Unidad 3 Técnicas de transmisión, multiplexación y conmutación 3.1 Tipos de velocidades. Teoría de Telecomunicaciones
3.1 Tipos de Velocidades. Aunque las comunicaciones digitales comenzaron su gran desarrollo a partir de la década de los 50, mucha de la terminología y conocimientos básicos se han derivado del viejo arte de la telegrafía. Un resultado de esta situación ha sido la variedad de formas en las cuales se han definido las velocidades de transmisión y la consiguiente confusión que se ha creado. Un ejemplo muy común es la confusión entre el baudio, el bit y el bit por segundo (bps). Otro error frecuente es utilizar el baudio como sinónimo de bit por segundo. La velocidad en baudios o baud rate no debe confundirse con el bit rate. La velocidad en baudios de una señal representa el número de cambios de estado, o eventos de señalización, que la señal tiene en un segundo. Cada evento de señalización transmitido puede transportar uno o más bits. Sólo cuando cada evento de señalización transporta un solo bit coincide la velocidad de transmisión de datos en baudios y en bits por segundo. El baudio es un parámetro de naturaleza eléctrica que representa la velocidad de modulación o velocidad básica de transmisión en impulsos por segundo; es una medida de la capacidad de un canal para transportar impulsos digitales y está muy relacionado con el ancho de banda del canal. Estrictamente hablando, el baudio es un enunciado de la velocidad de señalización e indica cuántos impulsos de portadora son apropiados para transmitir información por unidad de tiempo sobre un canal dado. Por otro lado, el bit es la unidad de información y es una medida de la cantidad de información contenida en un mensaje dado y que puede transmitirse mediante impulsos o en cualquiera otra forma. El baudio no se refiere entonces a la cantidad o flujo de información; la cantidad de información que se puede “empacar” en cada baudio se representa por el número de bits por baudio, y la velocidad o flujo de la información se expresa en bits por segundo (bps). Digital La velocidad de la transmisión digital se mide en bits por segundo (bps). Son velocidades comunes de los módems: 28.8 Kbps, 33.6 Kbps, y 56 Kbps donde la K significa mil. Los dispositivos completamente digitales son mucho más rápidos. Cuanto más rápido, desde luego es mejor. Una velocidad de 2400 bps enviaría un texto de 20 páginas tecleado a un espacio, en 5 minutos. Análogica El lado análogo es medido en baudios, dónde un baudio es un cambio por segundo en la señal. Muchos usan bps y baudios cómo si fueran la misma cosa. Para velocidades de 2400 bps y menores, eso es verdad, pero no para las velocidades más elevadas donde por cada cambio de señal se transmite más de un bit. Tipos físicos Existen tres tipos de módem:
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Externos que se enchufan a un puerto serie en la parte de atrás de la computadora. Ventajas:
Llevarse a otra computadora fácilmente. No ocupa un zócalo adentro de la computadora. Las luces al frente muestran qué está haciendo el módem.
Desventajas: Ocupa espacio sobre la mesa. Agrega más cables a la m maraña. Internos Aquí la línea telefónica se conecta directamente a la plaqueta a través de la parte de atrás de la computadora. Ventajas:
Ahorra espacio sobre la mesa. Ahorra un cable.
Desventajas: Requiere un zócalo interno para periférico (Estos Estos pueden agotarse) Deben usar un software para que muestre las luces indicadoras de que es lo que hace el módem. Acústicos Aquí el teléfono se coloca oloca dentro del dispositivo dispositivo, que se conecta a la computadora. (La tecnología vieja! No muchos de éstos alrededor de más. ) Ventajas:
Puede usar el teléfono sin necesidad de mover el cable del mismo.
Desventajas: Voluminoso La conexión es más propensa propen a captar la estática e interferencias. Solamente puede usarse con un tipo de aparato de teléfono estándar. estándar
Módems Digital
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Un módem digital no tiene que hacer la conversión entre las señales analógicas y las digitales. Técnicamente no es en absoluto un "módem" ya que no está modulando y demodulando. Un módem digital es más rápido que un módem analógico. Para conseguir un aumento de velocidad usted tendrá que pagar más. Los módems digitales son más caros y también lo son las líneas para datos digitales de las compañías telefónicas. Estas tienen que instalar equipo adicional para algunos tipos de módems digitales. Normalmente un módem digital puede recibir datos a una velocidad mucho más alta de la que alcanza para enviarlos. Eso funciona muy bien, porque la mayoría de las personas sólo están mandando unas pocas contestaciones, en lugar de páginas web enteras o archivos de datos. Tipos de Módems Digitales Módem de ISDN (Integrated Services Digital Network) - Servicios Integrados de Red Digital - un dispositivo digital que utiliza una línea telefónica digital. Debería llamarse adaptador terminal, pero el nombre módem ya ha sido adoptado por costumbre. Un dispositivo ISDN es capaz de tener velocidades más altas que un módem normal, 64 Kbps para una sola línea y 128 Kbps para una línea dual garantizada. Los adaptadores ISDN cuestan más que los módems normales y también requieren hacer convenios especiales con las compañías telefónicas (y por supuesto más $$ para ellos!). Las líneas de fibra óptica son mejores para las mayores velocidades de transmisión de las ISDN, pero los cables de cobre usados en la mayoría de las casas y oficinas también funcionarán. Nota: Para obtener las velocidades más altas de su módem ISDN, necesitará una plaqueta de alta velocidad en la computadora I/O (entrada/salida) para ser conectada con el módem. DSL (más llamó exactamente ADSL) (Asymmetric Digital Subscriber Line) - Subscriptor de Línea Digital Asimétrica - una nueva tecnología que permite un solo cableado telefónico de línea normal, para servir al mismo tiempo para las llamadas telefónicas normales y los datos digitales. Un módem de ADSL recibe los datos a velocidades que van de 512 Kbps a 8Mbps y depende del tipo particular de servicio. ¡Incluso el tipo más lento es 4 veces más rápido que el mejor ISDN! La velocidad de la transmisión (upload) es mucho más lento, así la parte "asimétrica" del nombre repleto para esta clase del servicio. Eso no es un problema para la mayoría de las gente desde que ellos no necesitan transmitir (upload) muchos datos a la vez. Además de su gran velocidad, ADSL no requiere una línea telefónica separada y usted se halla conectado todo el tiempo. No necesitará ningún discado y marcado telefónico más. Puede usar un teléfono normal en la misma línea y al mismo tiempo en que usted navega por Internet. ¡No recibirá ningún tono de ocupado al llamar a sus amigos y parientes!
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Otra ventaja más, es que puede conectar fácilmente usted mismo a todas las nuevas partes. Esto ahorra muchas contrariedades ya que usted no tendrá que esperar que el operador de la compañía telefónica o de cable se presente. Cable MODEM Se conecta a su línea de TELEVISIÓN por cable y puede recibir a una velocidad de hasta 1.5 Mbps. Usted debe ser abonado al servicio de una compañía de TELEVISIÓN por cable, que también proporciona servicio de datos. Necesitará una caja de cable especial, a la que usted conectará su televisor y computadora. Usted estará compartiendo la línea con todos los clientes de cable conectados a su línea de cable particular. La velocidad real de transmisión que obtendrá, dependerá de cuántas personas estén usando el cable al mismo tiempo. Una vez que el cable módem se vuelva popular en su barrio, su velocidad se reducirá notoriamente. La mayoría de las compañías ahora restringen el nivel primero de la velocidad y equilibran la carga mejor que ellos usaron para hacer. Probablemente, todavía será más rápido que el ISDN o DSL.
3.1.1 Velocidad de Transmisión (bps) Velocidad binaria, tasa o flujo de bits (bit rate en inglés), es la velocidad global de transmisión expresada en bits por segundo. Se denomina velocidad de transmisión en un canal de datos, al número de dígitos binarios transmitidos en la unidad de tiempo, independientemente que los mismos lleven o no información. Está dada por la cantidad de bits que se transmiten por segundo independientemente de si los mismos contienen información o no. La unidad con que el SI (Sistema Internacional) expresa el bit rate es el bit por segundo (bit/s, b/s, bps). La b debe escribirse siempre en minúscula, para impedir la confusión con byte por segundo (B/s). Para convertir de bytes/s a bits/s, basta simplemente multiplicar por 8 y viceversa. Que la unidad utilizada sea el bit/s, no implica que no puedan utilizarse múltiplos del mismo: − − − − − − −
kbit/s o kbps (kb/s, kilobit/s o mil bits por segundo) Mbit/s o Mbps(Mb/s, Megabit/s o un millón de bits por segundo) Gbit/s o Gbps (Gb/s, Gigabit, mil millones de bits) Byte/s (B/s u 8 bits por segundo) kilobyte/s (kB/s, mil bytes u ocho mil bits por segundo) Megabyte/s (MBs/s, un millón de bytes u 8 millones de bit por segundo) Gigabyte/s (GB/s, mil millones de bytes u 8 mil millones de bits)
Ejemplo: Velocidades típicas de los accesos de conexión a Internet actuales (2007) ·
Módem Telefónico: 56 kbps = 7 kB/s (7 kiloBytes por segundo)
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· · · ·
ADSL: 1024 kbps (nominal 1 Mbps) = 128 kB/s (128 kiloBytes por segundo) Cable: 2400 kbps = 300 kB/s (300 kiloBytes por segundo) VSAT: 600 kbps = 75 kB/s (75 kiloBytes por segundo) Telefonía móvil 3G: 384 kbps = 48 kB/s (48 kiloBytes por segundo)
Bit rate para transmisión sonora · · · · · ·
8 kbit/s teléfono. 32 kbit/s Radio AM 96 kbit/s Radio FM 128 kbits/s Sonido calidad semi CD, muy común en MP3 192 kbit/s Sonido calidad CD en formato MP3 320 kbits/s Máxima calidad para formato MP3
Estas velocidades son brutas. En la práctica, la velocidad neta disponible para el usuario, suele ser entre un 10-15 % menor, debido al ancho de banda consumido por las cabeceras y las colas de los protocolos. Si la velocidad de modulación es Vm, la velocidad de transmisión está dada por:
Si tenemos un canal trabajando con dos niveles como sucede con el sistema binario, la velocidad de transmisión resulta
La unidad de medida de la velocidad de transmisión es bits/segundo. Si se tiene un sistema multinivel, se puede incrementar la velocidad de transmisión sin cambiar la velocidad de modulación. Por ejemplo: Si n = 4
Si n = 8
Si tenemos dos bits, las posibles combinaciones serán: 0
0
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0 1 1
1 0 1
Si establecemos un nivel para cada combinación obtendremos una señal multinivel
Si aplicamos lo anterior a una secuencia binaria la señal que se transmite tendrá la siguiente forma:
La señal anterior, si bien posee la misma velocidad de modulación que una señal binaria tiene mayor velocidad de transmisión puesto que cada nivel significa la transmisión de 2 bits (dibit). El concepto de velocidad de modulación se emplea en transmisiones sincrónicas, puesto que en transmisiones asincrónicas carece de sentido ya que no se tiene en cuenta la duración de los bits de arranque y parada. 3.1.2 Velocidad de Modulación (baudios) Se define como la inversa del tiempo más corto entre dos instantes significativos de la señal.
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Esta velocidad está dada por la velocidad de cambio de la señal y por lo tanto dependerá del esquema de codificación elegido. También se suele definir como “la inversa del tiempo que dura el elemento más corto de señal que se utiliza para crear un pulso”. La velocidad de modulación, también se suele llamar velocidad de señalización. Hay que diferenciar entre la razón de datos ( bits por unidad de tiempo ) y la velocidad de modulación (elementos de señal por unidad de tiempo ) . Cuanto mejor sea el sistema de codificación, mayor velocidad de modulación se podrá obtener. Relación entre el ancho de banda y la velocidad de transmisión Si se tiene un sistema de comunicaciones a través del cual se transmiten datos binarios, señal cuadrada, y considerando que la frecuencia de dicha señal es de 1 MHz. De acuerdo al desarrollo de Fourier, por ser la señal cuadrada, solo tendremos armónicas impares y si aceptamos una deformación que permita despreciar a las señales más allá de la 5ª armónica, el ancho de banda necesario para transmitir dicha señal será: BW = 5f – f = 4f BW = 5MHz – 1MHz = 4MHz
Ahora bien, si consideramos que a dicha frecuencia estamos transmitiendo ceros y unos, el periodo resultara t = 1 µs, razón por la cual el tiempo de duración de cada bit será 0.5µs y ello implica una velocidad de modulación de 2MBaudios. Si consideramos que se trata de un solo canal y por ser la señal cuadrada tenemos 2 niveles, resulta que la velocidad de transmisión y la
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velocidad de modulación coinciden numéricamente, resultando la velocidad de transmisión VT = 2 Mbits/seg. Si ahora consideramos tener una señal cuya frecuencia es de 2MHz y aceptamos una distorsión, al igual que en e caso anterior, que permita despreciar a las señales más allá de la 5ª armónica, el ancho de banda resultará f = 2MHz BW = 5 * 2MHz – 2MHz =10 MHz – 2 MHz = 8MHz
En este caso la duración de cada bit es de 0.25 ms, por lo tanto, siguiendo el mismo razonamiento del caso anterior, la velocidad de transferencia resultara de 4 Mbits/seg. Si en un tercer análisis consideramos que la frecuencia de la señal es de 2MHz pero aceptamos una distorsión en la cual se desprecian las señales cuya frecuencia esté más allá de la tercera armónica, el ancho de banda resultara f = 2MHz BW = 3 – 2MHz – 2 MHz = 4MHz
y para la frecuencia dada la velocidad de transmisión es, igual que en el caso anterior, de 4 Mbits/seg. Del análisis anterior podemos obtener las siguientes conclusiones: · · · ·
Para transmitir una señal sin deformación se requiere un ancho de banda infinito. Todo medio de transmisión disminuye el ancho de banda, razón por la cual todas las señales sufren alguna deformación. Cuanto mayor es el ancho de banda mayor es la velocidad de transmisión que puede obtenerse. Cuanto mayor es la frecuencia de la señal, mayor es la velocidad de transmisión puesto que cada bit tiene un menor tiempo de duración y ello hace que sea posible enviar mayor cantidad de bits en el mismo tiempo.
Capacidad de un canal Nyquist determinó que la máxima velocidad alcanzable para un ancho de banda dado es dos veces dicho ancho de banda si no existe ruido. Si se tienen señales de más de dos niveles, es decir que cada elemento de las señales representa más de un bit, la fórmula de Nyquist resulta C = 2 BW log2M donde M es la cantidad de niveles.
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Si existe ruido, la velocidad de transmisión debe disminuir pues se corre el riesgo de aumentar la taza de errores ya que mayor cantidad de bits pueden verse afectados en el mismo tiempo. Solo es posible incrementar la velocidad de transmisión por medio de una transmisión multinivel. Capacidad de un canal con ruido Teniendo en cuenta que el ruido es un parámetro fundamental y que el mismo se evalúa en potencia Shannon estableció que la capacidad de un canal de comunicaciones esta dada por la siguiente expresión
La expresión de Shannon indica el máximo límite teórico que puede obtenerse y a dicha capacidad se la denomina capacidad libre. En forma práctica la capacidad de un canal es siempre menor que la capacidad libre.