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Teoría de las Comunicaciones Nivel Físico Junio-2011

Teoría de las Comunicaciones Nivel Físico Junio-2011. Bases teóricas para la comunicación de datos. Series de Fourier Transformada de Fourier (FT) El ancho de banda y el ruido como limitantes para la transmisión de señales. La tasa de transmisión de datos máxima de un canal.

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Teoría de las Comunicaciones Nivel Físico Junio-2011

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  1. Teoría de las ComunicacionesNivel FísicoJunio-2011

  2. Bases teóricas para la comunicación de datos • Series de Fourier Transformada de Fourier (FT) • El ancho de banda y el ruido como limitantes para la transmisión de señales. • La tasa de transmisión de datos máxima de un canal.

  3. Conceptos básicos: ondas • Onda electromagnética: es un campo eléctrico magnético que se propaga por un medio a una velocidad propia de éste (por ejemplo en el caso del aire, la velocidad de propagación es la misma que la velocidad de la luz c=108 m/s), vibrando a una frecuencia determinada (como un plano desplazándose en longitudinal), con un comportamiento periódico en el eje longitudinal de su propagación, con periodo o repetición a longitudes constantes, que se llaman longitudes de onda () y se define  =c/f, siendo c la velocidad de la luz y f la frecuencia de oscilación. • Problemas: Esta onda, en el caso de chocar con alguna imperfección puede producir reflexiones, y además, si el medio tiene muchas pérdidas, se puede atenuar.

  4. Analógico & Digital

  5. Señales Periódicas

  6. Onda Senoidal • A (Peak Amplitude) : CA , 310 V valor eficaz = 220 Volt • Amplitud • E.j. volts • Frecuencia Angular • Frecuencia • Hertz (Hz) o ciclos por seg. • Periodo = tiempo en que se completa un conjunto de valores (T) • T = 1/f • Fase () • Posición relativa en el tiempo

  7. s(t) = A sen(2ft +)

  8. Longitud de Onda () • “Distancia ocupada” por un ciclo • Distancia entre dos puntos correspondientes a fases en dos ciclos consecutivo En una onda electromagnética • Asumimos una velocidad de propagacion v •  = vT • f = v • c = 3*108 ms-1 (velocidad de la luz en el vacío) •  = f/c

  9. Dominio Temporal zero crossing amplitud (volts) periodo T tiempo (seg) frecuencia = 1/T Si T = 1 ms, f= 1 kHz

  10. Dominio de la Frecuencia Amplitud (volts) 1 kHz frecuencia (hertz)

  11. Dominio Temporal – caso general amplitud (volts) tiempo (seg.) examinando zero crossings sugiere Que hay presentes mas de una frecuencia con Diferentes amplitudes

  12. Dominio de la Frecuencia amplitud (volts) f1 f2 frecuencia (hertz)

  13. Espectro y Ancho de Banda • Espectro • Margen de frecuencias contenidas en la señal • Ancho de Banda absoluto • Anchura del espectro • Ancho de Banda efectivo • A menudo es el mismo que el Ancho de Banda • Banda de frecuencias que contienen la mayor parte de la energía • Componente continua (DC) • Componente de frecuencia cero

  14. Serie de Fourier y Transformada de Fourier

  15. La onda Cuadrada • Se puede respresentar como una serie de senoides armonicamente relacionadas • fundamental • 1/3 tercera armonica • 1/5 quinta armonica • 1/7 septima armonica • 1/9 novena armonica • etc….

  16. Onda Cuadrada y = sin(x) + 1/3 sin(3x) + 1/5sin(5x) + 1/7sin(7x) + 1/9sin(9x) + 1/11sin(11x) + 1/13sin(13x)

  17. Onda Cuadrada – Espectro de potencia Se necesitaria un ancho de banda infinito para poder TX una onda cuadrada

  18. Bandwidth Infinito! • Supongamos un medio de tx que permite solo los primeros tres terminos de la serie

  19. Serie de Fourier (1) x(t) = a0 + S(ancos(2pnf0t) + bnsin(2pnf0t))

  20. Fourier (2)

  21. -1/p (sen(2px))

  22. -1/p (sen(2px)+sen(4px)/2)

  23. -1/p (sen(2px)+sen(4px)/2+sen(6px)/3)

  24. Medios de transmisión por guía de onda • Par trenzado. • Coaxial . • Red Eléctrica ( Power Line) • Fibra óptica. • etc

  25. Par de cobre

  26. Cable coaxial

  27. Coaxil : Redes CATV tradicionales • Las redes CATV (Community Antenna TeleVision) nacieron (1949) para resolver problemas de recepción en zonas de mala cobertura. • La antena (centro emisor) se ubicaba en sitio elevado con buena recepción. La señal se enviaba a los usuarios hacia abajo (downstream). • Cable coaxial de 75  • Amplificadores cada 0,5-1,0 Km. Hasta 50 en cascada. • Red unidireccional. Amplificadores impedían transmisión ascendente.

  28. Fibra Óptica La función principal de las fibras ópticas (FO) es la de guiar las ondas de luz con un mínimo de atenuación y distorsión. Las FO están compuestas de vidrio solidificado con un alto grado de pureza en capas llamadas núcleo (core), revestimiento (cladding) y Buffer o cubierta. La luz se propaga únicamente por el núcleo con una velocidad de propagación de aproximadamente hasta dos tercios de la velocidad de la luz en el vacío.

  29. Fibra óptica: Reflexión

  30. Multiplexación por Longitud de Onda (WDM) La capacidad de una fibra óptica (FO) se puede incrementar transmitiendo diversas longitudes de onda en una única fibra. Esta técnica bien conocida de Multiplexación por división de frecuencia, FDM (Frequency Division Multiplexing), se denomina en los sistemas ópticos Multiplexación por División de Longitud de Onda o simplemente Multiplexación por Longitud de Onda ( Wavelenght Division Multiplexing).

  31. Medios de transmisión sin guía de onda (wireless) El espectro electromagnético. • Transmisión por radio. • Transmisión por microondas. • Transmisión por ondas infrarrojas. • Transmisión por láser.

  32. Radio

  33. Láser

  34. El espectro electromagnético

  35. El sistema telefónico

  36. Estructura del sistema telefónico • PSTN (Public Switched Telephone Network) • Objetivo: Transmitir la voz humana en una forma más o menos reconocible. • El sistema telefónico tradicional se encuentra organizado en una jerarquía multinivel altamente redundante • Componentes: • Local loops (pares trenzados, señalización analógica) • Troncales (fibra óptica o microondas, digital) • Oficinas de conmutación

  37. Red telefónica

  38. Troncales y multiplexión • Debido a consideraciones económicas, las compañías telefónicas han desarrollado políticas elaboradas para multiplexar varias conversaciones sobre un único troncal físico. • FDM (Frequency Division Multiplexing) • El espectro de frecuencias es dividido entre canales lógicos: cada usuario tiene posesión exclusiva de alguna banda de frecuencia • TDM (Time Division Multiplexing) • Los usuarios toman turnos (en round robin), obteniendo periódicamente cada uno el ancho de banda completo por un pequeño período de tiempo

  39. FDM vs. TDM • Ejemplo: difusión de radio AM • Espectro reservado ~ 1 Mhz (500-1500 kHz) • Diferentes frecuencias reservadas a diferentes canales lógicos (emisoras). Cada una opera en una porción del espectro => FDM • Cada estación tiene dos subcanales lógicos: música y avisos comerciales. Los dos alternan en la misma frecuencia, primero una ráfaga de música y luego una ráfaga de avisos y así siguiendo => TDM

  40. FDM

  41. TDM • Aunque FDM se utiliza todavía sobre cables de cobre o canales de microondas, requiere circuitería analógica. • En contraste TDM puede ser manejado enteramente por electrónica digital, y se ha vuelto de más amplio uso en años recientes. • TDM solo puede ser utilizado para datos digitales • Como el local loop produce señales analógicas, es necesario realizar una conversión analógico/digital en la end office, donde todos los local loops individuales se combinan sobre los troncales • Cómo múltiples señales de voz analógicas se digitalizan y combinan sobre un único troncal digital ?

  42. Señales Analógicas “transportando” analógicas y digital

  43. Señales digitales “transportando” analógicas y digital

  44. Teorema de Nyquist H. Nyquist (1924) probó que si una señal arbitraria ha sido pasada a través de un filtro pasabajo de ancho de banda BW, la señal puede ser completamente reconstruida tomando solamente 2BW muestras por segundo Frecuencia Muestreo= 2*BW

  45. PCM (Pulse Code Modulation) • Las señales analógicas son digitalizadas por un dispositivo llamado codec (coder-decoder), produciendo un número de 7 u 8 bits por muestra. • El codec toma 8000 muestras por segundo (125 µseg/muestra) debido a que el teorema de Nyquist establece que esto es suficiente para capturar toda la información de un canal telefónico de 4 KHz de ancho de banda • “”Ancho de banda”” de cada canal de voz = 64 Kbps. • Como consecuencia, virtualmente todos los intervalos de tiempo en el sistema telefónico son múltiplos de 125 µseg.

  46. Conversión analógico/digital

  47. Enlaces : “Transporte “ • T1: Utilizado en Norteamérica y Japón. Consiste de 24 canales de voz multiplexados juntos. • Un frame T1 consiste de 24 x 8 = 192 bits, más un bit extra para framing, conduciendo a 193 bits cada 125 µseg. • 1 / 0.000125 seg. x 193 bits = 1544000 bps T1=1,544 Mbps • ITU tiene también una recomendación para un carrier PCM a 2048 Mbps llamado E1

  48. Transporte T1 (1.544 Mbps)

  49. MODULACION

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