U08 Fundamentos Fsicos de las Comunicaciones (Complemento capa fsica)Redes de rea Local Prof.: Antonio Snchez

ndice

Fundamentos matemticos. Fundamentos y conceptos fsicos. Modulacin. Necesidad. Tipos de modulacin. Fsica de la comunicacin. Limitaciones del ancho de banda. Espectro electromagntico. Necesidad del dominio de las frecuencias en comunicaciones. Caudal mximo soportado por un canal. Multiplexacin. Multiplexacin y concentracin. Multiplexacin de frecuencias. Multiplexacin de tiempo. Medios de transmisin. Conductores elctricos. Fibra ptica. Sistemas inalmbricos. Deteccin y correccin de errores. MODEM. Tipos de modulacin para el MODEM. Elementos que componen el modem. Estndares. Tecnologa xDSL. Extensin del termino modem.

Prcticas.Conexin RS232C hiperterminal P02c Conexin MODEM hiperterminal

Bibliografa. CCNA4.0_Exploration1 Aspectos bsicos de Networking. Comunicaciones y redes de Computadores. Ed Prentice Hall. Stallin

1. Fundamentos matemticos

Una seal simple puede representarse matemticamente por una funcin seno o coseno. Se caracteriza por su amplitud, su periodo (frecuencia) y su fase F(t)=A sen(2f t) ; f=1/T

Conceptos de ondas Amplitud:

Valor mximo que alcanza una

seal.(A) Periodo: Tiempo que transcurre en un ciclo completo de la onda. (T) Frecuencia: Nmero de veces que la seal se repite en un segundo. (f). f=1/T; =2f La fase: ngulo de la seal en t=0 f(t)= A sen(2f t+0)0 = 2f t0f=1/T

Concepto de sealSeal: manifestacin de una magnitud fsica, que se propaga por un medio o canal.

La seal se puede representar como una funcin matemtica variable con el tiempo. La experimentacin fsica puede ayudarnos a definir el modelo matemtico que sigue la seal para poder simularla.

Principio de superposicinf(x + y) = f(x) + f(y)El efecto causado sobre una suma de seales es equivalente a la suma de los efectos producidos sobre cada seal por separado Nota: La importancia de este principio radica en que para estudiar una seal esta puede descomponerse en otras ms sencillas, conocidas y fciles de estudiar. Los efectos de los sistemas sobre la seal original puede determinarse estudiando lo que le ocurre a las seales conocidas que la componen.

V =IR

Conceptos Fsicos. Ley de Ohm.

Ley de Ohm. La ley de Ohm establece que toda seal elctrica se atena en un conductor de acuerdo con la ecuacin V=I*R Al valor R se le conoce como resistencia. La resistencia de un conductor es proporcional a la longitud e inversamente proporcional a la seccin. R= l / S Si la seal no es continua se habla de impedancia. No es una constante para un medio, sino que vara con la frecuencia. A distinta frecuencia los medios presentan distinta impedancia.

R Resistencia, se mide en Ohmios () Resistividad. Se mide en m l Longitud (m) S Seccin (m2)

Potencia . Salida Decibelio =10 log 10 Potencia . Entrada

Atenuacin y su medida

Al pasar por un medio las seales se atenan por efecto de la ley de Ohm. En los sistemas activos puede haber una amplificacin. La prdida o ganancia en una seal se mide en decibelios. La potencia es la energa suministrada por unidad de tiempo. Se mide en Watios. P=V I = V2 / R Puesto que R no es igual para todas las frecuencias, no todas se atenuarn de igual modo.

Si Potencia.Salida = Potencia.Entrada ; 10 Lg = 0 Si Potencia.Salida < Potencia.Entrada; 10 Lg < 0 Atenuacin Logaritmo Si Potencia.Salida > Potencia.Entrada; 1 10 Lg > 0 Ganancia0,5

0 0 0,5 1 1,5 2 2,5

-0,5

Lg10(x)-1 -1,5 -2 -2,5

Espectro de una seal y ancho de banda

Se llama espectro de una seal a la funcin que la representa en el dominio de la frecuencia Ancho de banda es la diferencia entre la mxima y la mnima frecuencia que tiene una seal en su espectro. Ancho de banda = fmax - fmin

Ancho de banda de un canal

Ancho de banda de un canal es la diferencia entre la frecuencia mxima y mnima que es capaz de transmitir. Las componentes de una seal que estn fuera del ancho de banda del canal no se transmitirn. Sern filtradas.

FiltrosTipos de filtros. Paso bajo: Atena las componentes de frecuencia superior a una dada. Paso alto: Atena las componentes de frecuencia inferior a una dada. Paso banda: Permite pasar las componentes de frecuencia pertenecientes a la banda indicada (queda definida por dos frecuencias: la superior y la inferior). Banda eliminada: Permite pasar las componentes de frecuencia superior e inferior, eliminando a las de la banda indicada

Dispositivo que permite que se propaguen las frecuencias pertenecientes a un intervalo e impide la propagacin del resto.

Dominio del tiempo y de la frecuencia

La voz humana

El sonido de la voz humana tiene frecuencias entre 100 y 10.000 Hz. No obstante la mayor parte de la energa se concentra entre los 500 y 800 Hz. En telefona se asigna a los canales un ancho de banda de 4 KHz. Las frecuencias superiores a 4 KHz no son transmitidas. El odo, por el contrario, puede percibir sonidos hasta unos 20 KHz.

Perturbaciones sobre las sealesEfectos que producen en la seal: Atenuacin: Debilitamiento de la seal debido a la resistencia o impedancia del medio y otros elementos que intervienen en la transmisin. Descenso de la amplitud de la seal. Queda recogida en la ley de Ohm (R=V/I) y le afecta la distancia y la seccin del conductor (R = Cte* longitud/seccin). Distorsin: Deformacin de la seal por falta de linealidad del canal. No trata por igual a todas las componentes de frecuencia de una seal. Ej: ecualizador. Interferencia: Adicin de una seal conocida no deseada a la de nuestro mensaje. Ej: Dos emisoras que emitan en la misma frecuencia; La misma seal llegue por dos caminos distintos (Atmsfera con situacin inestable). Ruido: Suma de mltiples interferencias desconocidas y aleatorias. Se pueden encontrar en toda la gama de frecuencias y es difcil de aislar. Si es selectivo si se puede aislar. Los propios componentes de los equipos generan ruido elctrico.

Ruido trmico, de fondo o blanco. Generado por el movimiento aleatorio de los electrones. Es inevitable y aparece en toda la gama de frecuencias. Ruido pasajero: Provoca la mayora de los errores en transmisin de datos. Lo puede generar un cambio de voltaje, una conexin sucia, tormentas,.. Fcil de detectar, difcil de recuperar. Ecos: Cambio de impedancia en un circuito. Conexin de dos cables de diferentes caractersticas (galgas).

Perturbaciones sobre las seales. Diagramas

Caractersticas del ruidoNo existe una seal elctrica que no tenga ruido. Es aditivo a la seal. Demasiado ruido puede corromper un bit y transformar unos en ceros y viceversa Conveniente: ratio Seal/Ruido elevado.

Cdigos de uso comn.

Codificar es representar una informacin de acuerdo con una norma comn (Cdigo) Los cdigos binarios ms utilizados son:

ASCII American Standard Code for Information Interchange . Se utiliz en un principio con 7 BIT, actualmente se ha generalizado a 8 BITs EBCDIC Desarrollado por IBM. Representa cada caracte con 8 BITs Baudot. Cdigo de 5 BITs utilizado por la red telegrfica Uencode. Cdigo de 16 BITs. Permite almacenar caracteres de mltiples idiomas. 65.536 smbolos distintos.

Modulacin. Concepto y necesidadEs un proceso mediante el cual una seal a la que conocemos como portadora, se le modifica algn parmetro (amplitud, frecuencia o fase) usando para ello una seal moduladora que es la que porta el mensaje. Se obtiene as una nueva seal, ya modulada que sea ms adecuada para la transmisin.

No basta con adecuarse a la naturaleza de la seal (transpondedores) La seal debe tener los parmetros adecuados a las caractersticas del canal de transmisin

Se modula por : Razones

Facilidad de radiacin

Usar la frecuencia adecuada al canal, alcance deseado, construccin de antenas. (= c T) Usar frecuencias en bandas que tengan menos ruido. Limitarnos a las frecuencias que nos han sido asignado por los organismos reguladores. Utilizar un mismo medio para crear mltiples canales incluso de distintas comunicaciones. Ej. Radio

Reduccin de ruido e interferencias

Asignaciones de frecuencias.

Multicanalizacin

Tipos de modulacin

Modulacin en amplitud. AM ASK

Sobre una seal portadora de frecuencia f hacemos que su amplitud sea variable con la seal que representa el mensaje a transmitir. Sobre una seal portadora de frecuencia f hacemos que su frecuencia sea variable con la seal que representa el mensaje a transmitir. Sobre una seal portadora de frecuencia f hacemos que su fase sea variable con la seal que representa el mensaje a transmitir.

S t =m t sen 2 ft S t = Asen 2m t t

Modulacin en frecuencia. FM FSK

Modulacin en fase. PM PSK

S t = Asen 2 ftm t

La seal modulada tiene un ancho de banda similar a la del mensaje pero alrededor de la frecuencia de la portadora.

El espectro electromagntico

Es una representacin de las distintas frecuencias que podemos utilizar con ondas electromagnticas, sus caractersticas y sus limitaciones tcnicas o legales.

Frec.1 KHz 10 KHz 100 KHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz 1014 Hz

sealAudio VLF LF MF HF VHF UHF SHF Infrarrojo visible UV RX R

MedioCables pares Cable pares, aire Cable pares, aire C. coaxial, aire C. coaxial, aire C. coaxial, aire C. Coaxial, aire Guias, aire fibra, aire fibra, aire

AplicacionesTelef. Telegr. Tel., Radio OL Navegacin AM, Aeronutica Radioafic., Civil FM, TV TV, radar, Satlite Intersatlite, microondas

Tabla orientativa del espectro electromagntico

MultiplexacinEs la tcnica por la que se hace convivir en un canal fsico varias seales, construyendo as varios canales lgicos.

Multiplexacin en la frecuencia (FDM)

Los canales lgicos se consiguen asignando bandas de frecuencias diferenciadas a cada uno de ellos. Los canales lgicos se consiguen asignando franjas de tiempo diferenciadas a cada uno de ellos.

Multiplexacin en el tiempo (TDM)

Caudal mximo de un canalCanal sin ruido. Teorema de Nyquist: Caudal mximo = 2 H Log2 V H ancho de banda en Hz; V nmero de niveles de la seal Se aplica a canales digitales. Vemos que el caudal aumenta linealmente con H El caudal crece de forma logartmica con V Canal con ruido aleatorio. Teorema de Shannont: Caudal mximo = H Log2 (1+ S/N) H ancho de banda en Hz; S Potencia media de la seal; N Potencia media del ruido Vemos que el caudal aumenta si aumenta H El caudal crece de forma logartmica con S/N. No