes como Ampere, Faraday, etc.
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1834 Gauss y Weber experimentan un sistema telegráfico sobre la ciudad de Göttingen.
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1837 Morse establece los principios de la teoría de la información y codificación con su alfabeto basado en la frecuencia de aparición da las letras en el idioma inglés. Se trata de un sistema digital.
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1844 Morse consigue establecer el primer enlace telegráfico entre Washington y Baltimore (40 millas).
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1858 Se tiende un cable submarino que permitió la comunicación telegráfica intercontinental durante algo menos de un mes.
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1866 Se instala un nuevo cable submarino.
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1870 Se establece un enlace telegráfico por línea aérea y cable submarino entre Londres y Calcuta (1100 Km).
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1874 Eaudot inventa un sistema de multiplexaciones en el tiempo que permite combinar las señales telegráficas en la misma línea, alcanzando velocidades de transmisión de 97 bps.
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1876 Bell patenta (pocas horas antes que Elisha Gray) un sistema de transmisión de sonidos basado en el principio de una resistencia variable. Es el principio del teléfono. Se trataba de un sistema analógico.
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1891 Alman Strowger inventa un sistema de conmutación automática controlado por el terminal de teléfono de abonado.
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1897 Marconi funda la “Wireless Telegraph and Signal Company”.
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En 1899 transmite a través del Canal de la Mancha por radio, y en 1901 consigue transmitir un telegrama por radio entre Inglaterra y la costa Este de Estados Unidos cruzando el Atlántico.
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1902 Freseden consigue modular frecuencias de radio con voz humana. Es el inicio de la modulación analógica. Pero su empleo no se generalizó hasta que aparecen los amplificadores y moduladores de tubos de vacío.
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1907 Lee de Forest inventa el triodo, que permite definitivamente realizar la amplificación de señales analógicas y facilita la transmisión telefónica a larga distancia.
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En 1912 funcionaba un sistema de telefonía de costa a Costa a Costa de los Estados Unidos.
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1917 Aparece el primer sistema de portadora telefónica que permite la multiplexación en frecuencia de varias conversaciones telefónicas por un mismo par.
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1920 Comienzan a funcionar los primeros radioenlaces entre centrales telefónicas en California entre el continente y la isla de Santa Catalina.
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1927 Primer enlace telefónico transatlántico por onda corta.
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1938 Aleec Reeves inventa el sistema PCM o “Pulse Code Modulation” que permite la representación digital de información analógica.
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1940 Aparecen en esta década los cables coaxiales que permitían multiplexar mayor número de canales telefónicos.
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1948 Aparece el transistor.
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1950 Tras la segunda guerra mundial comienzan a proliferar los radioenlaces de microondas.
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1958 Un siglo después del primer ensayo para telegrafía, se pone en servicio el primer enlace telefónico por cable submarino que constaba de 51 repetidores.
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1962 El satélite Telestar I de baja altura permite la transmisión transatlántica de señal de TV.
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1965 Primer satélite Geoestacionario “éarly Bird” (Intelsat I).
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1980 Desarrollo de los enlaces por fibra óptica.
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1990’s Internet, telefonía móvil, Redes digitales, ...
La capacidad de transmisión de la información se relaciona con el concepto de ancho de banda. El concepto de ancho de banda relativo permite comprender que a mayor frecuencia de trabajo la capacidad de transmisión crece. La evolución de las comunicaciones a lo largo de la historia también ha supuesto el esfuerzo de avanzar en el espectro de frecuencias para potenciar la capacidad de transmisión de los enlaces.
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Introducción
1.2 ELEMENTOS DE UN SISTEMA
La siguiente figura muestra los elementos fundamentales de un sistema de telecomunicación:
Presentación
Fuente T | P| C
Medio
D | D| T
Figura 1.1 Elementos de un sistema de telecomunicación.
Observando la Figura 1 podemos distinguir los siguientes elementos: •
Fuente (source). Puede ser de naturaleza variada, como por ejemplo sonido, imagen, texto, etc. En una primera etapa se necesita producir una señal eléctrica que represente la información, por ello aparece el:
•
Transductor (source to signal encoder), que produce la señal eléctrica mencionada con arreglo a una codificación o formato. Así, un micrófono produce una señal eléctrica continua, cuyas variaciones representan las de la onda acústica que incide sobre él, la cámara produce una señal con formato de “señal de vídeo”, o una consola produce la señal digital correspondiente a determinado texto con arreglo a una cierta codificación.
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Procesador (signal to signal encoder). Las señales sufren determinadas operaciones o transformaciones antes de ser transmitidas por el medio, por ejemplo pueden ser sometidas a conversiones de forma analógica a digital, ponderaciones, filtrados, modulaciones, multiplexaciones, etc.
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Codificador de línea (Signal to medium encoder): Este segmento puede considerarse como una forma de procesado de la señal. Consiste en transformar las señales en otras que pueden ser enviadas directamente al medio. Por ejemplo las señales de televisión son ubicadas en una zona del espectro adecuada para su transmisión. Los equipos de este segmento presentan rendimientos diferentes en cuanto a frecuencia y potencia.
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Medio. El medio de transmisión puede ser natural (transmisión por radio) o artificial (transmisión por línea).
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Capítulo 1
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Decodificador de línea (Medium to signal encoder). Este proceso y los que continúan son los inversos de los descritos al principio. En este caso implica recepción de señales del medio.
•
Decodificador (signal to signal encoder). Las operaciones inversas a las establecidas anteriormente permiten llevar la información a su forma original.
•
Transductor (signal to sink encoder). Las señales eléctricas constituyen la entrada de estos sistemas, que permiten pasar a presentaciones de la información directamente interpretables.
•
Presentación (sink, recipient). Es el estado final de la información transmitida. Las señales se adaptan al medio mediante canales compartidos, lo que requiere la introducción de algunos conceptos.
•
Red: un conjunto de canales y dispositivos que permiten el enlace con los terminales.
•
Protocolos: Procedimientos definidos, formatos de mensajes que constituyen normas de acceso a los canales.
•
Ecualización:
•
Señales de ajuste y medida: Señales especiales que acompañan a las de información para adaptarse a los protocolos.
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Conmutación. Proceso necesario en toda red para el encaminamiento de señales.
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Multiplexación o multiplexación: Conjunción de varias señales en una sola con arreglo a unos protocolos para compartir un medio de transmisión.
•
Acceso Múltiple de usuarios a una red.
Toda señal que representa una determinada información y que se transmite por un medio y por unos equipos se ve sometida a perturbaciones y degradaciones que pueden afectar a la información que contiene. Así será necesario estudiar, cuantificar y modelar fenómenos tales como ruido, distorsión, interferencia, intermodulación, etc. y establecer parámetros de calidad de los sistemas. Terminal de telecomunicación es el conjunto del transductor y la parte de procesamiento directamente asociado. Los distintos terminales se conectan a una red. Un canal es el conjunto de equipos, facilidades y asignaciones en el espacio, tiempo y frecuencia para el transporte de una señal de determinada naturaleza dentro de una red de telecomunicación. Un Sistema de Telecomunicación es un conjunto formado por los terminales de telecomunicación y la red de telecomunicaciones, en la que se distinguen sistemas de transmisión y sistemas de conmutación.
1.2.1 Clasificación de los Sistemas de Telecomunicación Existen diferentes criterios para clasificar los sistemas de telecomunicación. A continuación se mencionan algunos de ellos a título de ejemplo, si bien pueden imaginarse otras muchas clasificaciones posibles.
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Introducción
En función del carácter bidireccional o unidireccional de la transmisión los sistemas pueden ser tal: •
Dúplex (full duplex). Transmisión bidireccional. La transmisión de la información se da simultáneamente en ambos sentidos. En ambos extremos existen terminales emisores y receptores y cualquiera de ellos puede interrumpir la comunicación. Ejemplo: telefonía convencional. No se debe confundir este término con el de sistema Díplex que consistente en transmitir dos informaciones de diferente naturaleza por un mismo portador (televisión, que presenta imagen y sonido simultáneamente).
•
Semiduplex (half duplex). Transmisión bidireccional. La información se transmite alternativamente en uno y otro sentido. Ejemplo: radiotelefonía móvil.
•
Símplex. Transmisión unidireccional. Ejemplo: Radiodifusión.
•
Por la forma de utilizar el medio los sistemas pueden ser:
•
Sistemas de transmisión a 2 hilos (two-wire). Los sistemas de transmisión pasivos (cables, fibras o el espacio libre) son por naturaleza bidireccionales. En un sistema a dos hilos (el concepto se generaliza con idéntico nombre para dos cables o dos canales de radio) se utiliza el mismo medio para los dos canales de comunicación de ida y vuelta. Ambos canales se separan mediante algún circuito no direccional como una bobina híbrida o un circulador, puesto que no existe separación en el tiempo o en la frecuencia.
•
Sistemas de transmisión a 4 hilos (four-wire). En este caso se utilizan dos canales unidireccionales aislados físicamente para los dos sentidos.
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Sistemas de transmisión a 4 hilos equivalentes (pseudo-four-wire). Se utilizan dos canales unidireccionales aislados, pero no físicamente, sino compartiendo el medio y realizando la separación en la frecuencia o en el tiempo.
•
Atendiendo a la forma de las señales los sistemas pueden ser:
•
Analógicos. En estos sistemas la señal se ve sometida a degradaciones debidas a presencia de ruido, distorsiones, diafonía etc. lo que hace necesario tener en cuenta determinadas limitaciones a la hora de diseñar y estructurar una red. Por todo ello el desarrollo de sistemas analógicos se ha visto frenado, ya que están en desventaja frente a los sistemas.
•
Digitales. En estos casos la degradación de las señales no se acumula debido al empleo de la regeneración. Presenta ventajas tecnológicas y económicas, y mayor flexibilidad para integrar sistemas de control y servicios adicionales.
1.3 SEÑALES DE TELECOMUNICACIÓN 1.3.1 Señales Analógicas y Digitales Una señal es para nosotros un flujo de potencia electromagnética variable en el tiempo (par ejemplo, un voltaje variable), de tal manera que de dichas variaciones constituyen una representación eléctrica de la información. •
Señales Analógicas. Se representan por funciones continuas en el tiempo. Un análisis de Fourier es interesante pues relaciona las características de la señal con la capacidad
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Capítulo 1
de los canales de comunicación, a través del concepto de ancho de banda de la señal y del canal. Otros parámetros importantes son la potencia media y potencia de cresta. Como ejemplos de señales analógicas pueden mencionarse las señales de audio y vídeo. La calidad de las señales se cuantifica par la relación de potencias entre la señal y ruido (S/N). •
Señales Digitales. Solo toman valores discretos. La representación de la información se lleva a cabo a través de símbolos establecidos con arreglo a ciertos códigos digitales. Uno de los parámetros más significativos es la velocidad de transmisión, ya sea establecida en bits/seg, en caracteres/seg, en palabras/seg etc. Otro parámetro importante es el nivel de la señal. En teoría la señal de pulsos rectangulares requiere un ancho de banda infinito, pero puede truncarse el ancho de banda, con el efecto de redondear su forma, pudiendo regenerarse la información a partir de los cambios de nivel de la señal. El ancho de banda asignado tiene relación con la velocidad de transmisión, y los parámetros de potencia con el nivel. Como ejemplo están las señal telegráfica (primera señal de telecomunicación en la historia) y las señales de datos. La calidad se establece por el parámetro de probabilidad de error, relacionado con el ruido presente.
1.3.2 Modulaciones Las señales normalmente no pueden transmitirse en su forma original (banda de base). Para su adaptación a los canales de telecomunicación, y el mejor aprovechamiento de la capacidad de los mismos, es preciso someterlas a procesos de modulación, que pueden ser de diferentes tipos. Se puede establecer una clasificación de acuerdo con la naturaleza de la portadora y de la señal moduladora. Modulaciones, de portadora analógica y moduladora analógica. •
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AM. Modulación de amplitud. Consiste en hacer variar la amplitud de una portadora sinusoidal con arreglo a las variaciones de la señal moduladora. Existen diferentes variantes: o
Doble banda lateral. (DSBDC=Double side-band supressed carrier). En la que se suprime la portadora que no contiene información.
o
BLU. Banda lateral única. (SSBSC=Single side-band supressed carrier). Donde se elimina una de las dos bandas laterales, cuya información es redundante.
o
BLR. Banda lateral residual. (VSB=Vestigial side band). En este caso se conserva la componente de bajas frecuencias en ambas bandas laterales, mientras que se suprime para una de aquellas la componente de altas frecuencias. Esto ocurre, por ejemplo, en la señal de vídeo, en que las componentes de baja frecuencia contienen una parte sustancial de la información.
o
BLI. (Banda lateral independiente) (ISB=Independent side band). En este sistema se combinan las bandas laterales superior e inferior de dos señales diferentes, y se combinan en una sola.
•
FM. Modulación de frecuencia. La frecuencia de la portadora varía con arreglo a las variaciones de la moduladora.
•
PM. Modulación de fase. Las variaciones de la señal afectan a la fase de la portadora.
Introducción
Modulaciones de portadora analógica y moduladora digital. •
ASK (Amplitude shift keying). (MDA=Modulación por desplazamiento de amplitud). La portadora está presente o ausente en función del nivel de la señal digital (caso binario).
•
PSK (Fhase shift keying). (MDF). La fase de la portadora varía de 0 a 2π según el nivel de la señal digital (caso binario). Existen modulaciones híbridas de amplitud, y fase y algunas variaciones de PSK:
•
QPSK Existen cuatro estados de fase que permiten codificar dos bits.
•
DPSK en que la fase de la portadora se establece en función de los cambios de nivel de la señal digital.
•
FSK (Frequency shift keying). La frecuencia de la portadora depende del nivel de la señal digital.
•
Modulaciones de pulsos.
•
PAM (Pulse amplitude modulation) (MIA=Modulación de impulsos en amplitud). La amplitud de los pulsos de un tren es proporcional al nivel de la moduladora en el instante de producirse el pulso.
•
PDM (Pulse duration modulation) ó PWM (pulse width modulation). (MID=Modulación de impulsos en duración). La señal moduladora controla la duración de los pulsos.
•
PPM (Pulse position modulation). (MIP=Modulación de impulsos en posición).
•
PCM (Pulse code modulation). (MIC=Modulación de impulsos codificados). Los niveles de una señal son discretizados y codificados en grupos de pulsos binarios.
•
DM (Delta modulation). Mediante un código de un solo dígito la señal digital sigue las variaciones (la derivada) de la señal moduladora.
1.3.3 Perturbaciones Existen diferentes causas de degradación de señales, que en general pueden denominarse perturbaciones. Algunas de ellas son: •
Distorsión. Variaciones de la forma de la señal a su paso por determinados circuitos en medios de transmisión. Pueden ser de tipo lineal (de amplitud o de fase), y, de tipo no lineal (o de frecuencia).
•
Intermodulación. Señales de frecuencias que son combinación lineal de las frecuencias componentes.
•
Diafonía. (Cross talk). Debida a problemas de acoplamiento electromagnético entre canales.
•
Ruido. Señal procedente de fuentes extrañas o indeseadas. Entre otros se puede hablar de ruido térmico, ruido impulsivo, ruido de antena, ruido de cuantificación, etc.
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Capítulo 1
1.4 MEDIOS DE TRANSMISIÓN Un sistema de telecomunicación ideal permitiría la transmisión de la información representada por señales eléctricas en forma de un flujo de potencia electromagnética que se propagaría por un medio en forma ideal hasta llegar a su destino, esta transmisión por un medio ideal tendría las siguientes características: •
La señal no sufriría distorsión alguna, lo que implica que la respuesta del medio fuese perfectamente lineal en amplitud y fase, sin que se introdujese ningún fenómeno de distorsión lineal ni intermodulación.
•
La condición anterior debería cumplirse fuese cual fuese el ancho de banda de la señal, y puesto que empleamos técnicas de multiplexación se pueden construir señales combinadas con ancho de banda tan grande como se desee. La banda de paso del medio debería ser infinita.
•
Toda la potencia introducida en el medio debería recibirse en el otro extremo sin que por el camino sufriese atenuación alguna.
•
En caso de haber varios medios físicos no debería haber acoplamiento electromagnético entre ellos y no se darían problemas de diafonía entre líneas.
•
El medio sería inmune a la presencia de señales exteriores consideradas como ruido.
Evidentemente los medios reales no van a cumplir las características anteriormente mencionadas. En un sistema de telecomunicación es necesario ser capaces de caracterizar los medios reales de transmisión, no de forma puramente teórica sino procurando cuantificar los parámetros que permiten establecer lo que se separan de la condición ideal. Estos parámetros tendrán una influencia decisiva sobre las características globales del sistema y condicionarán su diseño. Los parámetros interesantes son entre otros: • • • •
Ancho de banda. Atenuación. Acoplamiento entre líneas. Respuesta en frecuencia.
Para su caracterización y cuantificación se utilizan análisis electromagnéticos, experimentales y procedimientos estadísticos. Los medios de transmisión se van a dividir en dos tipos, los que caracterizan dos tipos de transmisión diferentes: • •
Medios de transmisión en línea. Medios de transmisión por radio.
1.4.1 Medios de transmisión en línea •
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Línea aérea de hilo desnudo: Está formada por hilos conductores sin recubrimiento aislante. Pueden ser de pares separados una cierta distancia. El caso de la llamada línea telegráfica consiste en un hilo único sobre tierra. Esta última puede analizarse igual que la primera utilizando teoría de imágenes. Las características de estas líneas pueden extraerse del procedimiento que se describe a continuación para los cables de pares.
Introducción
•
Cable de pares (Twisted Pair Cables): Un medio de transmisión sencillo es el formado por dos hilos recubiertos por un aislante. En realidad se construyen cables que contienen un cierto número de pares aislados. En esta introducción es suficiente recalcar que las características de transmisión de esta línea como su impedancia, constante de propagación, atenuación, etc. (parámetros secundarios) que pueden determinarse a partir de otros parámetros circuitales que se deducen de un modelo electromagnético. Dichos parámetros son: o o o o
Capacidad entre conductores C. Resistencia de pérdidas de los conductores R. Conductancia de Pérdidas en el aislante (G). Inductancia (L).
Mediante estos parámetros circuitales puede modelarse la línea de transmisión como una sucesión de cuadripolos pasivos en cascada. Un simple análisis circuital permite deducir que la característica de transferencia de la entrada a la salida depende del número de cuadripolos que se consideren (n) y por tanto de la longitud de línea que modelan (d) a través de la siguiente expresión:
Vout = K n = Cd Vin La atenuación expresada en decibelios será, por tanto proporcional a d, siendo la constante de proporcionalidad la denominada constante de atenuación que se expresa en dB/m.
⎛V ⎞ 20 log ⎜ out ⎟ = −α d ⎝ Vin ⎠ con α = −20 log(C ) Esta propiedad es inherente a los medios de transmisión en línea, los decibelios de atenuación son proporcionales a la distancia. Por otra parte, como los parámetros primarios dependen de la frecuencia, los parámetros secundarios también presentarán esa dependencia. Puede establecerse una característica de transferencia con la frecuencia lo que determinará algunas consecuencias: • •
Establecimiento del ancho de banda del medio en función de una atenuación umbral, o por consideraciones acerca de la linealidad de la función de fase. Necesidad de introducir circuitos o elementos de ecualización. En el caso de las líneas de pares se introducen bobinas de carga (loading coils).
Estos y, otros aspectos, como el acoplamiento entre líneas, depende de la temperatura etc, y se analizarán en un capítulo posterior. •
Cables coaxiales: Un análisis electromagnético de la línea de transmisión formada por dos conductores cilíndricos indefinidos coaxiales permite establecer sus parámetros primarios y secundarios. Para extraer conclusiones sobre la atenuación es necesario tener en cuenta el efecto pelicular o concentración de las corrientes sobre la superficie del conductor para altas frecuencias. Las consecuencias principales que se extraerán del análisis es el mayor ancho de banda respecto de los pares balanceados, que dicho ancho de banda depende también del diámetro de los conductores, y de la necesidad de ecualización para largas distancias y para utilización de un ancho de banda mayor. Otra ventaja del coaxial es su apantallamiento electromagnético, lo que reduce considerablemente los problemas de diafonía entre líneas.
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1.4.2 Fibras Ópticas. La primera transmisión por medios ópticos de la historia fue desarrollada por Bell, la idea consistió en proyectar un haz de luz solar enfocado por una lente sobre un espejo que vibraba de acuerdo con la presión acústica. El haz se propaga por el aire e incide sobre un sensor consistente en una célula fotoeléctrica de selenio, cuya resistencia dependía de la luz incidente. Una corriente continua sobre dicha célula sería por tanto modulada por la señal óptica procedente del “micrófono óptico”. Bell llamó a su invento “Photophono”. No tuvo mucho éxito práctico y tuvieron que transcurrir cien años para que se desarrollaran las comunicaciones ópticas por fibras dieléctricas. En 1966 Kao y Hockham propusieron la utilización de fibras de vidrio como medio de transmisión, pero en esa época las atenuaciones son del orden de 1000 dB/Km, lo que lo hacía inviable. Actualmente una fibra de sílice presenta atenuaciones de 2 a 3 dB/Km en la denominada primera ventana (800 a 900 nm de longitud de onda), y atenuaciones inferiores a 0,5 dB/Km en las ventanas segunda y tercera (1200-1300 nm y 1500-1600 nm). Entre las ventajas de las fibras ópticas están: • • • • • • •
Facilidad de instalación debido a su pequeño tamaño y peso. Disponibilidad de materias primas (compuestos de sílice). Baja atenuación. Gran ancho de banda, lo que permite una gran capacidad de canales de comunicación y la introducción de diferentes servicios Baja diafonía entre líneas. Escasa distorsión de amplitud y fase. Estabilidad de los parámetros de transmisión frente a variaciones climáticas.
La propagación sobre una fibra óptica puede estudiarse mediante un análisis modal o mediante modelos de óptica geométrica (teoría de rayos). Existen tres tipos de fibras ópticas:
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•
Fibras de salto de índice. Se tiene una fibra con un núcleo de índice de refracción n1 y un recubrimiento de índice n2
•
Fibras de índice gradual. El índice decrece del centro de la fibra hacia fuera con arreglo a un determinado perfil. Las trayectorias de los rayos se curvan sobre el eje. Como la zona central es la de mayor índice pero donde las trayectorias son mas curvas, la velocidad global de propagación de las diferentes trayectorias puede ser similar mediante una variación adecuada del perfil de índice.
•
En función del número de modos que puede transmitir, las fibras ópticas se pueden dividir en:
•
Fibras monomodo. Admite la propagación de un solo modo (o una trayectoria de rayos).
•
Fibras multimodo. Admiten la propagación de más de un modo.
Introducción
Desde el punto de vista tecnológico la fibra monomodo es la más difícil de construir y de conectar, y la más sencilla es la multimodo. Sin embargo, de cara, a la capacidad de transmisión la más ventajosa es la monomodo. Ello es debido al efecto de dispersión. La dispersión es un fenómeno que tiene el efecto de deformar los pulsos rectangulares de luz haciendo la fibra inoperante si la velocidad de transmisión es excesiva. Obedece a diferentes causas entre las que se pueden destacar: •
Los caminos de propagación dentro de la fibra son diferentes para los diferentes modos (o trayectorias de rayos), lo que hace que los distintos modos en que se descompone la excitación alcancen el otro extremo de la guía en tiempos diferentes (dispersión modal). Este fenómeno es muy acusado en las fibras multimodo.
•
Los pulsos no son puramente monocromáticos sino que pueden tener diferentes componentes espectrales. Como los índices de refracción dependen de la longitud de onda, se tiene que las diferentes componentes espectrales también se propagan a velocidades diferentes.
1.4.3 Medios de transmisión por radio La utilización del medio natural para la transmisión requiere fundamentalmente el análisis de dos aspectos: 1. Caracterización de los elementos radiantes o antenas que adaptan la onda electromagnética en la línea para que se propague en la atmósfera. Será necesario establecer algunos parámetros de las antenas que es necesario cuantificar para poder introducirlos en el diseño global de los sistemas. Se establece un patrón de radiación denominado isotrópico que radia igual potencia en todas las direcciones del espacio. Si la potencia total radiada por una antena isotrópica es Pi, la densidad de potencia a una distancia r será Pi/(4πr2) . Una antena no radia por igual en todas las direcciones, sino que lo hace con arreglo a una función denominada directividad o ganancia directiva G(ϕ,θ), que representa la densidad de potencia en cada dirección dividida por la que produciría una antena isotrópica que radiase la misma potencia total. La densidad de potencia radiada en una dirección cualquiera G(ϕ,θ) a una distancia r será: PiG(ϕ,θ)/(4πr2). Dependiendo de la forma de G(ϕ,θ) las antenas pueden ser onmidireccionales (utilizadas, por ejemplo, en radiodifusión), o direccionales (utilizadas en radioenlaces fijos). 2. La propagación de la onda esférica en el espacio libre viene determinada por el término 1/r2 con que decrece la densidad de potencia con la distancia, ya que la antena receptora recogerá una potencia proporcional a la densidad de potencia de la onda que le llega. La atenuación en dB no es proporcional a la distancia sino a su logaritmo. Por ello, para largas distancias puede estar en ventaja frente a la transmisión en línea. Pero la propagación no se produce con las condiciones ideales de espacio libre, sino que en el medio real obedece a ciertos mecanismos de propagación que introducen unas pérdidas adicionales que pueden llegar a ser importantes. Entre los mecanismos de propagación se pueden destacar los siguientes: •
Onda de superficie. Que se da para las bandas de VLF, LF, MF y HF. La onda viaja a lo largo de la superficie de la tierra siguiendo su curvatura, como resultado de las corrientes que se inducen sobre la superficie. Se consiguen alcances hasta cientos de Km dependiendo de la frecuencias.
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Capítulo 1
•
Onda ionosférica. Es el mecanismo de propagación fundamental en HF para conseguir largos alcances (varios miles de Km). La onda sufre una brusca refracción en la ionosfera a causa de la variación gradual con la altura del índice de refracción. A los efectos es como si la onda se reflejase en la ionosfera volviendo hacia la superficie tras un salto. Pueden darse varios saltos encadenados por reflexión combinada ionosferasuperficie.
•
Dispersión Troposférica. Se produce a frecuencias mayores por la incidencia de la onda sobre agrupaciones de partículas o turbulencias de la troposfera, que hacen que la onda se disperse en todas direcciones pudiendo ser recibida en la tierra tras una propagación transhorizonte. La eficacia de este mecanismo es baja apareciendo términos de pérdidas elevados.
•
Propagación por visión directa. Es el mecanismo empleado en sistemas de VHF, UHF y microondas. La onda se propaga directamente entre dos puntos con visión directa. El efecto de la atmósfera y la presencia de la tierra se traduce en diferentes efectos a considerar: refracción por la estratificación de la atmósfera que produce curvatura de los rayos, atenuación dependientes de las condiciones meteorológicas, presencia de ondas reflejadas en el suelo, presencia de obstáculos, etc. Los enlaces tierra satélite en este tipo de propagación.
1.5 REDES DE TELECOMUNICACIÓN 1.5.1 Tráfico y conmutación Desde la misma aparición del servicio telefónico a finales del siglo pasado existe la necesidad de implantar centrales de conmutación, para facilitar que el volumen de tráfico telefónico pudiera ser satisfecho con unos recursos limitados en cuanto a líneas físicas existentes y enlaces entre ellas. Una red telefónica en la que todas los abonados estuviesen conectados con todos es inviable económicamente. Si se tienen N abonados en una central, y considerando únicamente las comunicaciones internas, el numero n de comunicaciones telefónicas que se desea servir simultáneamente determina el dimensionamiento de la central, y con ella su coste. Otro ejemplo que permite resaltar la importancia del tráfico telefónico es el de dos ciudades con 10000 habitantes cada una. Si se emplea un único canal entre ambas ciudades su rentabilidad será alta pero la calidad del servicio será ínfima. Si se emplean 10000 canales, la calidad del servicio será perfecta, pero la inversión sería ruinosa. Entre ambos extremos está el dimensionado óptimo de la red para dar un servicio aceptable con una inversión razonable. Ello requiere el estudio de una teoría denominada Teoría de Colas, en la que se combinan factores como la frecuencia de solicitudes de un servicio, la modalidad en que es atendido o el número de servidores para sacar conclusiones como la probabilidad de que un servidor esté ocupado, o el tiempo medio de espera, que permiten cuantificar la rentabilidad de una inversión o calidad de un servicio. En cuanto a los sistemas de conmutación, dado el estado de la tecnología en el momento de la aparición del servicio telefónico, se comenzó por emplear procedimientos manuales. Con el volumen de tráfico actual, y las técnicas de entonces, la mitad de la población estaría empleada por las compañías telefónicas para hacer posible el servicio. El primer sistema automático de conmutación fue inventado por A.B.Strowger, quien sintió perjudicado su negocio por la presencia de la esposa de la competencia como operadora en la central. El principio de conmutación que propuso se denomina “paso a paso” y se basaba en un conmutador de doble movimiento que se controlaba con los pulsos producidos por el dial del abonado. Con el primer dígito se producía un número de impulsos (1 a 10) que controlaban el movimiento vertical de un conector que seleccionaba una fila dentro de un cilindro con 10x10
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Introducción
contactos. El segundo dígito produce un movimiento horizontal que selecciona uno de los 10 contactos de la fila. De este modo con una marcación automática de dos dígitos podían direccionarse 100 abonados. Para un óptimo dimensionado de centrales, varios abonados compartían estos conmutadores mediante preselectores asociados a cada abonado que buscaban automáticamente una línea libre entre sus salidas conectadas a conmutadores de doble movimiento compartidos. Las salidas de los preselectores de diferentes abonados se conectaban en paralelo hacia las entradas de los conmutadores de doble movimiento. Este principio de selección automática y conexión de salidas en paralelo permite dimensionar la central de conmutación de una forma óptima. El principio de conmutación “paso a paso” resultaba incómodo pues el abonado controlaba no sólo el número de abonado de destino sino la ruta a seguir, en caso de haber varios caminos posibles. Aparece posteriormente el sistema de “matrices de conmutación”. Las matrices de conmutación presentan N líneas de entrada y M de salida y es posible activar cualquiera de NxM contactos mediante sistema de barras cruzadas, contactos de tipo relé, u otros sistemas de dispositivos semiconductores o integrados. El dimensionamiento de una central implica el uso de varias etapas de matrices de conmutación en lugar de matrices excesivamente grandes que asegurarían un servicio global pero un coste excesivo. El uso de varias etapas líneas limita la capacidad, pero puede ajustarse al volumen de tráfico esperado.
1.5.2 Topología de redes La interconexión entre centrales, más en general entre nodos de comunicaciones obliga a establecer unas ciertas topologías o estructura de red, que puede ser: •
Conexión total (mesh network). Sólo resulta rentable si el número de nodos es escaso y el volumen de tráfico elevado.
•
Red en estrella (star network). Es la más usual y requiere el uso de nodo o centrales de tránsito. Tiene una estructura jerarquizada pero puede presentar conexiones directas como caminos alternativos.
•
Red lineal (huls network).
•
Red en anillo (ring network)
1.5.3 Clasificación de redes Un posible criterio de clasificación se basa en la topología establecida anteriormente. Existe otro criterio basado en la ruta que sigue la información: •
Redes Conmutadas. La información viaja de nodo a nodo desde un origen hasta un destino. La red se encarga de elegir una ruta entre las posibles y realizar las conexiones y las transmisiones necesarias. Existen varios tipos de conmutación: o
Redes de difusión. El terminal de origen vuelca la información en el medio de transmisión, y es recibida por todos los terminales, que seleccionarán la que necesita.
13
Capítulo 1
o
Conmutación de circuitos. Se establece una conexión física entre los terminales, que mantiene dicha conexión mientras dura la comunicación y se desactiva una vez finalizada ésta. La conmutación de circuitos puede ser espacial o temporal. La primera es la basada en matrices de conmutación, y la segunda se utiliza en sistemas múltiplex por división en el tiempo.
o
Conmutación de mensajes. La información es agrupada en forma de mensajes. Cada nodo identifica al siguiente y envía el mensaje completo. Una vez recibido, el nodo receptor repite la operación hasta alcanzar el destino final.
o
Conmutación de paquetes mediante circuito virtual. Los mensajes se fragmentan en paquetes. En primer lugar se establece una conexión identificando una ruta de nodos mediante un paquete especial de petición de comunicación. Una vez establecida la ruta comienza el envío de paquetes del primer nodo al segundo. Este no espera la recepción del mensaje completo, para transmitir sino que se envía la información paquete a paquete. La necesidad de almacenamiento en nodos intermedios es menor.
o
Conmutación de paquetes mediante datagramas. No se establece una ruta previa por lo que los paquetes se envían independientemente pudiendo alcanzar el destino tras seguir rutas diferentes con tiempos de transmisión diferentes.
1.5.4 Digitalización e integración de redes. Actualmente se tiende a la digitalización de las redes, de forma que se produzca una integración digital de la transmisión y la conmutación de las redes. Así aparece el concepto de Red Digital Integrada (RDI) o Integrated Digital Network (ISD). También se plantea la utilización de una sola red digital de banda ancha para diferentes servicios que utilizan señales de distinta naturaleza. Este concepto se conoce con el nombre de Red digital de servicios integrados (RDSI) o Integrated Services Digital NetWork (ISDN). Existe un modelo estandarizado para definir la arquitectura y protocolos en el que se basa el funcionamiento de una red. El modelo es conocido como modelo de arquitectura de red. El modelo se conoce con el nombre de OSI debido a las siglas Open Systems Interconection.
1.6 SERVICIOS DE TELECOMUNICACIÓN 1.6.1 Generalidades. Clasificación Un servicio de telecomunicación es un conjunto de medios físicos y lógicos que son operados y gestionados por un proveedor y puestos a disposición de unos clientes para satisfacer determinada necesidad en materia de telecomunicación. Se distinguen los siguientes elementos:
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•
Un proveedor, que puede ser o no el propietario de los medios, pero es quien los gestiona y explota.
•
Medios físicos (líneas de transmisión, equipos, etc).
•
Medios lógicos (formatos, protocolos, señalización).
•
Clientes.
•
Información intercambiada (voz, imagen, datos, textos, etc).
Introducción
Existen diferentes criterios de clasificación de servicios. Veamos a continuación algunos de ellos: •
•
•
•
•
•
Clasificación de la UIT-T o
Servicios portadores. Proporcionan la capacidad de red para transmisión de información entre terminales de usuario normalizados y suministran protocolos de acceso a la red. No incluyen los terminales. Comprenden funciones de las capas 1 a 3 del modelo OSI. Ejemplos: transmisión por la red telefónica pública con conmutación, por la red pública con conmutación de paquetes, o por circuitos alquilados.
o
Teleservicios. El proveedor establece la normativa de uso del servicio, establece la homologación de terminales y equipos para adecuarse a la red portadora. De este modo se consigue la capacidad completa de comunicación entre usuarios. Los terminales están incluidos. Como ejemplos están la telefonía, telefax, teleconferencia y los servicios de valor añadido.
Clasificación por el carácter (básico o suplementario). o
Básico: Tienen entidad propia. Ejemplo: servicio telefónico.
o
Suplementarios. Constituyen facilidades asociadas a un servicio básico. Ejemplo: marcación abreviada, desvío de llamadas etc.
Clasificación según el colectivo de usuarios: o
Servicios de intercomunicación, que atienden a dos usuarios o a un número reducido (caso de teleconferencias).
o
Servicios de comunicación social. Comunicaciones, generalmente de carácter unidireccional, dirigidas a la población de una zona (radiodifusión, televisión).
Clasificación conforme a las transacciones de información: o
Servicio comerciales. Atienden las necesidades de la industria y el comercio.
o
Servicio particulares.
Clasificación por el tipo de información: o
Servicios de comunicación de voz, datos, imágenes, texto, etc.
o
Servicios de teleacción o telemando.
o
Servicios de telealarma.
o
Servicio de telemedida.
Clasificación por la anchura de banda: o o
Servicios de banda ancha. Servicios de banda estrecha.
15
Capítulo 1
•
Clasificación por el tipo de red en que se soporta: o o o o
•
Clasificación según el modo en que se efectúa la comunicación: o o o o
•
Red telefónica pública con conmutación (RTPC). Red pública con conmutación de paquetes (RPCP). Red digital de servicios integrados (RDSI). Redes de radiodifusión.
Servicios conversacionales. Servicios de consulta. Servicios de mensajería. Servicios de difusión.
Por la movilidad del usuario o o
Servicios fijos. Servicios móviles.
Existe una forma de designar a los servicios en cuanto a sus características técnicas, ya sean vistos desde el punto de vista de usuario o del proveedor. Se trata del método de designación de los servicios por el método de atributos. Se pueden establecer muchas características o atributos de designación Aquí se recogen como ejemplo algunos de ellos, así como diferentes valores que pueden tomar: • • • • • • • • •
Modo de transferencia (transporte y conmutación) de la información (Circuito, Paquete). Velocidad de transferencia de información (x bit/seg). Capacidad de transferencia de información. (Digital sin restricciones, Conversación, Audio a 3.1 KHz, Audio a 7 KHZ, Vídeo, ... ). Anchura de banda (Ancha, Estrecha). Establecimiento de la comunicación (Demanda, Reservado, Permanente). Simetría (Unidireccional, Bidireccional simétrica, bidireccional asimétrico). Configuración de la comunicación (punto a punto, punto multipunto, multipunto). Protocolos de acceso. Servicios suplementarios proporcionados. Calidad del servicio: fiabilidad y disponibilidad.
1.6.2 Servicio telefónico El servicio telefónico permite la comunicación oral entre usuarios. A lo largo de la historia, ha sido el servicio que mayor demanda ha tenido y que ha acarreado los mayores avances en el desarrollo de las telecomunicaciones, tanto por la investigación en nuevos equipos y tecnología, como por las inversiones en infraestructura de redes de telecomunicación. Las redes de las compañías telefónicas han servido para la implantación de otros servicios, como por ejemplo los de transmisión de datos. Las redes telefónicas pueden ser analógicas o digitales. •
16
Telefonía analógica: Las señales de voz se transmiten en banda base desde el terminal de abonado hasta la central. Una vez allí, los canales se pueden transmitir en banda base
Introducción
(sistemas BF) o multiplexados en frecuencia (sistemas BDF ó AF). En algunos casos (radioenlaces) la señal MDF modula a su vez una portadora de radiofrecuencia. La conmutación se efectúa de forma electromecánica por división en espacio. El antiguo sistema de control de lógica cableada y relés ha sido sustituido por control electrónico mediante ordenadores. Las redes telefónicas analógicas pueden emplearse para señales no vocales, como telegrafía y transmisión de datos, requiriendo la presencia de un módem para la transmisión de las señales por la línea de abonado. •
Telefonía digital: Actualmente las redes digitales para telefonía abarcan a los segmentos de conmutación y transmisión entre centrales, y las líneas de abonado empiezan a ser digitales. La digitalización comenzó en las líneas entre centrales locales y progresa por la red interurbana o de larga distancia, utilizando portadores de gran capacidad como fibras ópticas o radioenlaces digitales. La conversión se realiza por el sistema MIC en 8 bits según la ley A empleando canales de 64 kbits/s. Se utilizan técnicas de multiplexión digital. La conmutación se efectúa por división en el tiempo. La coexistencia de conmutación y transmisión analógica y digital obliga a una conversión de señales que es onerosa e introduce degradaciones.
1.6.3 Servicio de transmisión de datos El servicio de transmisión de datos permite el intercambio de información o diálogo de entre ordenadores entre sí o de estos con terminales manejados por el hombre. Son sistemas de naturaleza digital, que permiten el manejo remoto de ordenadores, el trabajo de estos en tiempo real o tiempo compartido, el acceso a bases de datos etc. El empleo de la red telefónica preexistente permite el desarrollo de este servicio, pero plantea problemas para la adaptación a estas redes, tanto por las señales como por la topología de la red y sus sistemas de conmutación. Las señales digitales son transformadas por un módem (modulador demodulador), que generalmente responde a modulaciones digitales en frecuencia o fase (con portadora analógica). Para la adaptación del servicio a la topología y formas de conmutación de la red telefónica se han empleado varios métodos: •
Utilización de la red telefónica con conmutación. Se fabrican módems con llamada/respuesta automática. Puede incluso realizarse con un terminal telefónico convencional dotando al módem de un acoplador acústico. En la red conmutada a la velocidad de transmisión está limitada a 56000 bps con compresión.
•
Utilización de la red telefónica dedicada. Se alquilan líneas punto a punto, que pueden ser acondicionadas especialmente para transmisión de datos a mayor velocidad. Se trata un servicio portador.
•
Utilización de redes especiales. La gran demanda de transmisiones de datos ha impulsado a las administraciones telefónicas a desarrollar redes especiales, como las redes de datos con conmutación de paquetes.
1.6.4 Servicios de radiocomunicación Los servicios de radiocomunicación tuvieron desde sus comienzos dos aplicaciones particulares en que los sistemas de transmisión en línea no podían competir: servicios móviles y servicios de radiodifusión o de gran público. El gran alcance de los señales (por ejemplo en HF), y la gran capacidad de los enlaces de microondas hicieron que también se implantaran enlaces radio para las redes convencionales de telefonía o telegrafía. El nombre original de las radiocomunicaciones fue “telegrafía sin hilos”. La aparición y explotación de satélites de
17
Capítulo 1
comunicaciones es otro hito importante en el desarrollo de las radiocomunicaciones. Son muchos los servicios de telecomunicación basados las radiocomunicaciones. La UIT en su reglamento de radiocomunicaciones habla de los siguientes: • • • • • • • •
Servicios fijos. Servicios móviles. Servicios de Radiodifusión. Servicios de Radiodeterminación. Servicios de Radionavegación. Servicios de Radioastronomía. Servicios de Radioaficionados. Servicios de frecuencias patrón y señales horarias.
1.6.5 Otros servicios telemáticos Existen una amplia gama de servicios de telecomunicación que aúnan la transmisión con un cierto grado de procesamiento informático. Estos servicios facilitan a los usuarios el acceso a bases de datos de una forma interactiva. Algunos de ellos pueden tener un carácter de amplia difusión y otros se restringen a aplicaciones profesionales y comunicaciones de empresa. Se apoyan en la infraestructura de transmisión de otras redes: • • • •
Red telefónica pública por conmutación de circuitos(RTPC). Red pública de datos por conmutación de paquetes (RPCP). Red Télex. Red digital de servicios integrados (RDSI). Algunos de estos servicios son:
• • • • • • • • • •
Facsímil (Telefax, Burofax, Datafax). Teletex, Videotex, Teletexto. Correo electrónico. Mensajería. Cobro revertido automático. Telepago. Telefonía personal. Llamadas masivas. Televisión por cable. Televisión de alta definición.
1.7 ORGANISMOS DE NORMALIZACIÓN La evolución de los servicios de telecomunicación es de vital importancia en el desarrollo de los países. Las telecomunicaciones mueven inversiones que igualan las de otras actividades de enorme importancia como energía, automoción, siderurgia, etc. No puede mantenerse el progreso económico social y cultural de los países sin un adecuado desarrollo de los servicios de telecomunicación. Esto hecho, unido al carácter supranacional que pueden tener las telecomunicaciones ha hecho que aparezcan organismos a distintos niveles que tratan de regular el uso de los recursos de telecomunicaciones para un óptimo aprovechamiento de los mismos, y para facilitar la evolución de los servicios. Las distintas administraciones dictan normas de homologación de equipos y proceden a la homologación de los mismos cuando
18
Introducción
cumplen dichas normas. Existen organizaciones nacionales e internacionales que, basadas en estudios técnicos, recomiendan normativas cuya finalidad es facilitar las telecomunicaciones a escala mundial.
1.7.1 Unión Internacional de Telecomunicaciones La UIT (ó ITU) es una asociación voluntaria de países, que depende de la ONU. Los representantes gubernamentales se reúnen periódicamente en Conferencias y elaboran de común acuerdo normas, reglamentos y recomendaciones UIT para los servicios de telecomunicación. Las finalidades de la UIT, según el artículo 4 del Convenio son: Mantener y ampliar la cooperación internacional para el mejoramiento y empleo racional de toda clase de telecomunicaciones. Favorecer el desarrollo de los medios técnicos y su más eficaz explotación, con el fin de aumentar el rendimiento de los servicios de telecomunicaciones, acrecentar su empleo y generalizar lo más posible su utilización por el público. Armonizar los esfuerzos de las naciones para la consecución de fines comunes. La UIT comprende los siguientes órganos: • • • •
Conferencia de Plenipotenciarios (órgano supremo). Conferencia Administrativas. Consejo de administración. Organismos permanentes: o o
Secretaría general UIT-T. Antiguamente Comité Consultivo Internacional Telegráfico y Telefónico (CCITT). Aunque su nombre data de una época en que no se hablaba de transmisión de datos, telefonía, etc. La UIT sigue de cerca la evolución técnica de las telecomunicaciones (excepto los aspectos específicos da las radiocomunicaciones, que corresponden a otro comité). En los trabajos de la UIT intervienen también empresas privadas de explotación de servicios y organismos científicos o industriales interesados. El trabajo se realiza mediante diferentes comisiones de estudio, que a su vez se subdividen en Grupos y Equipos de trabajo, y encargan temas específicos a redactores especiales. Existen también los Grupos alternativos especializados para la realización de estudios estratégicos y de planificación sobre temas concretos. El órgano fundamental del UIT es su Asamblea General, que se reúne cada 4 años para aprobar las recomendaciones elaboradas por las comisiones de estudio y reorganizar las mismas. El fruto de esta asamblea son los libros de Recomendaciones, caracterizados y designados por el color de sus tapas.
o
UIT-R. Antiguamente Comité Consultivo Internacional de Radio (CCIR). Aborda aspectos relacionados con las radiocomunicaciones. Su organización es similar a la del CCITT. Adicionalmente, se encarga de las tareas con las que contaba la Junta Internacional de Registro de Frecuencias (IFRR), tales como la asignación de bandas de frecuencia para los diferentes servicios de radiocomunicación.
19
Capítulo 1
1.7.2 Organizaciones internacionales para comunicaciones por satélite •
INTELSAT (International Telecommunicactions SATellite Consortium) es una asociación de países, con la finalidad de compartir la propiedad, la financiación y la explotación de satélites (sin incluir las estaciones terrenas).
•
INMARSAT (INtErnational MARitime SATellite Organization) proporciona servicios de telecomunicación para barcos. La red de INMARSAT consiste en tres satélites sobre el Atlántico, el Pacífico y el índico.
1.7.3 Otros organismos •
ISO (International Standaritation Organization) es una organización que agrupa los organismos nacionales de normalización de 72 países, más 17 entidades de normalización no oficiales. Su objetivo es normalizar equipos, fundamentalmente con aplicaciones telemáticas, para facilitar la interconexión entre ellas.
•
CEPT (Conferencia Europea de Administraciones de Correos/Telecomunicaciones) tiene como objetivo la armonización de las redes y servicios de telecomunicación en Europa, llegando a un grado de normalización más profundo que el que se deriva de las recomendaciones de la UIT, que en muchos casos deja abiertas un cierto número de opciones. Está constituido por administraciones de correos y telecomunicaciones de países europeos miembros de la UIT. Se compone de diferentes comités y grupos de trabajo.
•
UER (Unión Europea de Radiodifusión) juega un papel similar al del organismo anterior para los servicios de radiodifusión, en relación con las recomendaciones del UIT-R.
1.7.4 Algunas direcciones en Internet Actualmente, se pueden obtener informaciones gratuitas en Internet en los portales de los diferentes organismos de normalización. Entre las más visitadas, se puede destacar:
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•
http:\ \ www.etsi.fr (Portal de ESTSI).
•
http:\ \ www.itu.ch (Portal de UIT).
2 Señales
Capítulo 2
22
Señales
2.1 REPRESENTACIONES LOGARÍTMICAS Habitualmente nos encontramos con que debemos comparar diferentes valores de magnitudes entre sí. Estas comparaciones las podemos realizar en unidades naturales o en unidades logarítmicas. Las relaciones en unidades naturales se basan en dividir entre sí dos valores expresados en la misma escala. Las relaciones en unidades logarítmicas se obtienen tras realizar un logaritmo al cociente en unidades naturales. Por consiguiente, tanto unas como otras son relativas y no tienen dimensión.
2.1.1 Generalidades Los motivos por los que se usan las representaciones en escalas logarítmicas son: •
Convierten los productos en sumas y las divisiones en restas, por lo que son más sencillas de manejar.
•
Representan correctamente el comportamiento de ciertos sentidos, como el oído y el ojo cuyas respuestas son proporcionales a escalas logarítmicas.
•
Reescalan las magnitudes haciendo que existan menos diferencias entre los valores máximos y los mínimos. Por ejemplo, en unidades naturales, la relación entre potencia emitida y recibida puede estar en un orden de 10-12 o menor aún, y esa medida tiene poco significado ya que está muy próxima al cero, pero si hacemos el logaritmo en base 10 de esa relación nos dará –12, y ésta ya es una medida fácil de visualizar. Las unidades logarítmicas tienen la forma general:
⎛x ⎞ k .log n ⎜ 2 ⎟ ⎝ x1 ⎠ donde: • n es la base del logaritmo, y suele ser base e (logaritmo neperiano) ó 10. • K es un factor de proporcionalidad. • 1 y 2 son los índices de las dos medidas que se relacionan, las cuales pueden ser: o
Los valores en el mismo punto en dos instantes de tiempo diferentes, lo cual nos da una medida de la evolución temporal de la señal medida.
o
Los valores en puntos diferentes en el mismo instante de tiempo, que nos dará la medida de la atenuación o de la amplificación que hay entre esos dos puntos.
o
El valor de una magnitud relacionado con una referencia x2, denominándose nivel a la indicación logarítmica.
23
Capítulo 2
2.2 EL DECIBELIO La indicación logarítmica más utilizada es el decibelio, que en el caso de relacionar potencias, tiene la expresión:
⎛P ⎞ A = 10.log10 ⎜ 2 ⎟ (dB) ⎝ P1 ⎠ Cuando A es positivo, a esta indicación se la denomina ganancia del dispositivo o sistema. Si A es negativo se la denomina atenuación o pérdida. En ambos casos se utilizan siempre valores positivos. Si los puntos donde están realizadas las dos medidas tienen impedancias resistivas idénticas, se puede relacionar las tensiones y las corrientes eficaces:
⎛P ⎞ ⎛V ⎞ ⎛I ⎞ A = 10.log10 ⎜ 2 ⎟ = 20.log10 ⎜ 2 ⎟ = 20.log10 ⎜ 2 ⎟ dB ⎝ P1 ⎠ ⎝ V1 ⎠ ⎝ I1 ⎠ Hay que tener presente que en el caso de que la magnitud sea de potencia (o similar) tras el logaritmo hay que multiplicar por 10. En cambio, si la magnitud está relacionada con la raíz cuadrada de una potencia, hay que multiplicar por 2. Existe otra medida logarítmica, mucho menos utilizada que el decibelio, que es el neper. Surge de aquellas dependencias de tipo exponencial (como por ejemplo las atenuaciones del régimen transitorio o las de las líneas de transmisión) a las que aplicando el logaritmo neperiano obtenemos directamente el exponente. Por tanto, aplicando este concepto a las tensiones eléctricas, tenemos:
⎛V ⎞ 1 ⎛ P ⎞ A = ln ⎜ 2 ⎟ = ln ⎜ 2 ⎟ N ⎝ V1 ⎠ 2 ⎝ P1 ⎠ suponiendo resistencias iguales en los dos puntos. Relacionando las dos medidas, se tiene que: A (dB) = 8,7 A(N) y que:
1N=8,7dB 1dB=0,115N
24
Señales
2.2.1 Niveles Son los valores en escala logarítmica que toma una magnitud respecto a una referencia.
2.2.1.1 Niveles absolutos En muchas ocasiones interesa dar la medida de una magnitud en escala logarítmica en lugar de darla en escala lineal. A esta forma de expresar magnitudes se le denomina nivel absoluto. Simplemente hay que verlo como un cambio de escala, pero que expresa el mismo valor. Hay muchos ejemplos de este tipo de escalas en la vida cotidiana, como la escala Richter para medir terremotos, en la que para pasar de un terremoto de 6 a uno de 7 tiene que ser 10 veces más fuerte. El más utilizado de estos niveles es el dBm para medida de potencia, que consiste en multiplicar por diez el logaritmo en base 10 de la potencia expresada en miliwatios:
L(dBm) = 10 log 10 P (mW ) En la tabla Tabla 2.1 se proporciona una referencia de los niveles más utilizados en Sistemas de Telecomunicaciones. Hay que comentar que en la intensidad sonora se multiplica por 10 el logaritmo puesto que tiene dimensiones de potencia (dividida por unidad de superficie), mientras que la presión acústica es proporcional a la raíz de la intensidad. Los dos niveles NI y NP coinciden en el aire debido a la impedancia característica de éste. MAGNITUD
REFERENCIA
NIVEL ABSOLUTO
EXPRESIÓN
Potencia eléctrica, P
1 mW
L(dBm)
L=10log10 P(mW)
Potencia eléctrica, P
1W
L(dBW)
L=10log10 P(W)
Potencia eléctrica, P
1 KW
L(dBKW)
L=20log10 P(KW)
Tensión eléctrica, V
0,775 V
L(dBV)
Tensión eléctrica, V
1 mV
L(dBj)
L=20log10 V(mV)
Tensión eléctrica, V
1 µV
L(dBµ)
L=20log10 V(µV)
Campo eléctrico, E
1 µV/m
L(dBµ)
L=20log10 E(µV/m)
Intensidad sonora, I
10-12 W/m2
NI(dB)
Presión acústica
2.10-5 Pa
NP(dB)
L = 20 log
L = 10 log
V (v ) 10 0, 775 V
I (W / m 2 ) −12 W / m2 10 10
L = 10 log
P( Pa) −5 10 2.10 Pa
Tabla 2.1 Niveles absolutos
25
Capítulo 2
La potencia sólo se puede medir en el extremo final de una línea de transmisión o a la salida de un dispositivo, pero no en puntos intermedios, debido a que sería necesario un método intrusivo que destruiría el material. Por esto, se suele realizar medidas de tensión eléctrica, para las cuales no hace falta romper la línea de transmisión, sino sólo introducir dos sondas. Una vez que se ha realizado la medida del nivel en tensión hay que pasarla a una escala de potencia, para lo cual será necesario conocer la impedancia resistiva R de esa línea de transmisión.
Para transformar de dBV a dBm se realiza la siguiente operación: P (mW ) V2 = 10 log = L(dBm) = 10 log 10 1 mW 10 R.1 mW 10 log
0, 7752 V 2 V2 10 log + = 2 2 10 0, 775 V 10 R.1 mW = L(dBV ) + 10 log10
600Ω R
por lo que coincidirán en el caso de que la impedancia resistiva sea de 600 Ω (lo cual era lo normal en los primeros tipos de líneas de transmisión). En cualquier otro caso habrá que corregir la medida. Para transformar de dBj a dBm se realiza una operación similar a la anterior:
L(dBm) = 10 log 10
10 log
P (mW ) V2 = 10 log = 1 mW 10 R.1 mW
V2 (1mV ) 2 + = 10 log 2 10 (1mV ) 10 R.1 mW = L(dBj ) − 30 − 10 log10 R
que también es útil, pero que sea cual sea la resistencia hay que hacer un logaritmo.
2.2.1.2 Niveles relativos Es la relación entre dos magnitudes expresadas en las mismas unidades en dos puntos diferentes en los cuales uno se toma de referencia. Al punto de referencia se le denota con una O tras su nivel absoluto, y a las medidas relativas se les añade una r para identificarlas. Normalmente se toma como punto de referencia la entrada, y así se separa de la medida las variaciones dentro del sistema respecto a la entrada (de forma similar a como se hace con la respuesta en frecuencia de los sistemas lineales). De esta forma, el nivel absoluto en un punto A se obtiene sumando el nivel absoluto en el punto de referencia con el nivel relativo en el punto A:
LA (dBm) = L(dBmO) + Lr (dBr )
26
Señales
2.2.1.3 Señal nominal Para medir la atenuación en un sistema desde la entrada hasta un determinado punto, bastaría con tener la medida en nivel relativo tomando como referencia la entrada. Para facilitar esta medida se suele utilizar señales a la entrada con niveles absolutos nulos, para que así la medida en niveles relativos coincida con la medida en niveles absolutos. Además hay que independizar la medida de las variaciones con la frecuencia, por lo que hay que introducir un tono como señal de entrada. A este tono se le conoce como señal nominal o tono de prueba. Sus características completas son: • • •
Señal sinusoidal Frecuencia comprendida entre 800 y 1000Hz Nivel cero (0dBmO) en el punto de referencia.
2.3 PONDERACIÓN SOFOMÉTRICA Cuando medimos una potencia eléctrica, deseamos que esa medida corresponda con la sensación acústica que nos produciría esa señal (esta era una de las razones para utilizar escalas logarítmicas). El problema radica en que la medida se realiza en el receptor y la sensación se tiene dentro del oído. Para simular el filtrado que realiza el oído (o el ojo), se introduce un filtro a la salida del sistema con la misma característica que el del humano medio. Al nivel medido se le añade una p para indicar que ha sido ponderado. Sin embargo, para cierto tipo de señales no hace falta realizar el filtrado puesto que sabemos lo que va a pasar, con lo que sólo hará falta realizar una ponderación llamada ponderación sofométrica. Así en un tono de prueba (por eso se escoge esta frecuencia) el oído no realiza ninguna atenuación con lo que los dBmOp coincidirán con los dBmO. En el caso de ruido blanco, habrá frecuencias que no sufran atenuación y otras que sí las sufran, por lo que el ruido a la salida ya no será blanco y habrá perdido parte de su potencia (con lo que si la señal es un tono de prueba se ganará relación señal a ruido). En función del ancho de banda, la ponderación será:
• • •
Canal telefónico (300-3400Hz): dBmOp=dBmO-2,5dB Canal musical (0-15KHz): dBmOp=dBmO-8,6dB Señal de vídeo de 5MHz, 625 líneas: dBmOp=dBmO-8,5dB
2.4 ADITIVIDAD DE LAS SEÑALES En un mismo dispositivo pueden aparecer varias señales al mismo tiempo. Estas señales aparecen bajo alguna manifestación de la onda electromagnética que trasporta estas señales. La onda resultante surge de la suma de los campos eléctrico y magnético o de las tensiones y corrientes que estos generan. Por tanto, si se quiere calcular la potencia de la suma habrá que hacer la suma en módulo y fase y después calcular la potencia de la resultante. No obstante, lo que buscamos aquí no es la potencia instantánea de la señal electromagnética, sino una idea de cuanta potencia llega o sale de un determinado dispositivo, o la que circula por una línea de transmisión.
27
Capítulo 2
Para tener una estimación de la potencia media resultante se realizan una serie de supuestos:
2.4.1 Adición de potencias Se aplica en señales incoherentes entre sí. Señales incoherentes son aquellas cuyas fases varían de forma diferente. Se da en señales a diferentes frecuencias o en aquellas que son totalmente independientes, como por ejemplo el ruido blanco con cualquier otra cosa. En este caso, si tenemos N señales de igual potencia pi y nivel L, la potencia total será N veces la potencia de cada componente, por lo que el nivel total será:
LT = 10 log10 ( Npi ) = L + 10 log10 N 2.4.2 Adición de tensiones Se aplica a señales coherentes entre sí. Sólo se podría aplicar a señales idénticas o en las que unas fueran versiones escaladas de las otras. En este caso tendremos que realizar la suma en tensiones (o campos, o corrientes), y si tenemos N señales iguales, la tensión total será N veces la tensión de cada una vi, por lo que el nivel total será:
LT = 10 log10 (
Nvi ) = L + 20 log10 N 0, 775V
Realmente, en un caso genérico es difícil garantizar incoherencia o coherencia total, por lo que muchas veces se utiliza un término medio:
LT = L + 15log10 N 2.5 PERTURBACIONES Se define Perturbación como “todo conjunto de actuaciones externas o internas sobre el Sistema de Transmisión, que provocan que la señal recibida por la Presentación no sea exactamente igual a la emitida por la Fuente”. La perturbación se considera externa cuando proviene de otro sistema perturbador. Los tipos de perturbación interna son la distorsión y la intermodulación y el más habitual de perturbación externa es la interferencia. Hay otros dos tipos de perturbación que son la diafonía y el ruido que pueden ser tanto externos como internos. Otra diferenciación importante del tipo de perturbación es si necesita o no señal para que se produzca. Los que no necesitan de la existencia de la señal para estar presentes son la diafonía, el ruido y la interferencia.
2.5.1 Distorsión La distorsión consiste en la alteración de la señal emitida debida a la no idealidad del sistema de transmisión. Tiene carácter determinista (a diferencia del ruido que es aleatorio) y
28
Señales
puede, por tanto, ser evaluada y minimizada. Se divide en dos tipos muy diferenciados que son la distorsión lineal y la no lineal.
2.5.1.1 Distorsión lineal Cuando transmitimos una señal es lógico esperar que al recibirla vamos a tener una cierta atenuación y un retardo asociado al tiempo de propagación (que será diferente para cada frecuencia, ya que la distancia será la misma y al ser la longitud de onda diferente, el retardo será distinto). Por tanto, un canal ideal tendrá una respuesta en frecuencia del tipo:
H ( f ) = ke − jωτ Existirá distorsión lineal cuando k ó τ no sean constantes y dependan de la frecuencia. Si k no es constante se dirá que existe distorsión lineal de amplitud, y si τ no es constante se dirá que existe distorsión lineal de fase. En la práctica se considera imposible que un medio de transmisión tenga una respuesta plana en frecuencia para todas las frecuencias, por lo que se utiliza sólo en el margen de frecuencias en que la distorsión lineal sea aceptable, definiéndose de esta forma el ancho de banda del medio de transmisión o del dispositivo que estemos evaluando (por ejemplo, un amplificador). Si queremos utilizar más ancho de banda de los elementos del sistema del que sería recomendable para evitar la distorsión lineal, tendremos que compensar a la salida la distorsión introducida mediante un filtro cuya respuesta en frecuencia sea la inversa de la del canal. A este filtro se le denominada igualador o ecualizador. Su respuesta sería:
I ( f ) = H −1 ( f ) =
ae jωτ ( f ) k( f )
Este filtro puede compensar, además de la distorsión lineal, el retardo introducido por cada frecuencia y la atenuación del canal, por lo que suele utilizarse aunque no exista distorsión lineal.
2.5.1.2 Distorsión no lineal La distorsión no lineal es aquella que no puede modelarse mediante un filtro, sino que genera frecuencias diferentes de las existentes a la entrada. Este tipo de distorsión se suele modelar mediante una aproximación polinómica del tipo:
y (t ) = a0 + a1 x (t ) + a2 x 2 (t ) +… donde y(t) es la salida del dispositivo y x(t) es la entrada. Si calculamos la respuesta en frecuencia Y(f), tenemos:
Y ( f ) = a0 + a1 X ( f ) + a2 ( X ( f ) * X ( f )) + … Las convoluciones del espectro de X(f) hacen que aparezcan nuevas frecuencias.
29
Capítulo 2
Para evaluar la distorsión no lineal de un dispositivo (o de un sistema completo) se introduce un tono y se observa su salida. De esta forma se independiza el estudio de la distorsión no lineal respecto al de la lineal (que se estudiaría introduciendo diferentes tonos y observando la respuesta en cada una de esas frecuencias). Así, escogemos como x(t) la siguiente señal:
x(t ) = v cos(ω 0t ) y, por tanto, la salida será: ∞
∞
i =0
i =0
y (t ) = ∑ an (v cos(ω 0t )) n =∑ vn cos( nω 0t )
Para calcular los vn en función de los an, se considera que, aunque exista distorsión no lineal, ésta es pequeña y, por tanto, los coeficientes an disminuyen a medida que n aumenta. De esta forma, se llega a la siguiente expresión para el armónico n-ésimo:
vn ≈
1 a vn n −1 n 2
Para caracterizar la distorsión se definen una serie de coeficientes, de los cuales el más importante es el coeficiente de distorsión del armónico n, definido como:
v a ⎛v⎞ dn = n = n ⎜ ⎟ v1 a1 ⎝ 2 ⎠
n −1
que se expresa normalmente en porcentaje o en decibelios:
Dn = 20 log10 d n Otro coeficiente importante es la atenuación del armónico n-ésimo, que se define como el inverso al coeficiente de distorsión en dB:
An = − Dn = 20 log10
v1 vn
Un coeficiente general utilizado es el coeficiente de distorsión global, que se suele expresar en porcentaje y se define como:
d=
∑d i >1
30
2 i
Señales
La característica más importante de los coeficientes de distorsión es que dependen del nivel de la señal de entrada, y cuanto mayor sea esta, más distorsión habrá. Vamos a ver cuanto aumenta la distorsión al aumentar la señal de entrada. Para esto tomamos como referencia el incremento del primer armónico:
20 log10
∆ dB.
v1' v' = 20 log10 = ∆ dB v1 v
Vemos que el primer armónico aumenta lo mismo que la señal de entrada, esto es La distorsión del armónico n-ésimo aumentará:
⎛v ⎞ v' v D − Dn = 20 log10 n' − 20 log10 n = 20 log10 ⎜ ' ⎟ v1 v1 ⎝v ⎠
n −1
' n
= (n − 1)∆ dB
Por tanto, al aumentar la señal de ∆ dB, el armónico n-ésimo aumentará n∆ dB, la distorsión de ese armónico aumentará (n-1)∆ dB y la atenuación de ese armónico disminuirá (n-1)∆ dB. Como conclusión, se establece que si un dispositivo tiene una respuesta no lineal, conviene trabajar con niveles bajos de la señal de entrada, ya que en caso contrario aumentará mucho la distorsión. Además, se puede llegar a la saturación del dispositivo y aumentar todavía más la distorsión debido a que aumentarían los coeficientes an. Todos estos coeficientes dependen de la señal de entrada, como acabamos de ver. Para evitar esta dependencia se define el coeficiente de modulación de tensión:
mn =
vn a = n −1n n v1 2 a1
y a partir de éste el coeficiente de modulación de tensión corregido:
M n* = 10 log10 mn + 10(n − 1) log10
R 1000
y entonces, la potencia del armónico n-ésimo se obtiene como:
Pn ( dBm) = M n* + nP1 ( dBm) separándose el dispositivo de la potencia de la señal de entrada.
31
Capítulo 2
Para prevenir la distorsión no lineal, sólo se puede trabajar con señales moduladas, ya que en ese caso los armónicos caen fuera del ancho de banda de trabajo y, por tanto, se pueden filtrar. En el caso de que tengamos una señal en banda base o en cuyo ancho de banda caigan los armónicos de componentes de la propia señal (por ejemplo que ocupase de 40 a 100KHz, donde el segundo armónico de 40KHz estaría en 80KHz), antes de pasar por el dispositivo no lineal (un amplificador, por ejemplo) conviene modular la señal y posteriormente filtrar.
2.5.2 Intermodulación Si introducimos dos señales en un sistema como el descrito en el apartado de distorsión no lineal, aparecerán los armónicos de cada una de las señales y además la intermodulación entre ellas. Introduciendo dos tonos de prueba de igual amplitud y diferente frecuencia:
x(t ) = v cos(ω1t ) + v cos(ω 2t ) aparecerán armónicos en nω1 y en mω2 que son los correspondientes a la distorsión no lineal, y además términos en ± nω1 ± mω2, que generan los productos de intermodulación de orden n+m. La amplitud del producto de intermodulación de orden n es:
vi ,n ≈
n an v n = nvd , n 2n −1
es decir, es n veces mayor que la del armónico de orden n, y por tanto, tendrá más importancia. Se define también un coeficiente de intermodulación:
in =
vi , n vn
= nd n
I n = 20 log10 in = Dn + 20 log10 n Estos coeficientes dependen del nivel de la señal de entrada de la misma forma que los de distorsión. La única forma posible de minimizar el efecto de la intermodulación es dividir el espectro en bandas de frecuencia lo más estrechas posibles para que el orden del producto de intermodulación que caiga en esa banda sea el mayor posible, y por tanto su valor sea despreciable. Por ejemplo, en FM se coge una banda de 87 a 108MHz, en la cual no cae ningún armónico de estas frecuencias y se necesita un orden alto de intermodulación para que el producto caiga en este margen frecuencial. Si aún así no llegara, se dividiría el margen de FM en dos bandas (como hacen los receptores multibandas), tratándose cada banda por separado, con lo que el ancho de esta se reduciría al igual que el efecto de la intermodulación.
32
Señales
2.5.3 Ruido Se puede definir el ruido como aquellas perturbaciones de origen electromagnético que no aportan información a la señal deseada. Se trata de señales no enviadas por la fuente, pero que, por estar presentes dentro de la banda de la señal transmitida y con niveles perceptibles, perturban la recepción de estas. Sin embargo, es conveniente distinguir de una manera en particular la intermodulación, distorsión y diafonía. Se consideran ruidos, por tanto: •
Ruido térmico
•
Ruido impulsivo.
•
Ruido de interferencia.
•
Ruido de cuantificación.
•
Ruido de sobrecarga de pendiente
2.5.3.1 Ruido térmico
Introducción Se denomina ruido térmico a una perturbación de carácter aleatoria que aparece en los conductores por agitación de los electrones. El ruido es dependiente de su temperatura, aumentando directamente la potencia con ésta. Habitualmente se considera ruido blanco al presentar en las frecuencias de trabajo, una densidad de potencia uniforme. El circuito equivalente de un conductor de resistencia R como fuente de ruido es un equivalente Thevenin (ver Figura 2.1) y resistencia interna R.
vn2 R
Figura 2.1 Equivalente Thevenin La potencia media de ruido térmico o ruido de Jonhson es:
n = vn2 = 4ktbR • •
n potencia media de ruido en valor eficaz (W) k constante de Boltzmann, k=1,381.10-23 jul/k
33
Capítulo 2
• • •
t temperatura absoluta en Kelvin b anchura de banda en Hz. R Resistencia del conductor en Ω.
El valor máximo de potencia de ruido disponible, a la que habitualmente se llama potencia de ruido es:
n=
vn2 = ktb (W ) 4R
Trabajando con dB (valores en mayúsculas) podemos expresar la constante de Boltzmann como:
K = 10 log10 (1,381.10−23 ) = −228.598 dBW /( Hz.K ) o también:
K = −198.598 dBm /( Hz.K ) Para la temperatura de referencia de t0=290K obtenemos:
K .T0 = −198.598dBm /(Hz.K ) + 10 log10 (290) = −173.97dBm / Hz ≈ −174dBm / Hz Para una temperatura mucho mayor de t=1000K obtendríamos
K .T = −198.598 dBm /( Hz.K ) + 10 log10 (1000) = −168.6 dBm / Hz apreciándose que el producto K.T no varía mucho al aumentar la temperatura. Se necesita un aumento de 75K respecto a la temperatura de referencia para aumentar 1dB el valor de dicho producto. Para un ancho de banda de 4KHz, la potencia disponible de ruido será:
N = −174 + 10 log10 (4000) = −138 dBm obteniéndose para una ancho de banda de 3.1KHz una potencia de ruido de -139dBm. Teniendo en cuenta la ponderación sofométrica, la potencia disponible de ruido térmico en el canal telefónico será de N=-141,5 dBmp, señalando la letra p el hecho que la potencia haya sido ponderada.
34
Señales
2.5.3.2 Factor y Temperatura equivalente de ruido Cualquier sistema de telecomunicación, desde el punto de vista del ruido, se puede modelar como una fuente de ruido y un conjunto de cuadripolos en cascada. Dichos cuadripolos pueden ser activos o pasivos, de una ganancia genérica g. La potencia de ruido a la salida del cuadripolo es superior al producto de la potencia de ruido a la entrada por la ganancia del cuadripolo ns>ne*g ya que el propio dispositivo genera un ruido térmico interno ni que contribuye a aumentar el ruido de salida (ver Figura 2.2).
g ne
ns
+ ni
Figura 2.2 Ruido interno de un cuadripolo
ns = ne * g + ni La cuantía del ruido a la salida depende de la ganancia del amplificador y del diseño del cuadripolo. Un parámetro que caracteriza el ruido interno de una cuadripolo es la denominada temperatura equivalente de ruido. La potencia de salida dada por la ecuación anterior se puede obtener sustituyendo el cuadripolo con ruido por un cuadripolo hipotético sin ruido al que se le aumenta a la temperatura de ruido a la entrada, una temperatura de ruido hipotética (denominada temperatura equivalente de ruido teq) que verifica:
n s = ne ∗ g + n = ni = kt e bg + kt eq bg = k (t e + t eq )bg ni
Por consiguiente, podemos definir teq como:
teq =
ni kbg
Un segundo parámetro que define unívocamente el ruido interno generado por un cuadripolo es el denominado factor de ruido. La relación S/N de una señal dada, siempre se ve deteriorada al pasar la señal por un cuadripolo ya que éste actúa como una nueva fuente de ruido independiente de la señal a la entrada y aumenta el ruido a la salida. El factor de ruido es el cociente entre las relaciones señal a ruido a la entrada y a la salida del cuadripolo cuando la temperatura de ruido a la entrada es t0.
35
Capítulo 2
fc =
( S / N )e (S / N )s =
te = t0
se kteb = = se g k (te + teq )bg
te + teq te
= 1+ te =t0
t0 teq
De las relaciones anteriores se desprende que la temperatura de ruido del cuadripolo se puede obtener como:
teq = t0 ( f c − 1) De las expresiones anteriores también podemos deducir que:
ns
te = t0
= ne f c g = kte f c b
La figura de ruido (FC) expresa el factor de ruido en dB:
FC = 10 log10 ( f c ) dB La temperatura equivalente depende de la red y de la terminación de entrada, pero es independiente de la temperatura a que se encuentre dicha terminación. Se utiliza teq para caracterizar, en términos de ruido, dispositivos que introduzcan poco ruido. En contraposición, se utiliza el factor de ruido fc en dispositivos de alto nivel de ruido. Las ecuaciones anteriores permiten obtener la potencia de salida de un sistema siempre y cuando a la entrada se tenga una temperatura de ruido t0. En el caso general, no nos encontramos con esta situación y debemos definir un nuevo parámetro que nos permita obtener la ecuación de salida de una forma análoga a la que se encuentra anteriormente. Se habla entonces de factor de ruido del sistema fs. Este factor de ruido del sistema debería coincidir con el factor de ruido de un cuadripolo en el que a la entrada se tuviera una temperatura de t0. te
teq
t0
t e -t o +t e q
Figura 2.3 Factor de ruido de un sistema. (A) sitema original. (B) sistema equivalente
36
Señales
El sistema general de la Figura 2.3.(A) es idéntico, en términos de ruido, al sistema equivalente presentado en la Figura 2.3(B). Por tanto, hemos descrito el sistema general a partir de un nuevo cuadripolo con temperatura equivalente
teq' = teq + te − t0 El factor de ruido del sistema será el del segundo cuadripolo:
fs = 1 +
teq' t0
= 1+
teq + te − t0 t0
= 1+
teq t0
+
te − 1 = fc + fd − 1 t0
A partir del factor de ruido del sistema se obtiene directamente la potencia de ruido a la salida como:
ns = kt0 f s bg
2.5.3.3 Factor de ruido de un atenuador Un atenuador es un dispositivo pasivo que presenta la propiedad de que si está a la misma temperatura física que la temperatura de ruido que define la potencia de ruido a la entrada de su bornes, la potencia de ruido a su salida no varía. Ya que el atenuador tiene una ganancia inferior a la unidad (atenuación), el ruido interno compensará la atenuación que sufre el ruido. Además, esta propiedad se verifica para cualquier temperatura, y en especial para la temperatura de referencia t0. Además, la potencia de ruido a la salida de un cuadripolo es ns = kt0 f c bg si a la entrada se tiene la temperatura t0:
ne = n s kte b = kt 0 b = kt 0 fc b
1 a
y de la ecuación anterior obtenemos el factor de ruido de un atenuador a temperatura t0 como:
fc = a
Y, por consiguiente, la temperatura equivalente de ruido, será:
teq = t0 (a − 1) La ecuación anterior es igualmente válida para el caso en que el atenuador esté a una temperatura física genérica tf:
teq = t f ( a − 1) Y, finalmente, obtenemos el factor de ruido de un atenuado a una temperatura genérica tf:
37
Capítulo 2
fc = 1 +
t f (a − 1) t0
2.5.3.4 Factor de ruido de un dipolo En el caso de un dipolo, sólo existe acceso a los terminales de salida, y las únicas fuentes de ruido son las internas. Si la potencia de ruido en las bornas del dipolo es n, se define el factor de ruido de un dipolo como:
fd =
n kt0b
fd =
td t0
Obteniéndose la potencia a la salida del dipolo como:
ns = kt0bf d = ktd b
2.5.3.5 Factor de ruido de varios cuadripolos en cascada Consideremos dos cuadripolos de ganancias g1 y g2, temperaturas equivalentes de ruido teq1 y teq2 y factores de ruido fn1 y fn2. Se supone que están perfectamente adaptados entre sí y la entrada del primer cuadripolo está a una temperatura equivalente de t0 (Figura 2.4). g ,t e q
t0 g 1 ,t e q 1
g 2 ,t e q 2
Figura 2.4 Interconexión de cuadripolos en cascada La potencia de ruido a la salida es suma de tres componentes: •
A) Ruido originado por la fuente: kt0bg1 g 2
•
B) Ruido interno del primer cuadripolo amplificado por el segundo cuadripolo:
kteq1bg1 g 2 •
38
C) Ruido interno del segundo cuadripolo: kteq 2bg 2
Señales
La potencia de salida será la suma de estas tres componentes:
ns = kt0bg1 g 2 + kteq1bg1 g 2 + kteq 2bg 2 La interconexión de los dos cuadripolos puede ser sustituida por un cuadripolo equivalente con el que se obtenga a la salida la misma potencia de ruido.
t ⎞ ⎛ ns = kbg1 g 2 ⎜ t0 + teq1 + eq 2 ⎟ = kbg ( t0 + teq ) g1 ⎠ ⎝ Por lo tanto obtenemos que:
g = g1 g 2 teq = teq1 +
teq 2 g1
De forma directa se deduce la expresión de la temperatura equivalente de ruido (fórmula de Friis) de un número genérico de cuadripolos interconectados en cascada:
teq = teq1 +
teq 2 g1
+
teq 3 g1 g 2
+
+
teqn g1 g 2
g n −1
Asimismo se puede obtener una expresión para el factor de ruido equivalente:
f c = f c1 +
fc 2 − 1 fc3 − 1 + + g1 g1 g 2
+
f cn − 1 g1 g 2 g n −1
De estas dos ecuaciones se deduce que la temperatura equivalente de ruido o el factor de un ruido de un conjunto de cuadripolos en cascada es función fundamentalmente del primer cuadripolo. Debemos, por tanto, situar el cuadripolo de más baja temperatura equivalente y más alta ganancia en primer lugar de la interconexión. Las características y/o posiciones del resto de amplificadores no es un factor tan crítico.
39
Capítulo 2
40
3 JDP
Capítulo 3
42
JDP
3.1 MÚLTIPLEX DIGITAL: JERARQUÍA DIGITAL PLESIÓCRONA Las familias de múltiplex digitales siguen una estructura jerárquica. El UIT-T recomienda las siguientes jerarquías de multiplexación digital para equipos MIC en las que la multiplexación se realiza bit a bit (Figura 3.1):
Figura 3.1 Jerarquías digitales
•
Primer nivel con una velocidad binaria de 2048 bits/segundo.
•
Segundo nivel con una velocidad binaria de 8448 bits/segundo.
•
Tercer nivel con una velocidad binaria de 34368 bits/seg.
•
Cuarto nivel con una velocidad binaria de 139264 bits/seg.
43
Capítulo 3
Entre los factores que influyen en la elección de los niveles jerárquicos, cabe destacar los siguientes: •
La capacidad del medio de transmisión (fibra óptica, coaxial...)
•
La velocidad binaria de las fuentes de señales.
•
La eficacia y conveniencia del múltiplex.
•
Las necesidades derivadas de la conmutación digital.
3.2. EQUIPOS MÚLTIPLEX DIGITALES Puede definirse un equipo múltiplex digital como aquel que permite, por un lado, combinar mediante técnicas de multiplexación en el tiempo (MDT) dos o más señales digitales en una sola señal digital y, por otro, realizar la operación inversa (demultiplexación).
3.2.1 Equipos múltiplex primarios El equipo de múltiplex MIC (modulación por impulsos codificados) primario está ya generalizado en el servicio telefónico de todo el mundo. Las señales entrantes (afluentes) pueden ser de diversa índole voz, datos ... tal como se puede apreciar en la Figura 3.1 todas ellas caracterizadas por tener velocidades binarias múltiplos de 64 Kbit/s. En cualquier caso, como la demanda de nuevos servicios de datos sigue aumentando, resulta conveniente que el múltiplex MIC primario sea suficientemente flexible como para permitir la inserción de nuevos sistemas de transmisión de datos. El ITU-T ha elaborado diversas recomendaciones sobre las características de los equipos múltiplex MIC primarios que trabajan señales a 2048 Kbit/s y ofrecen canales digitales facultativos a múltiplos de 64 Kbit/s.
3.2.2 Equipos múltiplex de orden superior El equipo de múltiplex digital que combina las señales de salida de cuatro equipos múltiplex primarios MIC se denomina equipo múltiplex digital de segundo orden o secundario. Los equipos múltiplex digitales de tercer orden combinarían las señales de salida de cuatro equipos múltiplex de segundo orden y así sucesivamente (Figura 3.1).
3.3 SEÑALES PLESIÓCRONAS. RELLENO DE IMPULSOS Por lo general, las señales de entrada de un múltiplex digital señales afluentes o tributarias) proceden de fuentes con iguales velocidades binarias nominales. Sin embargo, sus velocidades reales pueden desviarse del valor nominal (del orden de ±50.10-6) debido a muy diversas causas. A estas señales se las conoce como plesiócronas. A los sistemas que las soportan se dice que funcionan de forma “cuasi-síncrona” o plesiócrona. En general, dos señales que tengan la misma velocidad y no provengan del mismo reloj son plesiócronas.
44
JDP
Para poder efectuar el múltiplex digital de las señales plesiócronas, se usan técnicas de relleno de impulsos (justificación). El relleno de impulsos consiste en la variación de forma controlada de la velocidad binaria de una señal digital de forma que se adapte a una velocidad binaria distinta de la suya propia sin pérdida de información.
3.3.1 Principio de relleno positivo Para acomodar las señales de entrada plesiócronas en la de múltiplex de orden inmediato superior, se asigna a cada señal de entrada una capacidad de transmisión algo mayor (en la práctica de 0,1 ó 0,2%) que la velocidad nominal. El exceso de la capacidad de información se rellena con bits no informativos. Estos bits se llaman de relleno y pueden tener siempre el mismo valor binario.
Figura 3.2 Esquema de bloques de un multiplexador digital a 8448 Kb/s El principio del relleno positivo se explica con ayuda de la Figura 3.2, en la que se ve la forma en que se adapta la señal original a una velocidad superior. El relleno se realiza individualmente para cada señal afluente, en el momento en el que el desplazamiento de fase entre las dos señales alcanza un valor predeterminado. El equipo receptor deberá poder recuperar las señales de entrada. Es necesario, pues, asignar posiciones fijas en el tiempo a los bits de que se dispone para el relleno y anunciar al equipo si la posición de bit siguiente de este tipo se ha usado o no para relleno. Además, como el relleno, tal como aquí se considera, está relacionado con la transmisión múltiplex, es necesario identificar los afluentes individuales.
3.3.2 Principio de relleno positivo-negativo Según este principio, la capacidad nominal de información asignada a un afluente es igual a su velocidad nominal. Si la velocidad binaria real del afluente es exactamente la misma que la velocidad disponible, no se efectúa relleno, y si es menor que la capacidad ofrecida por el múltiplex, se efectúa relleno positivo del mismo modo que en el caso anterior. Si la velocidad real del afluente es superior a la capacidad disponible, el exceso de información debe situarse en intervalos de tiempo adicionales que han de preverse en la trama. Estos bits de información se denominan de relleno negativo.
45
Capítulo 3
3.4 ESTRUCTURA DE TRAMA A 2048 KBIT/S La trama a 2048 Kbit/s con la que trabaja el equipo múltiplex primario es la trama básica usada en los sistemas europeos (trama de Nivel 1). Está subdividida en 32 intervalos de tiempo cada uno con una longitud de 8 bits. Esta trama tiene una longitud de 256 bits y una duración condicionada por la frecuencia de muestreo, 8KHz, para señales de voz de 125 µs. Así pues la velocidad binaria es de 2048 bits/seg. En las tramas pares, el intervalo de tiempo cero es usado para transportar la señal de Alineamiento de Trama, mientras que en las impares se usa para alarmas y otros usos. El intervalo de tiempo 16 se usa para transportar la señalización de los canales útiles. Por último, los intervalos de tiempo 1 a 15 y 17 a 31 corresponden a la carga de los 30 canales útiles que puede soportar la trama primaria.
3.5 ESTRUCTURA DE TRAMA A 8.448 KB/S CON JUSTIFICACIÓN POSITIVA El ITU-T ha establecido las recomendaciones G-742 y G-743 que regulan la formación de los múltiplex de segundo orden. A título de ejemplo se explicará la recomendación G-742 (Tabla 3.1). Alineación de trama 1 1 1 1 0 1 0 0 0 C1 C2 C3 C4 C1 C2 C3 C4 C1 C2 C3 C4 S1 S2 S3 S4
0
A
N
T1 T2 T3 T4 …. T4 . . . . 200 208 208 208
Tabla 3.1 Estrucuta de trama a 8448 Kb/s. C=btis de control de relleno, S=bits de oportunidad de justificación, T(gris)=bits de inforamación de afluentes, A=bit de alarma, N=bit reservado para uso nacional. La trama de 8.448 kb/s con justificación positiva se compone de cuatro grupos de 212 bits (longitud total de 848 bits) y una duración de 100,379 µseg. El primer grupo comienza con la palabra de alineación de trama (bits 1 a 10). Su estructura es 1111010000. Para declarar “pérdida de alineación de trama” se debe recibir cuatro palabras consecutivas de alineación incorrectas, mientras que para declarar “recuperado el sincronismo” es preciso recibir tres palabras consecutivas correctas. El bit 11 puede emplearse para transmisión de alarmas, mientras que el bit 12 se reserva para uso nacional. Los 200 bits siguientes representan la información de los afluentes entrelazados en sucesión cíclica: bit 13-afluente 1; bit 14-afluente 2; bit 15-afluente 3; bit 16afluente 4; bit 17-afluente 1; y así sucesivamente. Cada uno de los tres grupos restantes tienen al principio cuatro bits para control de relleno (C1, C2, C3, C4): C1 se refiere al afluente 1; C2, al afluente 2; C3, al afluente 3; C4, al afluente 4. Estos bits se denominan bits de control de justificación. Los bits de los que se dispone para relleno son los bits números 5 a 8 del cuarto grupo (S1 para el afluente 1; S2, afluente 2; S3, afluente 3; S4, afluente 4). Si los tres bits de control de justificación de un afluente son 111 significa que hay relleno (el bit S1 debe ser ignorado para el primer afluente; S2 para el segundo afluente y así sucesivamente). En el caso de que sean 000 significa que no hay relleno y el bit S correspondiente es informativo.
46
JDP
Al evaluar en el extremo receptor los bits de relleno, la decisión sobre el significado de los bits S (relleno o informativo) se toma por mayoría: dos bits del mismo signo deciden. Con este modo de tomar decisiones, se garantiza tomar la decisión correcta aunque uno de los bits de control sea erróneo. Además, es de reseñar que las ráfagas de errores en los bits apenas afectan a la señal de control de relleno puesto que los bits de control están distribuidos a lo largo de toda la trama. Resumen de parámetros y velocidades. •
Vp: la frecuencia nominal de la señal MIC primaria: 2048 kbits/seg.
•
Vs: la frecuencia nominal de la señal MIC secundaria: 8448 kbits/seg.
•
T: duración de la trama: 100,379 µseg.
•
N: número de bits por trama: 848 bits.
•
a: número de bits de señalización por trama: 12.
•
r: número de bits de control de relleno por trama:12.
•
m: número de bits de información por trama: 824.
•
n: número de afluentes: 4.
•
br: número de bits de relleno por trama: 0-4.
•
VT: la frecuencia de trama: 9,96 ktramas/seg.
En ausencia de justificación, el multiplexador transporta 206 (50+52+52+52) bits informativos de afluente en 100,379 µseg que equivalen a una velocidad de:
Vba =
m Vp m 1 8448Kb / s = = 206. = 2052, 226 Kbit / s n N nT 848 bits
A este parámetro se le denomina capacidad ofrecida (número de bits de información por afluente y unidad de tiempo). Como se puede observar, este número es un 0,2% mayor que la velocidad nominal de cada afluente:
θ=
Vba − V p Vp
=
4226 = 0, 002064 2048
Es decir, al multiplexor llegan menos bits procedentes de una señal afluente de los que deberían formar parte de la señal de jerarquía superior. Por tanto, se hace imprescindible que en algún momento se introduzcan bits de relleno. Por este hecho, a θ se le denomina tasa de relleno. En presencia de justificación, el multiplexador transporta 205 (50+52+52+51) bits informativos de afluente en 100,379 µseg:
1 ⎛m ⎞1 = 2042, 258 Kbit / s Vbj = ⎜ − 1⎟ = 205 100,379 µ s ⎝ n ⎠T
47
Capítulo 3
En estas condiciones, suponiendo relleno en todas las tramas, en el multiplexador entran más bits correspondiente a un afluente de los que salen, con lo que en algún momento va a ser preciso dejar de introducir bits de relleno. Si se realizara la justificación en todas las tramas, las oportunidades de justificación por segundo serían:
Vr (max) =
Vs 1bit = = 9962 bit / s N 100,379 µ s
que corresponden a la velocidad máxima de justificación. De todo lo anterior se deduce que para mantener sincronizada la velocidad de afluente a la entrada del multiplexador y la velocidad informativa (bits de información por unidad de tiempo) de la trama de orden superior a la salida del multiplexador es necesario producir bits de relleno a una velocidad:
Vr = Vba − V p = 2052, 226 − 2048 = 4, 226 Kbit / s
A este término se le denomina valor nominal de justificación. El valor nominal de justificación normalizado (dividido por Vp) coincide con la tasa de relleno. La relación nominal de justificación se define como la relación entre la velocidad de justificación nominal y la velocidad máxima de justificación:
Vr 4226 .100 = .100 = 42, 42% Vr (max) 9962 Al inverso de este cociente se le denomina índice de relleno y vale 2,36.
3.6 Estructura de trama a 8.448 kb/s con justificación positiva/nula/negativa Se va a describir en este apartado el equipo múltiplex digital de segundo orden especificado en la recomendación G-745 con relleno positivo/nulo/negativo (Tabla 3.). Este equipo múltiplex combina cuatro señales primarias a 2048Kbit/s cada una. La trama secundaria se compone de cuatro grupos de bits de 264 bits uno (1056 bits en total). El primer grupo comienza con la palabra de alineación de trama (10111000). Después siguen los 256 bits de los afluentes entrelazados en sucesión cíclica de manera similar al caso descrito en el apartado anterior. Los tres bloques siguientes tienen cada uno al principio un bloque de cuatro bits de control (C1, C2, C3, C4) de relleno que sirven para saber si el bit de relleno siguiente contiene información o es un bit vacío (S1, S2, S3, S4, respectivamente). El funcionamiento es similar al del apartado anterior: el primero se refiere al primer afluente, .... El relleno positivo se indica con la señal 111 transmitida en cada una de las dos tramas consecutivas, el relleno negativo con la señal 000 también en cada una de las dos tramas consecutivas y ningún relleno (relleno nulo) con la señal 111 en una trama seguida de la señal 000 en la trama siguiente.
48
JDP
Alineación de trama 1 0 1 1 1 C1 C2 C3 C4 B1 C1 C2 C3 C4 L1 C1 C2 C3 C4 -1
0 0 0 B2 B3 B4 L2 L3 L4 -2 -3 -4 +1 +2 +3 +4
T1 T2 T3 T4 …. . . . . 256 256 256 252
Tabla 3.3 Estrucuta de trama a 8448 Kb/s con justificación negativa/positiva/nula. C=btis de control de relleno, B=bits de servicio, L=bits libres, T (gris)=bits de los afluentes, -=bits de relleno negativo, +=bits de relleno positivo. Los bits 5, 6, 7, 8 del cuarto grupo se emplean para el relleno negativo de los afluentes 1, 2, 3, 4, respectivamente, y los bits 9, 10, 11, 12 para el relleno positivo de los mismos afluentes. Los bits 5, 6, 7, 8 del segundo son bits de señalización. En principio, se asignan a información los 4 bits previstos para relleno positivo. Si la velocidad de algún afluente disminuye, alguno de estos bits será de relleno positivo. Si la velocidad aumenta, se habilitan bits de relleno negativo como bits de información hasta un máximo de dos por trama. En este múltiplex, los parámetros adoptan los siguientes valores: •
Vp: la frecuencia nominal de la señal MIC primaria: 2048 kbits/seg.
•
Vs: la frecuencia nominal de la señal MIC secundaria: 8448 kbits/seg.
•
T: duración de la trama: 125 µseg.
•
N: número de bits por trama: 1056 bits.
•
a: número de bits de señalización por trama: 16.
•
r: número de bits de control de relleno por trama:12.
•
m: número de bits de información por trama: 3.256+258=1026 (nº máx. de bits de inf.).
•
n: número de afluentes: 4.
•
brp: número de bits de relleno positivo por trama: 4.
•
brn: número de bits de relleno positivo por trama: 4.
•
Vpa: capacidad ofrecida (bits de información por unidad de tiempo y afluente):2052 Kbit/s.
•
θ: tasa de relleno: 0,00195.
•
Vr:, valor nominal de justificación (bits de relleno por unidad de tiempo): 4 Kbit/s. En el caso de relleno nulo:
•
m: número de bits de información por trama: 3.256+256=1024 nºmáx. de bits de inf..
•
Vpa: capacidad ofrecida (bits de información por unidad de tiempo y afluente):2048 Kbit/s.
•
θ: tasa de relleno: 0.
•
Vr: valor nominal de justificación (bits de relleno por unidad de tiempo): 0.
49
Capítulo 3
3.7 ESTRUCTURA DE TRAMA A 34.368 KB/S CON JUSTIFICACIÓN POSITIVA La trama de nivel 3 (E3) admite cuatro afluentes de nivel 2 a 8448Kbit/s, multiplexándolos por entrelazado de bits. Alineación de trama 1 1 1 1 0 1 0 0 0 C1 C2 C3 C4 C1 C2 C3 C4 C1 C2 C3 C4 S1 S2 S3 S4
0
A
N
T1 T2 T3 T4 …. T4 . . . . 372 380 380 380
Tabla 3.3 Estructura de trama a 34368Kbit/s. C= bits de control de justificación, S= bits de oportunidad de justificación, A=bit de alarma, N=bit reservado para uso nacional, T= bits de información de afluentes. Tal como se observa en la Tabla 3.5 tiene una longitud de 1536 bits y una duración de 44,7 µseg lo que representa una velocidad binaria de 34.368 Kbit/s. La estructura de trama es similar a la del nivel 2 con justificación positiva, por lo que las mismas consideraciones que se han hecho para la trama de 8448 Kbit/s en cuanto a presentación, proceso de justificación, etc, son válidas para éste.
3.8 Estructura de trama a 139.264 kbit/s con justificación positiva Admite cuatro afluentes de nivel 3 a 34.368 kbit/s multiplexándolos por entrelazado de bits y tiene una longitud de 2928 bits y una duración 21 µseg, lo que significa una velocidad binaria de 139.264 kbit/s. 1 C1 C1 C1 C1 C1
1 C2 C2 C2 C2 C2
1 C3 C3 C3 C3 C3
Alineación de trama 1 0 1 0 0 0 C4 C4 C4 C4 C4 S1 S2 S3 S4
0
A
N
T1 T2 T3 T4 …. T4 . . . . 472 484 484 484 484 484
Tabla 3.4 Estructura de trama a 139264Kbit/s. C= bits de control de justificación, S= bits de relleno, A=bit de alarma, N=bit reservado para uso nacional, T= bits de información de afluentes. En este caso, tal como puede verse en la Tabla 3.4, la trama se divide en 6 bloques de 488 bits cada uno, con una estructura similar a la de las tramas de niveles 2 y 3. La palabra de alineación de trama tiene una longitud de 12 bits. Hay cuatro bits adicionales, asignado uno para alarmas y los otros tres reservados para uso nacional. El control de justificación dispone de 5 bits “C” con las mismas consideraciones en cuanto a su codificación: •
11111=justificación positiva. Bit S de relleno.
•
00000=ausencia de justificación. Bit S informativo.
Se acepta la decisión por mayoría y el proceso de justificación, representación de la trama, etc., es similar al de las otras tramas vistas hasta ahora.
50
JDP
Finalmente, se resumen en la Tabla3.5 las principales características de las tramas de la Jerarquía Digital Plesiócrona. Recientemente, los cuatro niveles jerárquicos se vienen denominando E1, E2, E3 y E4. Nivel E1 E2 E3 E4
V. binaria (Kb/s) 2048 8448 34368 139264
Longitud trama (bits) 256 848 1536 2928
Duración trama (µs) 125 100,379 44,70 21
Bits A.T. y Bits “C” Bits infor. adicionales 8 8 12 3 205/206 12 3 377/378 16 5 722/723
Velocidad infor. 64 2042/2052 8435/8458 34340/34388
Tabla 3.5 Principales características de las tramas de la JDP El procedimiento de justificación descrito permite que los multiplexadores operen con relojes autónomos en cada nivel sin necesidad de sincronización con una precisión que va desde ±50.10-6 ppm en el nivel E1 hasta ±15.10-6 ppm en el nivel E4, lo que permite su realización con osciladores de coste relativamente reducido.
3.9 Limitaciones de la Jerarquía Digital Plesiócrona En sistemas recientes, el interfaz físico de 8448 Kbit/s viene siendo abandonado, con la utilización de multiplexadores de nivel 3 que manejan 16 afluentes a 2048 Kbit/s, aunque internamente estos equipos usan la estructura usual por razones de compatibilidad con sistemas ya existentes. Son los denominados sistemas 2/34 con los cuales se consigue un importante ahorro de cableado. Los sistemas ópticos que transmiten a 565 Mbit/s o 2,4 Gbit/s usan procedimientos similares a los ya vistos. Sin embargo, como los organismos normativos esperaban la introducción de la Jerarquía Digital Plesiócrona (JDP), las tramas en estos niveles no se llegaron a estandarizar. Los suministradores que fabrican estos sistemas han creado sus tramas propietarias, ofreciendo en los extremos interfaces normalizados para 4 o 16 señales a 140 Mbit/s. No obstante, el mayor inconveniente de la JDP está en que, para localizar los bits de un afluente de bajo nivel jerárquico en una señal de línea de alta capacidad, la señal debe ser demultiplexada sucesivamente hasta alcanzar el nivel deseado. Todo este procesamiento involucra procedimientos sucesivos en interfaces eléctricas a bajas velocidades, aunque en algunos casos estas sean internas, que hacen complicada la construcción de redes con muchos multiplexores para extracción e inserción de los tributarios de bajo nivel en señales de línea de alta velocidad. Las redes realizadas según la JDP son básicamente redes punto a punto, con muy poca flexibilidad. En definitiva, la JDP presenta un importante número de limitaciones y carencias que han motivado el desarrollo de una técnica de transmisión más avanzada que permita satisfacer los requerimientos que precisan los distintos tipos de circuitos y servicios que se demandan actualmente. El resultado de esta nueva técnica es la Jerarquía Digital Síncrona (JDS) Las principales limitaciones de la JDP son: •
El proceso de justificación y el hecho de que la temporización esté ligada a cada nivel jerárquico, hacen que sea imposible identificar una señal de orden inferior dentro de un
51
Capítulo 3
flujo de orden superior, siendo preciso demultiplexar la señal de línea hasta el nivel deseado.
52
•
Las diferentes tramas de la JDP disponen de muy poca capacidad adicional para información de gestión y monitorización de la calidad. Además, la monitorización se hace por tramos mediante análisis de violaciones de código, con muy pocas posibilidades de hacerlo en trayectos completos.
•
La JDP no dispone de mecanismos eficaces para la protección de secciones de red o de circuitos concretos y carece de flexibilidad suficiente para realizar reencaminamientos en caso de fallo.
•
Debido a las diferentes jerarquías interfuncionamiento entre las mismas.
•
Códigos de línea específicos de cada suministrador de forma que equipos de diferentes fabricantes son incompatibles entre sí. No existe interfaz de nodo de red (INR).
plesiócronas
existentes,
es
difícil
el
4 JDS
Capítulo 4
54
JDS
4.1 ORIGEN DE LA JDS Con objeto de evitar los problemas derivados de las limitaciones de la JDR se comienza en EE.UU., en 1.985, el estudio de una red síncrona, llegándose a la definición de la red SONET (Red Optica Síncrona). Esto condujo a una velocidad binaria para el primer nivel jerárquico de dicha red de 51.840 Kb/s, que da cabida al último nivel de la jerarquía plesiócrona Americana, cuya velocidad binaria es de 44.736 Kb/s. En la Tabla se muestran las velocidades binarias de la red SONET. NIVEL SONET STS-1 STS-3 STS-9 STS-12 STS-18 STS-24 STS-36 STS-48
SEÑAL PO-1 PO-3 PO-9 PO-12 PO-18 PO-24 PO-36 PO-48
RÉGIMEN 51 840 155.520 466.560 622.080 933.120 1.244.160 1.866.240 2.488.320
Kb/s Kb/s Kb/s Kb/s Kb/s Kb/s Kb/s Kb/s
STS = Señal de Transporte Síncrono PO = Portadora Optica
A finales de 1.986, el CCITT (actualmente UIT-T) inicia la definición del interfaz del Nodo de Red (INR), basado en las técnicas de multiplexación síncrona del tipo SONET, produciéndose una convergencia en el seno de la UIT-T hacia el Interfaz Optico Standard a 155.520 Kb/s, que es la base de la Jerarquía Digital Síncrona. El primer nivel de la Jerarquía Digital Síncrona se corresponde con la señal de nivel 3 de la red SONET y equivale a tres veces la señal primaria de ésta, 51.840 x 3 = 155.520 Kb/s. En consecuencia, la Jerarquía Digital Síncrona (JDS), es un estándar mundial acordado por la UIT-T entre 1.988-1.990 y definido en la actual Recomendación G-70x. Fundamentalmente, pretende dotar a la red de una mayor flexibilidad, mejor aprovechamiento, compatibilidad máxima entre diferentes suministradores y una mayor capacidad de gestión. Aporta, además, un principio de interfuncionamiento de redes digitales, facilitando el acomodo de las señales existentes en las actuales Jerarquías Plesiócronas, así como las futuras señales de la Red Digital de Servicios Integrados de Banda Ancha (RDSI-BA). 4.1.1 Descripcion General de la Jds La JDS especifica una velocidad de transmisión básica normalizada, un formato de trama y una estructura de multiplexación que ha de transportarse a través de un interfaz óptico normalizado, denominando Interfaz de Nodo de Red (INR).
55
Capítulo 4
El concepto de Interfaz de Nodo de Red permite la interconexión de los elementos de red JDS para el transporte de cargas útiles, entre las que están incluidas las señales de la red actual basadas en la JDP, así como células ATM y, en el futuro, otras señales como pueden ser las propias de las redes de Area Metropolitana (MAN), sin limitaciones por velocidad binaria. La JDS define un primer nivel jerárquico básico denominado Módulo de Transporte Síncrono (STM-1) que consta de campos de información de contenido útil de señal y de campos de gestión, denominados Tara de Sección, organizados en una estructura de trama de bloque que se repite cada 125 µs y tiene una longitud de 2.430 octetos. La información está adaptada para su transmisión por el medio elegido, a una velocidad binaria de 155,520 Kb/s, que se sincroniza con la red. Vb = (2.430 x 11)/125.10-6 = 155.520 Kb/s. La señal STM-1, en un primer nivel, representa un interfaz de nodo de Red que puede ser eléctrico, código CMI, según se especifica en la recomendación G-703, o puede ser óptico, conforme a recomendación G-957. A velocidades binarias superiores, STM-N, el interfaz es siempre óptico.
CARACTERISTICAS BASICAS DE LA JDS a) La trama JDS está organizada en bytes (octetos), no en bits. Es decir, los espacios de carga para los tributarios son intercalados byte a byte. a) La trama de línea y todas las estructuras tributarlas se repiten 8.000 veces por segundo, o sea, cada 125 µsg, al igual que la trama primaria de nivel El a 2,048 Kb/s. Esto significa que cada octeto del espacio de carga, en cualquier trama, tiene capacidad para transportar 64 Kb/s. Además, presentando una tasa de repetición o duración de trama, compatible en todos los niveles, los tributarios asignados en el espacio de carga, en principio, no deben desplazarse en fase en relación a la trama de línea. c) El inicio de las tramas de las señales tributarlas, al contrario de lo que ocurre en la JDP, no es señalado por una palabra de Alineamiento de Trama, sino por punteros. En JDS, sólo existe la palabra de Alineamiento de Trama a la velocidad binaria básica de 155.520 Kb/s. Las tramas tributarias, llamadas Contenedores Virtuales, tiene su comienzo, en el espacio de carga del contenido útil, indicado por los punteros. Los punteros sirven, además, para manejar eventuales diferencias de velocidad entre la señal tributaria (Contenedor Virtual) y el espacio de carga asignado a la misma (Unidad Tributarla o Unidad Administrativa), en donde el Contenedor Virtual es copiado para ser transportado. O sea, la JDS incluye un proceso de justificación de la carga o justificación de frecuencia y alineamiento de fase. En el caso de haber justificación, el inicio de la trama tributaria corre una posición en el espacio de carga, adelantándose o atrasándose y se mantiene en esa posición hasta una nueva justificación. El mecanismo de punteros se describe con detalle más adelante. d) La JDS posee un encabezado (OVER HEAD = OH) o Tara en cada trama, tanto de línea como tributarias, de gran capacidad de transporte de información. Esto permite que se designen varios canales de elevada capacidad para funciones de supervisión, operación,
56
JDS
monitorización de calidad, mantenimiento y gestión de los elementos de la red de transporte, tanto a nivel de Sección como de Trayecto. Las velocidades definidas para SDH son las siguientes: • • •
El nivel cero de la jerarquía digital síncrona será 51 840 kbit/s. El primer nivel de la jerarquía digital síncrona será 155 520 kbit/s. Velocidades binarias de jerarquía digital síncrona superiores se obtendrán como múltiplos enteros de la velocidad binaria de primer nivel y se indicarán mediante el correspondiente factor de multiplicación de la velocidad de primer nivel.
Las velocidades binarias indicadas en la siguiente tabla constituyen la jerarquía digital síncrona: Velocidades binarias jerárquicas SDH Nivel de jerarquía digital síncrona
Velocidad binaria jerárquica (kbit/s)
0
51 840
1
155 520
4
622 080
16
2 488 320
64
9 953 280
256
39 813 120
NOTA – La especificación de niveles superiores a 256 queda en estudio. Las velocidades binarias de orden más alto son múltiplos enteros de la velocidad binaria de primer nivel, obtenidas por entrelazado de octetos de varias señales primarias. Las señales binarias más elevadas no utilizan ningún procedimiento de justificación ni de relleno para acomodar las señales de más bajo nivel, de ahí el concepto de Jerarquía Digital Síncrona. Se denominan STM-N, siendo N el nivel jerárquico. Actualmente están definidas para N = 4, N = 16 , N = 64 y N = 256. En cuanto a la estructura funcional de la JDS, desde las perspectivas de Elementos de Red y Arquitectura de Red, implica funciones generales propias de la transmisión como son: • • •
TRASNMISION SINCRONIZACION GESTION
La arquitectura utilizada en una JDS requiere que la temporización de todos los relojes de los elementos de red pueda sincronizarse con un reloj de referencia primario, lo que implica la necesidad de una red de sincronización. La red de gestión proporciona una gestión centralizada y automática de la red, lo que conlleva una mejor utilización de los recursos incrementando la capacidad real de la red, mediante un aumento del factor de llenado de los sistemas, protección automática de flujos en tiempo real, etc.
57
Capítulo 4
VENTAJAS QUE APORTA LA JDS La JDS facilita los medios necesarios para constituir redes gestionadas de coste reducido, incorporando encaminamiento electrónico de canales, asignación flexible de ancho de banda y monitorización de funcionamiento extremo a extremo. Facilita la identificación de los flujos individuales de tráfico, (Contenedores Virtuales), adecuándolo a la implementación de elementos de red con gran facilidad de extracción e inserción de flujos. Estos elementos denominados multiplexores de extracción e inserción y especialmente los que incorporan la funcionalidad de equipos multiplexores distribuidores, permiten a la operadora de la red aprovechar al máximo las características de la JDS y mejorar la disponibilidad de esta red, su grado de respuesta ante demandas inesperadas y esforzarse en conseguir una agrupación más económica del tráfico en las rutas. Esto contrasta con la complejidad de configuración que es necesario adoptar en la JDP para obtener una funcionalidad equivalente en un nodo de red. Los multiplexores inteligentes, los sistemas de transporte flexible de alta capacidad, los sistemas distribuidores-multiplexores y, por supuesto, los sistemas de gestión de redes y de control asociados, basados en la JDS, componen los bloques constitutivos de la futura red de transporte. En definitiva, la JDS ofrece un elevado número de ventajas sobre la JDP, tanto desde el punto de vista del operador de red, como desde el punto de vista del usuario, como veremos a continuación.
Simplificación de la red a) Flexibilidad Una estructura de trama síncrona permite acomodar diferentes módulos de transporte, tanto flujos Plesiócronos, corno síncronos, así como servicios de banda ancha, etc. Es decir, tiene capacidad para manejar, simultánea y flexiblemente distintos tipos de señales. b) Accesibilidad Por otra parte, la JDS proporciona el acceso a cualquiera de las señales tributarias que componen la trama principal sin necesidad de demultiplexar la trama completa. De la misma forma se puede incluir un nuevo tributario sin recurrir a equipos de demultiplexación intermedios. Esto dota a la red de una gran facilidad en las operaciones de extracción e inserción en puntos intermedios, simplificando los nodos de transmisión. c) Modularidad Además, un mismo elemento de red puede ser utilizado para diferentes configuraciones de red estrella, anillo, bus y también con diferente funcionalidad: terminal de línea, regenerador cambiar de equipo. d) Sincronismo Este concepto hace referencia, no sólo a los diferentes sistemas de distribución de reloj en la red de transporte de voz y datos, sino también a que el elemento básico de información, el octeto de canal apropiado, se mantiene en todo el proceso de generación de tramas, pudiendo extraerse mediante el equipo adecuado en cualquier punto del trayecto.
58
JDS
e) Capacidad de Gestión y Control En la trama principal se incluye dos canales de datos que transportan información de servicio de los tramos de regeneración de la señal, así como de la sección múltiplex. Además, en las tramas tributarias, se incluye información adicional de servicio, para gestión de las mismas (monitorización permanente de la calidad, protección automática, etc.). La gestión del equipo comprende tareas como, medida de prestaciones, alarmas. configuración del elemento de red, puesta en servicio, prueba de fallos, etc. f) Interconexión La JDS facilita la interconexión a nivel internacional, entre las Jerarquías Norteamericana y Europea. Es posible la conexión, en una misma línea, de equipos de distinto fabricante y permite el interfuncionamiento con los equipos actuales de la JDP. h) Ancho de banda bajo demanda La red síncrona permite ofrecer cualquier ancho de banda requerido por el usuario, lo que representa posibilidades de transporte para nuevos servicios tales como conmutación de paquetes de alta velocidad, interconexión de redes de área local, televisión de alta definición, etc. i) Fácil adaptación futura Los equipos JDS resultan de fácil adaptación a posibles futuros servicios y avances tecnológicos relacionados con el Modo de Transferencia Asíncrono (ATM) de la RDSI-BA.
4.2 TÉRMINOS Y DEFINICIONES •
Jerarquía digital síncrona (SDH, synchronous digital hierarchy): La SDH es un conjunto jerárquico de estructuras de transporte digitales, normalizadas para el transporte, por redes de transmisión físicas de cabidas útiles correctamente adaptadas.
•
Módulo de transporte síncrono (STM, synchronous transport module): Un STM es la estructura de información utilizada para soportar conexiones de capa de sección en la SDH. Consta de campos de información de cabida útil de información y de tara de sección (SOH) organizados en una estructura de trama de bloque se repite cada 125 µs. La información está adaptada para su transmisión por el medio elegido a una velocidad que se sincroniza con la red. El STM básico se define a 155 520 kbit/s. Se denomina STM-1. Los STM de mayor capacidad se constituyen a velocidades equivalentes a N veces la velocidad básica. Se han definido capacidades de STM para N=4, N=16, N=64 y N=256; están en estudio valores superiores. El STM-0 incluye una sola unidad administrativa de nivel 3. El STM-N, N ≥ 1, incluye un solo grupo de unidades administrativas de nivel N (AUG-N) así como la tara de sección (SOH). Las velocidades binarias jerárquicas del STM-N figuran en 6.3.
•
Contenedor-n (n=1-4): Un contenedor es la estructura de información que forma la cabida útil de información síncrona de red para un contenedor virtual. Para cada uno de los contenedores virtuales definidos existe el correspondiente contenedor. Se han definido funciones de adaptación de muchas velocidades binarias de red comunes en un número limitado de contenedores normalizados. Entre ellas se incluyen las velocidades
59
Capítulo 4
ya definidas en UIT-T G.702. En el futuro se definirán otras funciones de adaptación para nuevas velocidades binarias de banda ancha. CONTENEDOR C-11 C-12 C-2 C-3 C-4
•
EUROPA(KB/S)
AMÉRICA(KB/S) 1.544
2.048 34.368 139.264
6.312 44.736
Contenedor virtual-n (VC-n, virtual container-n): Un contenedor virtual es la estructura de información utilizada para soportar conexiones de capa de trayecto en la SDH. Consta de campos de información de cabida útil de información y de la tara de trayecto (POH) organizados en una estructura de trama de bloque que se repite cada 125 ó 500 µs. La capa de red servidora proporciona la información de alineación para identificar el comienzo de la trama de VC-n. Se han identificado dos tipos de contenedores virtuales. –Contenedor virtual-n de orden inferior: VC-n (n=1, 2, 3) Este elemento comprende un solo contenedor-n (n=1, 2, 3) más la POH de contenedor virtual de orden inferior adecuada a ese nivel. –Contenedor virtual-n de orden superior: VC-n (n=3, 4) Este elemento comprende un solo contenedor n (n=3, 4) o un conjunto de grupos de unidades afluentes (TUG-2 o TUG-3), junto con la POH de contenedor virtual adecuada a ese nivel. Tipos de VC y capacidad Tipo de VC
60
Anchura de banda de VC
Cabida útil de VC
VC-11
1 664 kbit/s
1 600 kbit/s
VC-12
2 240 kbit/s
2 176 kbit/s
VC-2
6 848 kbit/s
6 784 kbit/s
VC-3
48 960 kbit/s
48 384 kbit/s
VC-4
150 336 kbit/s
149 760 kbit/s
VC-4-4c
601 344 kbit/s
599 040 kbit/s
VC-4-16c
2 405 376 kbit/s
2 396 160 kbit/s
VC-4-64c
9 621 504 kbit/s
9 584 640 kbit/s
VC-4-256c
38 486 016 kbit/s
38 338 560 kbit/s
JDS
•
Unidades (U): En JDS, el nombre Unidad (U), es utilizado para designar un área de carga para el transporte de un contenedor virtual. Una unidad es, por tanto, un grupo de octetos en posiciones fijas y conocidas dentro de una trama o subtrama de la JDS, destinado al transporte de un VC. Cada unidad posee un Puntero (PTR) que se encuentra en una posición fija respecto de la trama o subtrama JDS. Las posiciones dentro de la unidad son marcadas por el puntero, indicando a qué distancia (en octetos) del inicio de carga se encuentra el primer octeto del VC. Distinguimos diferentes tipos de unidades:
•
Unidad tributaria-n (TU-n, tributary unit-n): Una unidad afluente es una estructura de información que proporciona la adaptación entre la capa de trayecto de orden inferior y la capa de trayecto de orden superior. Consta de una cabida útil de información (el contenedor virtual de orden inferior) y un puntero de unidad afluente que señala el desplazamiento del comienzo de la trama de cabida útil con relación al comienzo de la trama del contenedor virtual de orden superior.
•
La TU-n (n=1, 2, 3) consta de un VC-n junto con un puntero de unidad afluente. Grupo de unidades tributarias (TUG): se denomina grupo de unidades tributarias a una o más unidades afluentes que ocupan posiciones fijas y definidas en una cabida útil de VC-n de orden superior. Las TUG se definen de manera que pueden construirse cabidas útiles de capacidad mixta formadas por unidades afluentes de tamaños diferentes para aumentar la flexibilidad de la red de transporte. Un TUG-2 consta de un conjunto homogéneo de TU-1 idénticas o de una TU-2. Un TUG-3 consta de un conjunto homogéneo de TUG-2 o de una TU-3.
•
Unidad administrativa-n (AU-n, administrative unit-n): Una unidad administrativa es la estructura de información que proporciona la adaptación entre la capa de trayecto de orden superior y la capa sección de multiplexación. Consta de una cabida útil de información (el contenedor virtual de orden superior) y un puntero de unidad administrativa que señala el desplazamiento del comienzo de la trama de cabida útil con relación al comienzo de la trama de la sección de multiplexación. Se definen dos unidades administrativas: la AU-4 y la AU-3. La primera consta de un VC-4 más un puntero de unidad administrativa que indica el alineamiento de fase del VC-4 con respecto a la trama del módulo de transporte síncrono N (STM-N). La segunda consta de un VC-3 más un puntero de unidad administrativa que indica el alineamiento de fase del VC-3 con respecto a la trama STM-N. En cada caso, la ubicación del puntero de unidad administrativa es fija con respecto a la trama STM-N.
•
Grupo de unidades administrativas (AUG) a una o más unidades administrativas que ocupan posiciones fijas y definidas en una cabida útil de STM. Un AUG-1 consta de un conjunto homogéneo de varias AU-3 o de una AU-4.
•
Puntero: Indicador cuyo valor define el desplazamiento de la trama de un contenedor virtual con respecto a la referencia de trama de la entidad de transporte sobre lo que es soportado. Los punteros en JDS desempeñan dos funciones: a) Identifican la posición de los VC en la trama o subtrama correspondiente, que será una TU. Esto permite asignar de forma flexible y dinámica la carga útil (VC) dentro de la trama AU o TU.
61
Capítulo 4
b) Adaptan la velocidad binaria de los VC a la velocidad binaria del canal de transmisión (AU ó TU). O sea, mediante un mecanismo de justificación (positiva/nula/negativa) permiten absorber las diferencias de frecuencia entre las diferentes señales que forman la de orden superior. •
Concatenación: Procedimiento en una multiplicidad de contenedores virtuales que se asocian unos a otros de modo que su capacidad combinada puede utilizarse como un contenedor sencillo en el que se mantiene la integridad de la secuencia de bits.
•
Correspondencia de jerarquía digital síncrona: Procedimiento por el que se adaptan afluentes a contenedores virtuales en los límites de una red SDH.
•
Multiplexación de jerarquía digital síncrona: Procedimiento por el que varias señales de capa de trayecto de orden inferior se adaptan a un trayecto de orden superior, o por el que múltiples señales de capa de trayecto de orden superior se adaptan a una sección de multiplexación.
•
Alineación de jerarquía digital síncrona: Procedimiento por el que la información de desplazamiento de trama se incorpora a la unidad afluente o la unidad administrativa cuando se adapta a la referencia de trama de la capa soporte.
•
Trayecto: Es el tramo de la red de transmisión comprendido entre los puntos de ensamblado y desensamblado de los Contenedores Virtuales. Puede discurrir a través de más de una sección.
•
Taras o encabezados: Son octetos reservados para la información del propio sistema, unos son asignados a los contenedores virtuales y otros son asignados a la propia señal STM. Parte de ellos se asignan a la información contenida en las Taras se utiliza, básicamente, para: Monitorización de la calidad, detección de fallos, gestión de alarmas, canales de comunicaciones. canales de datos, protección automática, etc. Según se asigne a los VC o a la señal STM, se denominan: • •
Tara de Trayecto (POH): se asigna al contenido útil al multiplexarse en el contenedor, permaneciendo con ese contenedor hasta que sea demultiplexada la carga útil. Esto define el significado de trayecto en JDS. Tara de Sección (SOH): forma parte de la trama STM. Una sección de multiplexación puede estar formada por varias secciones de regeneración. Pueden ser de sección de regeneración o de multiplexación.
4.3 PRINCIPIOS BÁSICOS DE MULTIPLEXACIÓN 4.3.1 Estructura múltiplex La Figura 1 muestra la relación entre diversos elementos de multiplexación que se definen en el cuadro 6-1, e ilustra posibles estructuras de mutiplexación. Las Figura 2, Figura 3, Figura 4 y Figura 5 muestran cómo se multiplexan diversas señales utilizando estos elementos de multiplexación.
62
JDS
×1 STM-256
×1 AUG-256
AU-4-256c
VC-4-256c
C-4-256c
AU-4-64c
VC-4-64c
C-4-64c
AU-4-16c
VC-4-16c
C-4-16c
AU-4-4c
VC-4-4c
C-4-4c
×4 ×1
×1 AUG-64
STM-64
×4 ×1
×1 STM-16
AUG-16 ×4 ×1
×1 AUG-4
STM-4
×4 ×1
×1 AUG-1
STM-1
AU-4
VC-4
×3
C-4
×1
TUG-3
×3
TU-3
VC-3
×1 AU-3
STM-0
C-3
VC-3 ×7
×7 ×1 TUG-2
VC-2
C-2
TU-12
VC-12
C-12
TU-11
VC-11
TU-2
Procesamiento de puntero
×3
Multiplexación Alineación
×4
Correspondencia
C-11 T1540590-00
Figura 4.1 Estructura de multiplexación
63
Capítulo 4
Contenedor-1
Contenedor-1 VC-1
POH de VC-1
VC-1
PTR de TU-1
PTR de TU-1
PTR de TU-1
VC-1
TU-1
VC-1
TUG-2
TUG-3
TUG-2
POH de VC-4
TUG-3
PTR de AU-4
PTR de AU-4
TUG-2
TUG-3
VC-4
VC-4
AU-4
VC-4
AUG-1
AUG-1 Asociación lógica Asociación física PTR Puntero NOTA – Las zonas no sombreadas están alineadas en fase. La alineación de fase entre las zonas no sombreadas y las sombreadas se define por el puntero (PTR) y obsérvese con la flecha.
Figura 4.2 Método de multiplexación a partir directamente.
64
T1540600-00
JDS
Contenedor-1
POH de VC-1
PTR de TU-1
PTR de TU-1
PTR de TU-1
Contenedor-1
POH de VC-3
TU-1
VC-1
VC-1
VC-1
TUG-2
PTR de AU-3
TUG-2
VC-3
PTR de AU-3
PTR de AU-3
VC-3
VC-1
TUG-2
VC-3
AU-3
VC-3
AUG
AUG-1 Asociación lógica Asociación física
T1540610-00
NOTA – Las zonas no sombreadas están alineadas en fase. La alineación de fase entre las zonas no sombreadas y las sombreadas se define por el puntero (PTR) y obsérvese con la flecha.
Figura 4.3 Método de multiplexación a partir directamente.
65
Capítulo 4
Contenedor-3
Contenedor-3
POH de VC-3
PTR de AU-3
VC-3
VC-3
PTR de AU-3
PTR de AU-3
VC-3
AU-3
AUG-1
VC-3
AUG-1 Asociación lógica Asociación física
T1540620-00
NOTA – Las zonas no sombreadas están alineadas en fase. La alineación de fase entre las zonas no sombreadas y las sombreadas se define por el puntero (PTR) y se señala con la flecha.
Figura 4.4 Método de multiplexación a partir directamente de contenedor-3, utilizando AU-3
Contenedor-4
Contenedor-4
POH de VC-4
PTR de AU-4
VC-4
PTR de AU-4
VC-4
VC-4
AU-4
AUG-1
AUG-1 Asociación lógica Asociación física
T1540630-00
NOTA – Las zonas no sombreadas están alineadas en fase. La alineación de fase entre las zonas no sombreadas y las sombreadas se define por el puntero (PTR) y se señala con la flecha.
Figura 4.5 Método de multiplexación a partir directamente de contenedor-4, utilizando AU-4
66
JDS
4.4 ESTRUCTURA DE TRAMA BÁSICA La estructura de trama STM-N se muestra en la Figura 6. Se indican los tres sectores principales de la trama STM-N: –
tara de sección (SOH);
–
punteros de AU;
–
cabida (contenido) útil de información. 270 × N columnas (octetos) (90 columnas para STM-0) 9 × N(3 para STM-0)
1
261 × N(87 para STM-0)
Tara de sección SOH
3 4 Puntero(s) de unidad administrativa
9 filas
Cabida útil STM-N
5 Tara de sección SOH 9
T1540640-00
Figura 4.6 Estructura de trama STM-N
4.4.1 Tara de sección Las filas 1 a 3 y 5 a 9 de las columnas 1 a 9 × N del STM-N de la Figura 6 están dedicadas a la tara de sección.
4.4.2 Punteros de unidad administrativa (AU) La fila 4 de las columnas 1 a 9 × N de la Figura 6 están disponibles para punteros de AU.
4.4.3 Unidades administrativas en el STM-N La cabida útil del STM-N puede soportar un AUG-N, donde el: a) El AUG-256 puede constar de: 1) cuatro AUG-64; b)
2) un AU-4-256c. El AUG-64 puede constar de: 1) cuatro AUG-16; 2) un AU-4-64c.
67
Capítulo 4
c)
El AUG-16 puede constar de: 1) cuatro AUG-4; 2) un AU-4-16c. El AUG-4 puede constar de:
d)
1) cuatro AUG-1; 2) un AU-4-4c. El AUG-1 puede constar de:
e)
1) una AU-4; 1) tres AU-3. El VC-n asociado con cada AU-n no tiene una fase fija con respecto a la trama STM-N. La ubicación del primer byte del VC-n es indicada por el puntero de AU-n. El puntero de AU-n está en una ubicación fija en la trama STM-N, como se ilustra en las figuras 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8. La AU-4 puede utilizarse para transportar, por medio del VC-4, un cierto número de TU-n (n=1, 2, 3) formando un múltiplex de dos etapas. Esta disposición se ilustra en las figuras 7 a) y 8 a). El VC-n asociado con cada TU-n no tiene una relación de fase fija con respecto al comienzo del VC-4. El puntero de la TU-n está en una ubicación fija en el VC-4 y la ubicación del primer byte del VC-n es indicada por el puntero de la TU-n. La AU-3 puede utilizarse para transportar, por medio del VC-3, un cierto número de TU-n (n=1, 2) formando un múltiplex de dos etapas. Esta disposición se ilustra en las figuras 7 b) y 8 b). El VC-n asociado con cada TU-n no tiene una relación de fase fija con respecto al comienzo del VC-3. El puntero de la TU-n está en una ubicación fija en el VC-3 y la ubicación del primer byte del VC-n es indicada por el puntero de la TU-n.
X
XXX VC-4 VC-3
T1518010-95
a) STM-1 con una AU-4
b) STM-1 con tres AU-3
Puntero de AU-n X AU-n Puntero de AU-n + VC-n (véase la cláusula 8)
Figura 4.7 Unidades administrativas en la trama STM-1.
68
JDS
kjhgkjhg ....
....
X
XX X .... .... ....
VC-n
....
VC-4
VC-n n = 1, 2, 3
VC-3 n = 1, 2 T1518020-95
a) STM-1 con una AU-4 que contiene a) unidades afluentes X o AU- n TU- n
b) STM-1 con tres AU-3 que contienen a) unidades afluentes
Puntero de AU-n Puntero de TU-n Puntero de AU-n + VC-n (véase la cláusula 8) Puntero de TU-n + VC-n (véase la cláusula 8)
Figura 4.8 Múltiplex de dos etapas.
4.5 INTERCONEXIÓN DE LOS STM-N La SDH está concebida de manera que sea universal, permitiendo el transporte de una gran variedad de señales incluidas las especificadas en UIT-T G.702. Sin embargo, pueden utilizarse diferentes estructuras para el transporte de contenedores virtuales. Se aplicarán las siguientes reglas de interconexión: a) Para interconectar dos AUG-1 basados en dos tipos diferentes de unidad administrativa, a saber, AU-4 y AU-3, la regla consistirá en utilizar la estructura de la AU-4. Por consiguiente, el AUG-1 basado en AU-3 será demultiplexado al nivel de VC-3 o TUG-2 de acuerdo con el tipo de cabida útil y remultiplexado dentro de un AUG-1 siguiendo la ruta TUG-3/VC-4/AU-4. Esto se ilustra en las figuras 4.9 a) y 4.9 b). b) Para interconectar los VC-11 transportados mediante tipos diferentes de unidad afluente, a saber, TU-11 y TU-12, la regla consistirá en utilizar la estructura de la TU-11. Esto se ilustra en la figura 4.6-4.9 c). VC-11, TU-11 y TU-12 se describen en las cláusulas que siguen. b) Para interconectar los VC-3/4 concatenados transportados mediante tipos diferentes de concatenación, a saber, contigua y virtual, la regla consistirá en utilizar la concatenación contigua a menos que los operadores que proporcionan el transporte convengan otra cosa mutuamente.
69
Capítulo 4
×1
×N STM-N
AUG-1
VC-4
×1 AU-4
×N AUG-1
STM-N
×3
×3 ×1 AU-3
TU-3
TUG-3
×1
×1
VC-3 a) Interconexión de VC-3 con cabida útil de contenedor-3
×1
×N STM-N
AUG-1
VC-4
×1 AU-4
×N AUG-1
STM-N
×3
×3 AU-3
×1
VC-3
TUG-3 ×7
×7
TUG-2 b) Inter conexión de TUG-2
TUG-2
TUG-2 ×4
×3 TU-12
TU-11 ×1
×1
VC-11
T1540650-00
c) Interconexión de VC-11
Figura 4.9 Interconexión de los STM-N
4.6 ALEATORIZACIÓN La señal STM-N (N=0, 1, 4, 16, 64, 256) debe tener suficiente contenido de temporización de bits en la interfaz de nodo de red (NNI). Mediante un aleatorizador se obtiene un esquema binario adecuado, que impide una secuencia larga de "1" y "0". La señal STM-N ((N = 0, 1, 4, 16, 64, 256) se aleatorizará con un aleatorizador de trama síncrono de longitud de secuencia 127 que opera a la velocidad de línea. El polinomio generador será 1 + X6 + X7. En la figura 4.6-4.10 se muestra un diagrama funcional del aleatorizador de trama síncrono.
70
JDS
Entrada de datos
D Q S
D Q S
D Q S
D Q S
D Q S
D Q S
D Q S
Reloj de STM-N Impulso de trama
Salida de datos aleatorizados T1518040-95
Figura 4.10 Aleatorizador de trama síncrono (diagrama funcional) El aleatorizador se reiniciará a "1111111" en el bit más significativo del byte que sigue al último byte de la primera fila de la tara de sección S (1,9,N) del STM-N. Este bit y los demás bits siguientes que deberán ser aleatorizados se sumarán en módulo 2 a la salida de la posición X7 del aleatorizador. El aleatorizador funcionará continuamente en toda la trama STM-N. La primera fila de la tara de sección (SOH) de STM-N (N ≤ 64) (9 × N bytes, 3 bytes para STM-0 incluidos los bytes de alineación de trama A1 y A2) no se aleatorizará.
71
Capítulo 4
72