Base física de la transmisión de datos. Métodos de transmisión de datos a nivel físico. Base física de la transmisión de datos.

7. NIVEL DE TRANSMISIÓN DE DATOS FÍSICOS

7.2. Métodos discretos de transferencia de datos.

Al transmitir datos discretos a través de canales de comunicación, se utilizan dos tipos principales de codificación física: basada en una señal portadora sinusoidal y basada en una secuencia de pulsos rectangulares. El primer método a menudo se llama modulación o modulación analógica , enfatizando el hecho de que la codificación se realiza cambiando los parámetros de la señal analógica. El segundo método se llama codificación digital . Estos métodos se diferencian por el ancho del espectro de la señal resultante y la complejidad del equipo necesario para su implementación.

Cuando se utilizan pulsos rectangulares, el espectro de la señal resultante es muy amplio. El uso de una onda sinusoidal da como resultado un espectro más estrecho a la misma velocidad de transferencia de información. Sin embargo, para implementar la modulación se requieren equipos más complejos y costosos que para implementar pulsos rectangulares.

Actualmente, cada vez más, los datos que originalmente estaban en forma analógica (voz, imágenes de televisión) se transmiten a través de canales de comunicación en forma discreta, es decir, como una secuencia de unos y ceros. El proceso de representar información analógica en forma discreta se llama modulación discreta .

La modulación analógica se utiliza para transmitir datos discretos a través de canales con una banda de frecuencia estrecha: canal de frecuencia de voz (redes telefónicas públicas). Este canal transmite frecuencias en el rango de 300 a 3400 Hz, por lo que su ancho de banda es de 3100 Hz.

Un dispositivo que realiza las funciones de modulación sinusoide de la portadora en el lado transmisor y demodulación en el lado receptor se llama módem (modulador-demodulador).

La modulación analógica es un método de codificación física en el que la información se codifica cambiando la amplitud, frecuencia o fase de una señal sinusoidal. Frecuencia de carga(Figura 27).

En Amplitud modulada (Fig.27, b) para una unidad lógica se selecciona un nivel de amplitud de la sinusoide de frecuencia portadora, y para un cero lógico, otro. Este método en su forma pura rara vez se utiliza en la práctica debido a su baja inmunidad al ruido, pero a menudo se utiliza en combinación con otro tipo de modulación: la modulación de fase.

En modulación de frecuencia (Fig.27, c) los valores 0 y 1 de los datos originales se transmiten mediante sinusoides con diferentes frecuencias: f 0 y f 1. Este método de modulación no requiere circuitos complejos en los módems y normalmente se utiliza en módems de baja velocidad que funcionan a 300 o 1200 bps.

En modulación de fase (Fig.27, d) los valores de datos 0 y 1 corresponden a señales de la misma frecuencia, pero con diferentes fases, por ejemplo 0 y 180 grados o 0, 90, 180 y 270 grados.

Los módems de alta velocidad suelen utilizar métodos de modulación combinados, normalmente amplitud combinada con fase.

Arroz. 27. Varios tipos modulación

El espectro de la señal modulada resultante depende del tipo y velocidad de modulación.

Para la codificación potencial, el espectro se obtiene directamente de las fórmulas de Fourier para la función periódica. Si los datos discretos se transmiten a una velocidad binaria de N bit/s, entonces el espectro consta de una componente constante de frecuencia cero y una serie infinita de armónicos con frecuencias f 0, 3f 0, 5f 0, 7f 0, ..., donde f 0 = N/2. Las amplitudes de estos armónicos disminuyen con bastante lentitud, con coeficientes de 1/3, 1/5, 1/7, ... de la amplitud del armónico f 0 (Fig. 28, a). Como resultado, el espectro de código potencial requiere un amplio ancho de banda para una transmisión de alta calidad. Además, hay que tener en cuenta que, en realidad, el espectro de la señal cambia constantemente según la naturaleza de los datos. Por lo tanto, el espectro de la señal de código potencial resultante cuando se transmiten datos arbitrarios ocupa una banda desde un cierto valor cercano a 0 Hz hasta aproximadamente 7f 0 (los armónicos con frecuencias superiores a 7f 0 pueden despreciarse debido a su pequeña contribución a la señal resultante). Para un canal de voz, el límite superior de codificación potencial se alcanza a una velocidad de datos de 971 bps. Como resultado, nunca se utilizan códigos potenciales en los canales de voz.

Con modulación de amplitud, el espectro consta de una onda sinusoidal de la frecuencia portadora. f con y dos armónicos laterales: (f c + f metro ) y ( F C - F m), donde F metro – frecuencia de cambio del parámetro de información de la sinusoide, que coincide con la velocidad de transmisión de datos cuando se utilizan dos niveles de amplitud (Fig. 28, b). Frecuencia f metro Determina la capacidad de línea para un método de codificación determinado. A una frecuencia de modulación baja, el ancho del espectro de la señal también será pequeño (igual a 2f metro ), por lo que las señales no serán distorsionadas por una línea si su ancho de banda es mayor o igual a 2f metro . Para un canal de frecuencia de voz, este método de modulación es aceptable a una velocidad de transferencia de datos de no más de 3100/2=1550 bps. Si se utilizan 4 niveles de amplitud para presentar datos, entonces la capacidad del canal aumenta a 3100 bps.

Arroz. 28. Espectros de señales durante la codificación potencial.

y modulación de amplitud

Con la modulación de fase y frecuencia, el espectro de la señal es más complejo que con la modulación de amplitud, ya que aquí se forman más de dos armónicos laterales, pero también están ubicados simétricamente con respecto a la frecuencia portadora principal y sus amplitudes disminuyen rápidamente. Por tanto, estos tipos de modulación también son adecuados para la transmisión de datos a través de un canal de voz.

Cuando se codifica digitalmente información discreta, se utilizan códigos de potencial y de pulso. En los códigos de potencial, solo se utiliza el valor potencial de la señal para representar unos y ceros lógicos, y sus flancos no se tienen en cuenta. Los códigos de pulso le permiten representar datos binarios como pulsos de una determinada polaridad o como parte de un pulso: una diferencia de potencial en una determinada dirección.

Cuando se utilizan pulsos rectangulares para transmitir información discreta, es necesario elegir un método de codificación que logre simultáneamente varios objetivos:

· tenía el ancho de espectro más pequeño de la señal resultante a la misma velocidad de bits;

· proporcionó sincronización entre el transmisor y el receptor;

· tenía la capacidad de reconocer errores;

· tenía un precio de venta bajo.

Un espectro de señales más estrecho permite velocidades de transferencia de datos más altas en la misma línea. A menudo se requiere que el espectro de la señal no tenga componente de CC.

La sincronización del transmisor y el receptor es necesaria para que el receptor sepa exactamente en qué momento es necesario leer nueva información de la línea de comunicación. Este problema es más difícil de resolver en las redes que cuando se intercambian datos entre dispositivos ubicados muy cerca, por ejemplo, entre unidades dentro de una computadora o entre una computadora y una impresora. Por lo tanto, en las redes se utilizan los llamados códigos de autosincronización, cuyas señales transmiten instrucciones al transmisor sobre en qué momento debe reconocerse el siguiente bit (o varios bits). Cualquier cambio brusco en la señal, el llamado flanco, puede servir como una buena indicación para sincronizar el receptor con el transmisor.

Cuando se utilizan sinusoides como señal portadora, el código resultante tiene la propiedad de autosincronización, ya que cambiar la amplitud de la frecuencia portadora permite al receptor determinar el momento en que aparece el código de entrada.

Los requisitos para los métodos de codificación son mutuamente contradictorios, por lo que cada uno de los métodos de codificación digital populares que se analizan a continuación tiene sus propias ventajas y desventajas en comparación con otros.

En la Fig. 29, a muestra el método de codificación potencial, también llamado codificación sin volver a cero (No Regreso a cero, NRZ) . El apellido refleja el hecho de que al transmitir una secuencia de unos, la señal no vuelve a cero durante el ciclo del reloj. El método NRZ es fácil de implementar, tiene un buen reconocimiento de errores (debido a dos potenciales muy diferentes), pero no tiene la propiedad de autosincronización. Al transmitir una secuencia larga de unos o ceros, la señal en la línea no cambia, por lo que el receptor no puede determinar a partir de la señal de entrada los momentos en el tiempo en los que es necesario leer datos. Incluso con un generador de reloj de alta precisión, el receptor puede cometer un error en el momento de la recogida de datos, ya que las frecuencias de los dos generadores nunca son completamente idénticas. Por lo tanto, a velocidades de datos altas y secuencias largas de unos o ceros, una pequeña discrepancia de reloj puede provocar un error de un ciclo de reloj completo y, en consecuencia, la lectura de un valor de bit incorrecto.

Otra grave desventaja del método NRZ es la presencia de un componente de baja frecuencia que se acerca a cero cuando se transmiten largas secuencias de unos o ceros. Debido a esto, muchos canales de comunicación que no proporcionan una conexión galvánica directa entre el receptor y la fuente no admiten este tipo de codificación. Como resultado, el código NRZ en su forma pura no se utiliza en las redes. Sin embargo, se utilizan sus diversas modificaciones, que eliminan tanto la mala autosincronización del código NRZ como la presencia de un componente constante. El atractivo del código NRZ, que hace que valga la pena mejorarlo, es la frecuencia bastante baja del armónico fundamental f 0, que es igual a N/2 Hz. En otros métodos de codificación, como Manchester, el armónico fundamental tiene una frecuencia más alta.

Arroz. 29. Métodos de codificación de datos discretos.

Una de las modificaciones del método NRZ es el método. codificación bipolar con inversión alternativa (Bipolar Inversión de marca alternativa, AMI). Este método (Fig. 29, b) utiliza tres niveles de potencial: negativo, cero y positivo. Para codificar un cero lógico se utiliza un potencial cero, y uno lógico se codifica mediante un potencial positivo o uno negativo, siendo el potencial de cada nueva unidad opuesto al potencial de la anterior.

El código AMI elimina parcialmente los problemas de DC y de falta de autosincronización inherentes al código NRZ. Esto ocurre cuando se transmiten largas secuencias de unos. En estos casos, la señal en la línea es una secuencia de pulsos polarizados opuestamente con el mismo espectro que el código NRZ, transmitiendo ceros y unos alternados, es decir, sin componente constante y con un armónico fundamental de N/2 Hz (donde N es la velocidad de bits de transferencia de datos). Las secuencias largas de ceros son tan peligrosas para el código AMI como para el código NRZ: la señal degenera en un potencial constante de amplitud cero. Por lo tanto, el código AMI requiere mejoras adicionales.

En general, para diferentes combinaciones de bits en una línea, el uso del código AMI da como resultado un espectro de señal más estrecho que el código NRZ y, por lo tanto, mayor banda ancha líneas. Por ejemplo, cuando se transmiten unos y ceros alternos, el armónico fundamental f 0 tiene una frecuencia de N/4 Hz. El código AMI también proporciona algunas capacidades para reconocer señales erróneas. Por tanto, una violación de la estricta alternancia de polaridad de la señal indica un pulso falso o la desaparición del pulso correcto de la línea. Esta señal se llama señal prohibida (señal violación).

El código AMI utiliza no dos, sino tres niveles de señal en la línea. La capa adicional requiere un aumento en la potencia del transmisor de aproximadamente 3 dB para proporcionar la misma fidelidad de bits en la línea, lo cual es una desventaja común de los códigos con múltiples estados de señal en comparación con los códigos que distinguen solo dos estados.

Existe un código similar al AMI, pero con solo dos niveles de señal. Al transmitir un cero, transmite el potencial que se fijó en el ciclo anterior (es decir, no lo cambia), y al transmitir un uno, el potencial se invierte al opuesto. Este código se llama código potencial con inversión en uno (No Devolver a Cero con unos invertido , NRZI ) . Este código es útil en casos donde el uso de un tercer nivel de señal es altamente indeseable, por ejemplo, en cables ópticos, donde se reconocen consistentemente dos estados de señal: luz y sombra.

Además de los códigos potenciales, los códigos de pulso también se utilizan en redes, cuando los datos están representados por un pulso completo o parte de él: un flanco. El caso más simple de este enfoque es código de pulso bipolar , en el que uno está representado por un pulso de una polaridad y cero por otra (Fig. 29, c). Cada pulso dura medio latido. Este código tiene excelente autosincronización propiedades, pero un componente constante puede estar presente, por ejemplo, cuando se transmite una larga secuencia de unos o ceros. Además, su espectro es más amplio que el de códigos potenciales. Así, al transmitir todos ceros o unos, la frecuencia del armónico fundamental del código será igual a N Hz, que es dos veces mayor que el armónico fundamental del código NRZ y cuatro veces mayor que el armónico fundamental del código AMI. al transmitir unos y ceros alternos. Debido a su espectro demasiado amplio, el código de pulso bipolar rara vez se utiliza.

EN redes locales Hasta hace poco, el método de codificación más común era el llamado código de manchester (Figura 29, d). Se utiliza en tecnologías Ethernet y Token Ring.

El código Manchester utiliza una diferencia de potencial, es decir, el flanco de un pulso, para codificar unos y ceros. Con la codificación Manchester, cada compás se divide en dos partes. La información está codificada por caídas de potencial que ocurren en la mitad de cada ciclo de reloj. Uno se codifica mediante un flanco de nivel de señal bajo a alto, y el cero se codifica mediante un flanco inverso. Al comienzo de cada ciclo de reloj, puede ocurrir una caída de la señal superior si necesita representar varios unos o ceros seguidos. Dado que la señal cambia al menos una vez por ciclo de transmisión de un bit de datos, el código Manchester tiene buenas autosincronización propiedades. El ancho de banda del código Manchester es más estrecho que el del pulso bipolar. Tampoco tiene componente CC, y el armónico fundamental en el peor de los casos (al transmitir una secuencia de unos o ceros) tiene una frecuencia de N Hz, y en el mejor de los casos (al transmitir unos y ceros alternos) es igual a N / 2 Hz, como AMI o NRZ En promedio, el ancho de banda del código Manchester es una vez y media más estrecho que el del código de pulso bipolar, y el armónico fundamental fluctúa alrededor del valor de 3N/4. El código de Manchester tiene otra ventaja sobre el código de pulso bipolar. Este último utiliza tres niveles de señal para la transmisión de datos, mientras que el de Manchester utiliza dos.

En la Fig. 29, d muestra un código potencial con cuatro niveles de señal para codificar datos. Este es el código 2B1Q, cuyo nombre refleja su esencia: cada dos bits (2B) se transmiten en un ciclo de reloj mediante una señal que tiene cuatro estados (1Q). El par de bits 00 corresponde a un potencial de -2,5 V, el par de bits 01 corresponde a un potencial de -0,833 V, el par 11 corresponde a un potencial de +0,833 V y el par 10 corresponde a un potencial de +2,5 V. Con esta codificación En este método se requieren medidas adicionales para combatir secuencias largas de pares de bits idénticos, ya que en este caso la señal se convierte en un componente constante. Con el entrelazado aleatorio de bits, el espectro de la señal es dos veces más estrecho que el del código NRZ, ya que a la misma velocidad de bits la duración del reloj se duplica. Por lo tanto, utilizando el código 2B1Q, puede transferir datos a través de la misma línea dos veces más rápido que utilizando el código AMI o NRZI. Sin embargo, para implementarlo, la potencia del transmisor debe ser mayor, de modo que el receptor pueda distinguir claramente los cuatro niveles en caso de interferencias.

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Base física de la transmisión de datos.

Cualquier tecnología de red debe garantizar una transmisión rápida y confiable de datos discretos a través de líneas de comunicación. Aunque existen grandes diferencias entre tecnologías, se basan en principios comunes de transferencia de datos discretos. Estos principios se materializan en métodos para representar unos y ceros binarios utilizando señales pulsadas o sinusoidales en líneas de comunicación de diversas naturalezas físicas, métodos de detección y corrección de errores, métodos de compresión y métodos de conmutación.

Líneascomunicaciones

Redes primarias, líneas y canales de comunicación.

Al describir un sistema técnico que transmite información entre nodos de una red, se pueden encontrar varios nombres en la literatura: línea de comunicación, canal compuesto, canal, enlace. A menudo estos términos se utilizan indistintamente y en muchos casos esto no causa problemas. Al mismo tiempo, existen particularidades en su uso.

Enlace(enlace) es un segmento que proporciona transferencia de datos entre dos nodos de red vecinos. Es decir, el enlace no contiene dispositivos intermedios de conmutación y multiplexación.

Canal(canal) suele indicar la parte del ancho de banda del enlace que se utiliza de forma independiente durante la conmutación. Por ejemplo, un enlace de red principal puede constar de 30 canales, cada uno de los cuales tiene una capacidad de 64 Kbps.

canal compuesto(circuito) es una ruta entre dos nodos finales de una red. Un canal compuesto está formado por enlaces intermedios individuales y conexiones internas en interruptores. A menudo se omite el epíteto "compuesto" y el término "canal" se utiliza para referirse tanto a un canal compuesto como a un canal entre nodos vecinos, es decir, dentro de un enlace.

Línea de comunicación Puede utilizarse como sinónimo de cualquiera de los otros tres términos.

En la Fig. Se muestran dos opciones de línea de comunicación. En el primer caso ( A) la línea consta de un segmento de cable de varias decenas de metros de largo y es un enlace. En el segundo caso (b), la línea de comunicación es un canal compuesto implementado en una red de circuitos conmutados. Una red de este tipo podría ser Red Primaria o red telefónica.

Sin embargo para Red de computadoras esta línea representa un enlace, ya que conecta dos nodos adyacentes y todos los equipos intermedios de conmutación son transparentes para estos nodos. La razón del malentendido mutuo a nivel de términos entre los especialistas en informática y los especialistas en redes primarias es obvia.

Las redes primarias se crean específicamente para proporcionar servicios de canales de transmisión de datos para redes informáticas y telefónicas, que en tales casos se dice que funcionan "por encima" de las redes primarias y son redes superpuestas.

Clasificación de líneas de comunicación.

Línea de comunicación generalmente consta de un medio físico a través del cual se transmiten señales eléctricas de información, equipos de transmisión de datos y equipos intermedios. El medio físico para la transmisión de datos (medios de almacenamiento físico) puede ser un cable, es decir, un conjunto de alambres, fundas aislantes y protectoras y conectores de conexión, así como la atmósfera terrestre o el espacio exterior a través del cual se propagan las ondas electromagnéticas.

En el primer caso hablamos de entorno cableado, y en el segundo - sobre inalámbrico.

En los sistemas de telecomunicaciones modernos, la información se transmite utilizando corriente o voltaje eléctrico, señales de radio o señales luminosas- todos estos procesos físicos representan oscilaciones del campo electromagnético de varias frecuencias.

Líneas cableadas (aéreas) Las conexiones son cables sin ningún trenzado aislante o blindaje, tendidos entre postes y suspendidos en el aire. Incluso en el pasado reciente, estas líneas de comunicación eran las principales para transmitir señales telefónicas o telegráficas. Hoy en día, las líneas de comunicación por cable están siendo reemplazadas rápidamente por líneas por cable. Pero en algunos lugares todavía se conservan y, a falta de otras posibilidades, se siguen utilizando para transmitir datos informáticos. La velocidad y la inmunidad al ruido de estas líneas dejan mucho que desear.

Líneas de cable tienen un diseño bastante complejo. El cable consta de conductores encerrados en varias capas de aislamiento: eléctrico, electromagnético, mecánico y, posiblemente, climático. Además, el cable puede equiparse con conectores que le permiten conectar rápidamente varios equipos. Hay tres tipos principales de cables utilizados en redes informáticas (y de telecomunicaciones): cables basados ​​en pares trenzados de hilos de cobre. par trenzado sin blindaje(Par trenzado sin blindaje, UTP) y par trenzado blindado(Par trenzado blindado, STP), cables coaxiales con núcleo de cobre, cables de fibra óptica. Los dos primeros tipos de cables también se llaman cables de cobre.

Canales de radio Las comunicaciones terrestres y por satélite se forman mediante un transmisor y un receptor de ondas de radio. Existe una amplia variedad de tipos de canales de radio, diferenciándose tanto en el rango de frecuencia utilizado como en el rango de canales. Bandas de radiodifusión(ondas largas, medias y cortas), también llamadas bandas AM, o rangos de modulación de amplitud (Amplitud Modulación, AM), proporcionan comunicación a larga distancia, pero a una baja velocidad de transferencia de datos. Los canales más rápidos son los que utilizan rangos de frecuencia muy altos(Muy Alta Frecuencia, VHF), para las cuales se utiliza modulación de frecuencia (FM). También se utiliza para la transmisión de datos. rangos de frecuencia ultra alta(Ultra Alta Frecuencia, UHF), también llamado bandas de microondas(más de 300 MHz). En frecuencias superiores a 30 MHz, las señales ya no son reflejadas por la ionosfera de la Tierra y una comunicación estable requiere visibilidad directa entre el transmisor y el receptor. Por lo tanto, dichas frecuencias son utilizadas por canales satelitales, canales de retransmisión de radio o canales locales o redes móviles, donde se cumple esta condición.

2 Funciones de la capa física Representación de bits mediante señales eléctricas/ópticas Codificación de bits Sincronización de bits Transmisión/recepción de bits a través de canales de comunicación físicos Coordinación con el entorno físico Velocidad de transmisión Rango Niveles de señal, conectores En todos los dispositivos de red Implementación de hardware (adaptadores de red ) Ejemplo: 10 BaseT - UTP cat 3, 100 ohmios, 100 m, 10 Mbit/s, código MII, RJ-45

5 Equipos de transmisión de datos Convertidor de Mensajes - El. Codificador de señal (compresión, códigos de corrección) Modulador Equipo intermedio Mejora de la calidad de la comunicación - (Amplificador) Creación de un canal compuesto - (Conmutador) Multiplexación de canales - (Multiplexor) (El PA puede estar ausente en una LAN)

6 Principales características de las líneas de comunicación Rendimiento (Protocolo) Fiabilidad de la transmisión de datos (Protocolo) Retardo de propagación Respuesta de amplitud-frecuencia (AFC) Ancho de banda Atenuación Inmunidad al ruido Diafonía en el extremo cercano de la línea Costo unitario

9 Atenuación A – un punto en la respuesta de frecuencia A= log 10 Pout/Pin Bel A=10 log 10 Pout/Pin deciBel (dB) A=20 log 10 Uout/Uin deciBel (dB) q Ejemplo 1: Pin = 10 mW , Pout =5 mW Atenuación = 10 log 10 (5/10) = 10 log 10 0,5 = - 3 dB q Ejemplo 2: UTP cat 5 Atenuación >= -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M Normalmente se indica A para la frecuencia fundamental de la señal = -23,6 dB F= 100 MHz, L= 100 M Normalmente se indica A para la frecuencia de la señal principal">

11 Inmunidad al ruido Líneas de fibra óptica Líneas de cable Líneas aéreas cableadas Líneas de radio (blindaje, torsión) Inmunidad a la interferencia externa Inmunidad a la interferencia interna Atenuación de diafonía en el extremo cercano (NEXT) Atenuación de diafonía en el extremo lejano (FEXT) (FEXT - Dos pares en una dirección )

12 Pérdida de diafonía en el extremo cercano – SIGUIENTE Para cables multipares SIGUIENTE = 10 log Pout/Pin dB SIGUIENTE = SIGUIENTE (L) UTP 5: SIGUIENTE

13 Fiabilidad de la transmisión de datos Tasa de error de bits – BER Probabilidad de corrupción de bits de datos Causas: interferencia externa e interna, ancho de banda estrecho Lucha: aumentar la inmunidad al ruido, reducir la interferencia NEXT, expandir el ancho de banda Par trenzado BER ~ Cable de fibra óptica BER ~ Sin medios de protección adicionales :: códigos correctivos, protocolos con repetición

16 Par trenzado Par trenzado (TP) Pantalla de aluminio Pantalla de alambre trenzado Cable aislado Cubierta exterior UTP Par trenzado sin blindaje categoría 1, pares de gato UTP en funda Tipos de par trenzado blindado STP Tipo 1…9 Cada par tiene su propia pantalla Cada par tiene su propio paso giros, tu propio color Inmunidad al ruido Costo Complejidad de colocación

18 Fibra Óptica Reflexión interna total de un haz en la interfaz de dos medios n1 > n2 - (índice de refracción) n1 n2 n2 - (índice de refracción) n1 n2"> n2 - (índice de refracción) n1 n2"> n2 - (índice de refracción) n1 n2" title="18 Fibra óptica Reflexión interna total de un haz en el límite de dos medios n1 > n2 - (índice de refracción) n1 n2"> title="18 Fibra Óptica Reflexión interna total de un haz en la interfaz de dos medios n1 > n2 - (índice de refracción) n1 n2"> !}

22 Cable de fibra óptica Fibra multimodo MMF50/125, 62,5/125, Fibra monomodoSMF8/125, 9,5/125 D = 250 µm 1 GHz – 100 km BaseLH5000 km - 1 Gbit/s (2005) MMSM

23 Fuentes de señales ópticas Canal: fuente - portadora - receptor (detector) Fuentes LED (Diodo emisor de luz) nm Fuente incoherente - MMF Fuente coherente láser semiconductor - SMF - Potencia = f (t o) Detectores Fotodiodos, diodos pin, diodos de avalancha

25 Sistema de cableado estructurado: SCS First LAN – varios cables y topologías Unificación del sistema de cable SCS - infraestructura de cable LAN abierta (subsistemas, componentes, interfaces) - independencia de tecnología de redes- Cables LAN, TV, sistemas de seguridad, etc. - cableado universal sin referencia a una tecnología de red específica - Constructor

27 Estándares SCS (básicos) EIA/TIA-568A Estándar de cableado de telecomunicaciones para edificios comerciales (EE. UU.) CENELEC EN50173 Requisitos de rendimiento de esquemas de cableado genéricos (Europa) ISO/IEC IS Tecnología de la información: cableado genérico para cableado de las instalaciones del cliente Para cada subsistema: Medio de transmisión de datos . Topología Distancias permitidas (longitudes de cable) Interfaz de conexión de usuario. Cables y equipos de conexión. Rendimiento (rendimiento). Práctica de instalación (Subsistema horizontal - UTP, estrella, 100 m...)

28 Comunicaciones Inalámbricas Transmisión Inalámbrica Ventajas: comodidad, zonas inaccesibles, movilidad. implementación rápida... Desventajas: alto nivel de interferencia ( medios especiales: códigos, modulación...), complejidad del uso de algunos rangos Línea de comunicación: transmisor - medio - receptor Características LAN ~ F(Δf, fн);

34 2. Telefonía celular División del territorio en células Reutilización de frecuencias Baja potencia (dimensiones) En el centro - estación base Europa - Sistema Global para Móviles - GSM Inalámbrico comunicaciones telefónicas 1. Estación de radio de baja potencia (base del auricular, 300 m) Roaming de telecomunicaciones inalámbricas europeas digitales DECT: conmutación de una red de núcleo al otro - la base comunicación celular

35 Conexión satelital Basado en un satélite (reflector-amplificador) Transceptores - transpondedores H~50 MHz (1 satélite ~ 20 transpondedores) Rangos de frecuencia: C. Ku, Ka C - Abajo 3,7 - 4,2 GHz Arriba 5,925-6,425 GHz Ku - Abajo 11,7- 12,2 GHz Arriba 14,0-14,5 GHz Ka - Abajo 17,7-21,7 GHz Arriba 27,5-30,5 GHz

36 Comunicaciones por satélite. Tipos de satélites Comunicaciones satelitales: microondas - línea de visión Geoestacionario Gran cobertura Fijo, Bajo desgaste Satélite repetidor, transmisión, bajo costo, el costo no depende de la distancia, Establecimiento de conexión instantánea (Mil) Tz=300ms Baja seguridad, Antena inicialmente grande (pero VSAT) Órbita media km Sistema de Posicionamiento Global GPS - 24 satélites Órbita baja km baja cobertura baja latencia acceso a Internet

40 Técnicas de Espectro Ensanchado Técnicas especiales de modulación y codificación para Comunicación inalámbrica C (Bit/s) = Δ F (Hz) * log2 (1+Ps/P N) Reducción de potencia Inmunidad al ruido OFDM sigiloso, FHSS (Blue-Tooth), DSSS, CDMA

Se utilizan dos tipos principales de codificación física: basada en una señal portadora sinusoidal (modulación analógica) y basada en una secuencia de pulsos rectangulares (codificación digital).

Modulación analógica: para transmitir datos discretos a través de un canal con un ancho de banda estrecho: redes telefónicas canal de frecuencia de voz (ancho de banda de 300 a 3400 Hz) Un dispositivo que realiza modulación y demodulación: un módem.

Métodos de modulación analógica.

n modulación de amplitud (baja inmunidad al ruido, a menudo utilizada junto con la modulación de fase);

n modulación de frecuencia (implementación técnica compleja, generalmente utilizada en módems de baja velocidad).

n modulación de fase.

Espectro de señal modulada

Código potencial- si los datos discretos se transmiten a una velocidad de N bits por segundo, entonces el espectro consta de una componente constante de frecuencia cero y una serie infinita de armónicos con frecuencias f0, 3f0, 5f0, 7f0, ..., donde f0 = N /2. Las amplitudes de estos armónicos disminuyen lentamente, con coeficientes de 1/3, 1/5, 1/7, ... de la amplitud f0. El espectro de la señal de código potencial resultante cuando se transmiten datos arbitrarios ocupa una banda desde un cierto valor cercano a 0 hasta aproximadamente 7f0. Para un canal de frecuencia de voz, el límite superior de la velocidad de transmisión se alcanza para una velocidad de transferencia de datos de 971 bits por segundo, y el límite inferior es inaceptable para cualquier velocidad, ya que el ancho de banda del canal comienza en 300 Hz. Es decir, los códigos potenciales no se utilizan en los canales de frecuencia de voz.

Amplitud modulada- el espectro consta de una sinusoide de la frecuencia portadora fc y dos armónicos laterales fc+fm y fc-fm, donde fm es la frecuencia de cambio del parámetro de información de la sinusoide, que coincide con la velocidad de transmisión de datos cuando se utilizan dos amplitudes. niveles. La frecuencia FM determina la capacidad de la línea en este método codificación. Con una frecuencia de modulación pequeña, el ancho del espectro de la señal también será pequeño (igual a 2 fm) y la línea no distorsionará las señales si el ancho de banda es mayor o igual a 2 fm. Para un canal de frecuencia de voz, este método es aceptable a una velocidad de transferencia de datos no superior a 3100/2 = 1550 bits por segundo.

Modulación de fase y frecuencia.- el espectro es más complejo, pero simétrico, con una gran cantidad de armónicos que disminuyen rápidamente. Estos métodos son adecuados para la transmisión a través de un canal de frecuencia de voz.

Modulación de amplitud cuadrada: modulación de fase con 8 valores de cambio de fase y modulación de amplitud con 4 valores de amplitud. No se utilizan todas las 32 combinaciones de señales.

Codificación digital

Códigos potenciales– para representar unos y ceros lógicos se utiliza únicamente el valor del potencial de la señal y no se tienen en cuenta sus caídas, que forman pulsos completos.

Códigos de pulso– representar datos binarios como pulsos de una determinada polaridad o como parte de un pulso, como una diferencia de potencial en una determinada dirección.

Requisitos para el método de codificación digital:

A la misma velocidad de bits, tenía el ancho de espectro más pequeño de la señal resultante (un espectro de señal más estrecho permite lograr una velocidad de transferencia de datos más alta en la misma línea; también se requiere la ausencia de un componente constante, es decir es, la presencia corriente continua entre transmisor y receptor);

Se proporciona sincronización entre el transmisor y el receptor (el receptor debe saber exactamente en qué momento leer la información necesaria de la línea, en los sistemas locales (líneas de reloj, en redes) códigos de autosincronización, cuyas señales llevan instrucciones para al transmisor sobre en qué momento es necesario realizar el reconocimiento del siguiente bit);

Poseía la capacidad de reconocer errores;

Tuvo un bajo costo de implementación.

Código potencial sin retorno a cero. NRZ (No Retorno a Cero). La señal no vuelve a cero durante el ciclo del reloj.

Es fácil de implementar, tiene un buen reconocimiento de errores debido a dos señales muy diferentes, pero no tiene la propiedad de sincronización. Al transmitir una secuencia larga de ceros o unos, la señal en la línea no cambia, por lo que el receptor no puede determinar cuándo es necesario volver a leer los datos. Otra desventaja es la presencia de un componente de baja frecuencia, que se acerca a cero cuando se transmiten largas secuencias de unos y ceros. El código rara vez se utiliza en su forma pura; se utilizan modificaciones. Atractivo – baja frecuencia armónico fundamental f0 = N /2.

Método de codificación bipolar con inversión alternativa.. (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI), modificación del método NRZ.

Para codificar el cero se utiliza un potencial cero, una unidad lógica se codifica con un potencial positivo o negativo, siendo el potencial de cada unidad posterior opuesto al potencial de la anterior. Elimina parcialmente los problemas de componente constante y falta de autosincronización. En el caso de transmitir una secuencia larga de unidades, se utilizará una secuencia de pulsos multipolares con el mismo espectro que el código NRZ transmitiendo una secuencia de pulsos alternos, es decir, sin componente constante y armónico fundamental N/2. En general, el uso de AMI da como resultado un espectro más estrecho que el de NRZ y, por lo tanto, una mayor capacidad de enlace. Por ejemplo, cuando se transmiten ceros y unos alternos, el armónico fundamental f0 tiene una frecuencia de N/4. Es posible reconocer transmisiones erróneas, pero para garantizar una recepción confiable es necesario aumentar la potencia en aproximadamente 3 dB, ya que se utilizan ajustes del nivel de la señal.

Código potencial con inversión a uno.. (Sin retorno a cero con unos invertidos, NRZI) Código tipo AMI con dos niveles de señal. Al transmitir un cero se transmite el potencial del ciclo anterior, y al transmitir uno se invierte el potencial al opuesto. El código es conveniente en los casos en los que no es deseable el uso del tercer nivel (cable óptico).

Se utilizan dos métodos para mejorar el AMI, NRZI. El primero es agregar unidades redundantes al código. Aparece la propiedad de autosincronización, el componente constante desaparece y el espectro se estrecha, pero el rendimiento útil disminuye.

Otro método consiste en "mezclar" la información inicial para que la probabilidad de que aparezcan unos y ceros en la línea sea cercana: codificar. Ambos métodos son codificación lógica, ya que no determinan la forma de las señales en la línea.

Código de pulso bipolar. Uno está representado por un pulso de una polaridad y cero por otra. Cada pulso dura medio latido.

El código tiene excelentes propiedades de autosincronización, pero cuando se transmite una secuencia larga de ceros o unos, puede haber un componente constante. El espectro es más amplio que el de los códigos potenciales.

código de manchester. El código más común utilizado en Redes Ethernet, Anillo simbólico.

Cada compás se divide en dos partes. La información está codificada por caídas de potencial que ocurren en medio de un ciclo de reloj. Un uno se codifica mediante una caída desde un nivel de señal bajo a uno alto, y un cero se codifica mediante una caída inversa. Al comienzo de cada ciclo de reloj, puede ocurrir una caída de la señal de servicio si es necesario representar varios unos o ceros seguidos. El código tiene excelentes propiedades de autosincronización. El ancho de banda es más estrecho que el de un pulso bipolar, no hay componente constante y el armónico fundamental en el peor de los casos tiene una frecuencia N, y en el mejor de los casos, N/2.

Código potencial 2B1Q. Cada dos bits se transmiten en un ciclo de reloj mediante una señal de cuatro estados. 00 - -2,5 V, 01 - -0,833 V, 11 - +0,833 V, 10 - +2,5 V. Se requieren medios adicionales para manejar secuencias largas de pares de bits idénticos. Con la alternancia aleatoria de bits, el espectro es dos veces más estrecho que el de NRZ, ya que a la misma velocidad de bits la duración del reloj se duplica, es decir, es posible transmitir datos a través de la misma línea dos veces más rápido que usando AMI, NRZI. pero necesario Alto Voltaje transmisor.

Codificación lógica

Diseñado para mejorar códigos potenciales como AMI, NRZI, 2B1Q, reemplazando largas secuencias de bits que conducen a un potencial constante con unidades intercaladas. Se utilizan dos métodos: codificación redundante y codificación.

Códigos redundantes se basan en dividir la secuencia original de bits en porciones, que a menudo se denominan símbolos, después de lo cual cada símbolo original se reemplaza por uno nuevo que tiene más bits que el original.

El código 4B/5B reemplaza secuencias de 4 bits por secuencias de 5 bits. Luego, en lugar de combinaciones de 16 bits, obtienes 32. De estos, se seleccionan 16 que no contienen una gran cantidad de ceros, el resto se consideran violaciones del código. Además de eliminar el componente de CC y hacer que el código se autosincronice, los códigos redundantes permiten que el receptor reconozca bits corruptos. Si el receptor recibe códigos prohibidos, significa que la señal ha sido distorsionada en la línea.

Este código se transmite a través de la línea mediante codificación física utilizando un método de codificación potencial que es sensible solo a secuencias largas de ceros. El código garantiza que no habrá más de tres ceros seguidos en la línea. Hay otros códigos, como 8B/6T.

Para garantizar el rendimiento especificado, el transmisor debe funcionar a una frecuencia de reloj más alta (para 100 Mb/s - 125 MHz). El espectro de la señal se expande en comparación con el original, pero sigue siendo más estrecho que el espectro del código Manchester.

Codificación: mezcla de datos con un codificador antes de la transmisión desde la línea.

Los métodos de codificación implican el cálculo bit a bit del código de resultado basándose en los bits del código fuente y los bits del código de resultado obtenidos en ciclos de reloj anteriores. Por ejemplo,

B i = A i x o B i -3 x o B i -5 ,

donde Bi es el dígito binario del código resultante obtenido en el i-ésimo ciclo de reloj del codificador, Ai es el dígito binario del código fuente recibido en el i-ésimo ciclo de reloj en la entrada del codificador, Bi -3 y B i -5 son los dígitos binarios del código resultante, obtenidos en ciclos de trabajo anteriores.

Para la secuencia 110110000001, el codificador dará 110001101111, es decir, no habrá una secuencia de seis ceros consecutivos.

Tras recibir la secuencia resultante, el receptor la transmitirá al decodificador, que aplicará la transformación inversa.

C i = B i x o B i-3 x o B i-5 ,

Los diferentes sistemas de codificación difieren en el número de términos y el desplazamiento entre ellos.

Hay mas métodos simples combatir secuencias de ceros o unos, que también se clasifican como métodos de codificación.

Para mejorar el IAM Bipolar se utilizan los siguientes:

B8ZS (Bipolar con sustitución de 8 ceros): corrige solo secuencias que constan de 8 ceros.

Para ello, después de los primeros tres ceros, en lugar de los cinco restantes, inserta cinco señales V-1*-0-V-1*, donde V denota una señal uno que está prohibida para un ciclo de polaridad determinado, es decir, una señal que no cambia la polaridad de la anterior, 1* - la señal uno tiene la polaridad correcta, y el signo de asterisco marca el hecho de que en el código fuente de este ciclo de reloj no había uno, sino cero . Como resultado, a 8 ciclos de reloj el receptor observa 2 distorsiones; es muy poco probable que esto haya sucedido debido al ruido en la línea. Por lo tanto, el receptor considera tales violaciones como una codificación de 8 ceros consecutivos. En este código, el componente constante es cero para cualquier secuencia de dígitos binarios.

El código HDB3 corrige cuatro ceros consecutivos en la secuencia original. Cada cuatro ceros se sustituyen por cuatro señales, en las que hay una señal V. Para suprimir la componente continua, se alterna la polaridad de la señal V en sucesivos reemplazos. Además, se utilizan dos patrones de códigos de cuatro ciclos para su reemplazo. Si antes de reemplazar fuente contenía un número impar de unidades, entonces se usa la secuencia 000V, y si el número de unidades era par, se usa la secuencia 1*00V.

Los códigos potenciales mejorados tienen un ancho de banda bastante estrecho para cualquier secuencia de ceros y unos que se produzca en los datos transmitidos.

Al transmitir datos discretos a través de canales de comunicación, se utilizan dos tipos principales de codificación física: basada en señal portadora sinusoidal y basada en una secuencia de pulsos rectangulares. El primer método a menudo también se denomina modulación o modulación analógica, enfatizando el hecho de que la codificación se lleva a cabo cambiando los parámetros de la señal analógica. El segundo método suele denominarse codificación digital. Estos métodos se diferencian por el ancho del espectro de la señal resultante y la complejidad del equipo necesario para su implementación.
Modulación analógica se utiliza para transmitir datos discretos a través de canales con una banda de frecuencia estrecha, un representante típico del cual es el canal de frecuencia de voz proporcionado a los usuarios de redes telefónicas públicas. En la figura 1.3 se muestra una respuesta típica de amplitud-frecuencia de un canal de frecuencia de voz. 2.12. Este canal transmite frecuencias en el rango de 300 a 3400 Hz, por lo que su ancho de banda es de 3100 Hz. Un dispositivo que realiza las funciones de modulación sinusoide de la portadora en el lado transmisor y demodulación en el lado receptor se llama módem (modulador - demodulador).
Métodos de modulación analógica.
La modulación analógica es un método de codificación física en el que la información se codifica cambiando la amplitud, frecuencia o fase de una señal portadora sinusoidal.
El diagrama (Fig. 2.13, a) muestra una secuencia de bits de la información original, representada por potenciales de alto nivel para una unidad lógica y un potencial de nivel cero para un cero lógico. Este método de codificación se denomina código potencial y se utiliza a menudo al transferir datos entre bloques de computadora.
Con modulación de amplitud (Fig. 2.13, b), se selecciona un nivel de amplitud de la sinusoide de frecuencia portadora para una unidad lógica y otro para un cero lógico. Este método en su forma pura rara vez se utiliza en la práctica debido a su baja inmunidad al ruido, pero a menudo se utiliza en combinación con otro tipo de modulación: la modulación de fase.
Con modulación de frecuencia (Fig. 2.13, c), los valores 0 y 1 de los datos originales se transmiten mediante sinusoides con diferentes frecuencias: f0 y f1. Este método de modulación no requiere circuitos complejos en los módems y normalmente se utiliza en módems de baja velocidad que funcionan a 300 o 1200 bps.
Con la modulación de fase, los valores de datos 0 y 1 corresponden a señales de la misma frecuencia, pero con fases diferentes, por ejemplo 0 y 180 grados o 0,90,180 y 270 grados.
Los módems de alta velocidad suelen utilizar métodos de modulación combinados, normalmente amplitud combinada con fase.
Cuando se utilizan pulsos rectangulares para transmitir información discreta, es necesario elegir un método de codificación que logre simultáneamente varios objetivos:
· tenía el ancho de espectro más pequeño de la señal resultante a la misma velocidad de bits;
· sincronización asegurada entre el transmisor y el receptor;
· tenía la capacidad de reconocer errores;
· tuvo un bajo costo de venta.
Un espectro de señales más estrecho permite que una misma línea (con el mismo ancho de banda) alcance una mayor velocidad de transferencia de datos. Además, a menudo se requiere que el espectro de la señal no tenga componente de CC, es decir, la presencia de una corriente CC entre el transmisor y el receptor. En particular, el uso de varios circuitos de aislamiento galvánico del transformador impide el paso de corriente continua.
La sincronización del transmisor y el receptor es necesaria para que el receptor sepa exactamente en qué momento es necesario leer nueva información de la línea de comunicación.
El reconocimiento y la corrección de datos distorsionados es difícil de realizar utilizando medios de la capa física, por lo que la mayoría de las veces este trabajo se realiza mediante los protocolos que se encuentran arriba: canal, red, transporte o aplicación. Por otro lado, el reconocimiento de errores en nivel fisico ahorra tiempo, ya que el receptor no espera a que la trama se coloque completamente en el búfer, sino que la descarta inmediatamente cuando reconoce bits erróneos dentro de la trama.
Los requisitos para los métodos de codificación son mutuamente contradictorios, por lo que cada uno de los métodos de codificación digital populares que se analizan a continuación tiene sus propias ventajas y desventajas en comparación con otros.