3.2. Comunicación de Datos.

Tecnológico Nacional de México/Campus Oaxaca Ing. Miguel Ángel Pérez Solano

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Este documento cubre los conceptos de la UNIDAD 3 SUBTEMA 3.2

3.2. Comunicación de Datos. 3.2.1 Transmisión digital de datos.

La comunicación de datos es el proceso de transferir información digital, por lo general, en forma binaria, entre dos o más puntos. Tanto en la fuente como en el destino, los datos están en forma digital; sin embargo, durante la transmisión, pueden estar en forma digital o analógica (acá modulada). Una red de comunicación de datos puede ser tan simple como dos computadoras personales conectadas a través de una red pública de telecomunicaciones, o puede abarcar una red compleja de una o más computadoras centrales y cientos, o hasta miles, de terminales remotas; computadoras personales y estaciones de trabajo. Hoy, las redes de comunicación de datos se usan para interconectar casi todas las clases de equipos de cómputo, como por ejemplo los cajeros automáticos con las computadoras de los bancos, las computadoras personales con las carreteras de información como Internet, y estaciones de trabajo con computadoras llamadas servidores centrales. Una red de cómputo es utilizada para comunicar datos desde una estación a otra en red. Se ha mencionado que datos analógicos o digitales viajan a través de un medio de comunicación en forma de señales eléctricas desde la fuente hacia el destino. El canal (channel) enlaza el transmisor y el receptor, y puede ser un medio de transmisión guiado (físico ó wired) o no guiado (inalámbrico o Wireless). Sin importar el medio, la señal que atraviesa el canal se vuelve atenuada y distorsionada a medida que incrementa la distancia. Por lo anterior, se adopta un proceso que iguale las propiedades de la señal transmitida a las características del canal para comunicarlas eficientemente sobre el medio de transmisión. Hay dos alternativas; los datos pueden ya sea ser convertidos a una señal digital o analógico. Ambas propuestas tienes pros y contras. Serán usadas dependiendo de la situación y del ancho de banda disponible.

Ahora, los datos pueden ser codificados para tenerlos en formato digital. Para señalización digital, la fuente de datos puede ser ya sea; analógica o digital, lo cual, son codificados en señal digital utilizando diferentes técnicas de codificación. Señalización se refiere a la forma en que los datos viajaran en el medio de transmisión.

Así pues, las bases de la señalización analógica es usar una señal de frecuencia constante conocida como portadora (carrier), la cual es elegida que sea compatible con el medio de transmisión que será usado, de manera que puede atravesar una distancia larga con el mínimo de atenuación y distorsión. Los datos pueden ser transmitidos utilizando estas señales portadoras por un proceso llamado modulación, donde uno de los parámetros fundamentales de la onda portadora, ya sea; amplitud, frecuencia o fase, que serán modificadas en función de la señal que representa a los datos. La señal resultante llamada señal modulada atravesará el medio, y será demodulado en el lado receptor en donde se extraerá la señal de información. Las cuatro posibilidades de adecuación de la señal de información al medio de información se muestran en la figura 3.2.1.1.

DATOS SEÑALIZACION ESQUEMA DE ADECUACION

Medio de Transmisión

Digital Digital Codificación Guiado (NRZ, MANCHESTER…) Analógico Digital Codificación Guiado (PAM, PCM…) Análogo Análogo Modulación No-guiado (visto en Unidad 2: AM,

FM , PM) Digital Análogo Modulación No-guiado ((visto en 3.1: ASK,

FSK, QPSK, Mario_PSK, Mario_QAM.

Figure 3.2.1.1 Varios enfoques para la conversión de datos a señales.


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En esta parte de la unidad, estaremos enfocados en estudio de las varias técnicas para la conversión de datos analógicos y digitales a una señal digital, proceso conocido como técnicas de codificación. El uso de la señalización digital está generalizado porque los circuitos digitales son económicos y por la flexibilidad del enfoque digital, que se da porque los datos de fuentes digitales pueden combinarse con otros datos digitalizados derivados de fuentes analógicas para ofrecer un sistema de comunicación de propósito general. Las señales involucradas en el problema de la conversión analógica a digital son de banda base. También se observa que las señales digitales pasabanda de comunicación se producen con señales digitales de banda base para la modulación de una portadora, como se describió en la subunidad 3.1 3.2.2 Detección de Errores. Durante la transmisión de información digital a través de un sistema o canal se producen errores prácticamente inevitables debido a la presencia de ruido y a otros factores que alteran la información que transporta el sistema. Es por ello necesario establecer formas, para evitar los errores, por lo menos para poder reconocer su presencia y si es posible corregirlos. El proceso de control de errores es de gran importancia pues debido a la baja redundancia de los datos digitales, un grupo de números o símbolos alfanuméricos erróneo puede parecerse a otro significando, algo muy diferente. El concepto de redundancia lo podemos entender mejor mediante un sencillo ejemplo: el conjunto [00, 01, 10, 11] de palabras o mensajes binarios no es redundante porque todas las palabras posibles de dos dígitos binarios están contenidas en el conjunto; un error de transmisión en cualquiera de las palabras la convierte en otra palabra válida del conjunto y no habría manera de detectar el error. La redundancia es de capital importancia en el control de errores, pues, como lo estableció Shannon, no es posible transmitir sin error si los códigos utilizados tienen cero redundancias. En los sistemas de comunicación actuales el control de errores se efectúa mediante la aplicación de códigos especiales que agregan redundancia (bits extras); estos códigos son de la clase de “códigos de canal” para diferenciarlos de los códigos de línea, que se estudiarán más adelante. Esta redundancia agregada permite detectar y/o corregir los errores ocurridos durante la transmisión de las tramas de datos. En este capítulo vamos a describir en forma algorítmica algunos de los códigos más utilizados para la detección y/o corrección de errores.

Detección y corrección de error: Cuando se recibe una trama de dígitos binarios es necesario asegurarse de que no contiene errores de transmisión. Si se detecta que la trama está en error, se tienen dos opciones, una es; corregir el error en el sitio y la otra solicitar su retransmisión. Esta situación ha producido las dos técnicas de control de errores comúnmente utilizadas: la “Corrección Directa de Error (Forward Error Correction, FEC)” y la “Solicitud de Repetición Automática (Automatic Repeat Request, ARQ)”. En la técnica FEC se utilizan códigos para detectar y/o corregir los errores en el receptor; mientras que en la técnica ARQ los códigos solamente detectan la presencia de errores en los datos recibidos y se solicita en alguna forma la repetición de los bloques que vienen en error. La técnica ARQ es la que se utiliza comúnmente en los protocolos de comunicación. Cualquiera que sea la estrategia de control de error; FEC o ARQ, la secuencia transmitida debe ser codificada, es decir, se le debe agregar una cierta redundancia (bits de redundancia). Estas técnicas se basan en el siguiente principio mostrado en la Fig.3.2.2.1. Dada una trama de bits que representan al mensaje, se le agregan bits adicionales por parte del transmisor para crear un código capaz de detectar o si es posible, corregir errores. Este código se calculará en función de los bits que representan el mensaje. El receptor realizará otro cálculo (que puede ser el mismo) y en base a ello determinara si el mensaje recibido es correcto o está en error.


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Figura 3.2.2.1 Mecanismos de detección y corrección de errores de transmisión. Mecanismo de paridad: Los mecanismos de paridad son los más sencillos y tienen una probabilidad de detección (solo detectan) muy pobre, y se clasifican de la siguiente manera:

Figura 3.2.2.2 Clasificación de los mecanismos de paridad.

Paridad Simple: El mecanismo de paridad simple, consiste en agregar un bit a la izquierda a una trama binaria (generalmente de 7 bits, y al final resultan 8), a fin de asegurar que el numero de 1´s incluyendo el de paridad, sea un numero par (even parity) o impar (odd parity). La tabla siguiente muestra los códigos de paridad par e impar, que es el bit que se pone como el bit más significativo (MSB). Este mecanismo se conoce también como HRC ó LRC (Horizontal redundance check/ Longitudinal redundance check).

Trama de datos

Bit de paridad par

Bit de paridad impar

Trama de datos con paridad par

Trama de datos con paridad impar

1010101 0 1 0 1010101 1 1010101 1110010 0 1 0 1110010 1 1110010 0101010 1 0 1 0101010 0 0101010 1100110 0 1 0 1100110 1 1100110 1100111 1 0 1 1100111 0 1100111 1111111 1 0 1 1111111 0 1111111

La forma es que funciona este mecanismo, es que en el transmisor se genera el bit de paridad par (mediante una operación XOR de todos los bits de datos) o impar (mediante una operación XNOR), se transmite; En el receptor se recuperan los bits de datos (en este ejemplo son 7) y se vuelve a generar el bit de paridad. Este último se compara con el que trae el dato, si son iguales se da por buena la trama, y si no, se solicita un reenvió (ARQ).

Paridad cruzada (redundancia vertical y horizontal:VRC y HRC): El checkeo de paridad vertical (VRC) es un esquema de detección de error similar a la prueba de paridad sencilla aplicada a cada uno de los caracteres de un bloque de datos. Por su parte, la prueba de paridad horizontal o longitudinal (HRC o LRC) se utiliza para determinar si un error de transmisión ha ocurrido en un mensaje compuesto por varios caracteres. La secuencia de dígitos en el LRC se calcula en el


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transmisor y se transmite como el último carácter del mensaje; es el carácter BCS ó BCC (Block Check Sequence/Block check character: Secuencia de comprobación de bloque/Caracter de comprobación de bloque). En el receptor el BCS se recalcula y se compara con el BCS transmitido, si son iguales, se supone que no hubo errores en la transmisión; si son diferentes, hubo error en la transmisión y se puede solicitar la retransmisión del bloque completo. En la Figura 7.2.2.3 se muestra el mecanismo de generación de las paridades VRC y LRC, en ASCII. El BCS contiene 8 bits.

La LRC es F616 o 1111 0110

Figura 7.2.2.3 Mecanismo de generación del BCS (paridad vertical impar y paridad horizontal par).

El bit VRC para cada carácter se calcula en dirección vertical, y los bits LRC en dirección horizontal. El grupo de caracteres que forman el mensaje (por ejemplo, EL BIT) se suele llamar bloque de datos. Así, la secuencia de bits para la LRC se llama con frecuencia carácter de comprobación de bloque (BCC: Block Check Charácter) o secuencia de comprobación de bloque (BCS: block check sequence). La BCS es más adecuada, porque la LRC no tiene función como carácter, es decir, no es un carácter alfanumérico, gráfico ni de control. La LRC es solo una secuencia de bits que se usa para la detección de errores.

Se ha comprobado que la LRC tiene una probabilidad de detectar del 95 al 98% de todos los errores en una transmisión. No detecta errores de transmisión cuando una cantidad par de caracteres tienen un error en el mismo lugar de bit. Por ejemplo, si el b4 está en error en dos caracteres distintos, la LRC sigue siendo válido, aun cuanto hayan sucedido varios errores de transmisión bajo éstas condiciones.

Comprobación de redundancia cíclica (CRC: Cyclic redundance check): Se considera como el esquema más confiable para la detección de errores. Con este sistema se detecta más o menos el 99.95% de los errores que se presenten en una transmisión. CRC es utilizado con tramas de tamaños diversos, dependiendo de la tecnología que lo utilice.

En Norteamérica, el código CRC más utilizado es el CRC-16, idéntico al estándar CCITT V.41, que es la norma internacional, aunque existen otros estándares. En el CRC-16, se utilizan 16 bits para la secuencia de comprobación de bloque (BCS: Block Check Sequence). En esencia, el carácter CRC es el residuo de un proceso de división. Se divide un polinomio G(x) de mensaje de datos entre una función P(x) generadora de polinomios, se desecha el cociente y se trunca el residuo a 16 bits y se agrega el mensaje. Sin embargo, para la generación del CRC, la división no se realiza como un proceso normal de división aritmética. En lugar de usar la resta directa, el residuo se determina con una operación XOR. En el receptor, la trama de datos recibidos, incluyendo la BCS, se dividen entre la misma función generadora P(x). Si no se han presentado errores de transmisión, el residuo será cero. El polinomio generador para la CRC-16 es:

Siendo x0 = 1.


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Existen otros polinomios generadores, muy comunes en las tecnologías de telecomunicaciones, y son:

La cantidad de bits en el código CRC (que serán los bits de redundancia) es igual al máximo exponente del polinomio generador. Los exponentes identifican las posiciones de bit que contienen un 1. En consecuencia, bit 16 (x16), bit 12 (x12), bit 5 (x5) y bit 0 (x0) son unos, y las demás posiciones de bit son cero. La figura 3.2.2.4 muestra el bit de bloques de un circuito para generar una BCS de CRC-16, para la norma CCITT V.41. Nótese que, para cada posición de bit del polinomio generador, donde hay un 1, se pone una compuerta XOR, excepto para x0.

Figura 3.2.2.4 Circuito generador para CRC-16

Ejemplo de cómo aplicar este método. Determinar la BCS para los siguientes datos y polinomios generadores CRC, teniendo los siguientes datos:

Datos a enviar:

Polinomio generador para obtener el CRC: .

Solución: Primero se multiplica el polinomio de los datos con el termino de mayor exponente del polinomio generador y se obtiene el correspondiente patrón binario:

A continuación, el resultado se divide entre P(x).


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La CRC se agrega del lado derecho a los datos para producir la siguiente corriente de datos transmitidos.

En el receptor, los datos transmitidos (datos más el CRC) se vuelven a dividir entre P(x).

Códigos de detección y corrección de errores: Existe un método que detecta y corrige errores en el receptor, también se le conoce como código de corrección de error en sentido directo (FEC: Forward error correction). Repetimos, es el único esquema de corrección de errores que realmente detecta y corrige los errores de transmisión en la recepción, sin pedir la retransmisión.

En el sistema FEC se agregan bits al mensaje antes de transmitirlo. Un código muy difundido para corregir errores es el código Hamming, desarrollado por R. W. Hamming en los Laboratorios Bell. La cantidad de bits en el código Hamming depende de la cantidad de bits de la trama de datos. La cantidad de bits de Hamming que se deben agregar a un carácter se calcula con la siguiente ecuación:

Algoritmo Hamming para encontrar los bits redundantes: El siguiente algoritmo genera un SEC (Single error correction code: código de corrección de error de 1-bit). La idea principal es calcular los bits de corrección de errores (bits redundantes, también llamados bit de paridad). Estos bits se colocan en las posiciones de potencias de 2 (2n, n= 0, 1, 2, 3……..).

Los siguientes pasos implementar este algoritmo son. ver figura 3.2.2.5.

1. Enumerar los bits a partir de 1 (position bit: de izquierda a derecha): bit 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, etc. Usar la formula anterior para calcular el total de bits que se manipularan

2. Todas las posiciones de los bits de paridad serán en posiciones que son potencias de dos, (tener solo un 1 bit en la forma binaria de la posición) esto es: 1, 2, 4, 8, etc. (en binario; 01, 10, 100, 1000).

3. Todas las otras posiciones, con dos o más 1’s en la forma binaria de su posición, serán los bits de datos.

4. Cada bit de datos estará incluido en un conjunto único de 2 o más bits de paridad, tal como se determina por la forma binaria de su posición de bit. Los bits de paridad o redundantes determinaran su valor en función de los bits de datos que cubran.

1. Bit de paridad 1 (P1) colocado en la posición 1, cubre todas las posiciones de bit que tienen un 1 en el bit menos significativo: posiciones 1,3,5,7,9………


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2. Bit de paridad 2 (P2) colocado en la posición 2, cubre todas las posiciones de bit que tienen un 1 en el segundo menos significativo: posiciones 2, 3, 6, 7, 10, 11, etc.

3. Bit de paridad 3 (P3) cubre todas las posiciones de bit que tienen un 1 en el tercer bit menos significativo: Bits 4,5,7,12,13,14………… etc.

4. Bit de paridad 4 (P4) cubre todas las posiciones de bit que tienen un 1 en el cuarto menos significativo conjunto de bits: Bits 8,9,10,11,12, 13….. etc.

5. Y así sucesivamente…. 6. Los bits de paridad se obtienen mediante la paridad par.

La forma de la paridad es irrelevante. Paridad par es matemáticamente más simple, pero no hay diferencia en la práctica.

Esta regla general se puede mostrar visualmente:

Figura 3.2.2.5 Tabla de asignaciones de la posición de bit de acuerdo al algoritmo Hamming.

Se muestran sólo 20 bits codificados (5 de paridad y 15 de datos de acuerdo a la formula), pero el patrón puede continuar indefinidamente. Para comprobar si hay errores, comprobar todos los bits de paridad. El patrón de errores, llamado el síndrome de error, identifica el bit de error. Si todos los bits de paridad son correctos, no hay ningún error. De lo contrario, la suma de las posiciones de los bits de paridad erróneas identifica el bit erróneo. Por ejemplo, si los bits de paridad en las posiciones 1, 2 y 8 indican un error, entonces el bit 1 + 2 + 8 = 11 está en error. Si sólo un bit de paridad indica un error, el bit de paridad en sí está en error.

Ejemplo de uso del código Hamming: Calcular los bits redundantes para el siguiente patrón binario:

Dato: 0101001 (son 7 bits)

Solución: Aplicando la fórmula se satisface la siguiente condición: 24 ≥7 + 4 +1, el valor de 3 no satisface la relación. Por lo tanto, se calculan 4 bits de redundancia y 7 de datos, en total 1110

Dato + hamming

P1 P2 d1 P3 d2 d3 d4 P4 d5 d6 d7

posicion 0001 (1)

0010 (2)

0011 (3)

0100 (4)

0101 (5)

0110 (6)

0111 (7)

1000 (8)

1001 (9)

1010 (10)

1011 (11)

datos 0 1 0 1 0 0 1 P1 1 0 1 1 0 1 P2 0 0 0 1 0 1 P3 0 1 0 1 P4 1 0 0 1 Palabra a enviar

1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1


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En el receptor se recalculan los bits de paridad extrayendo los datos de la trama. Se ha insertado un error en la posición 11 (once), esto es en d7.

Dato + hamming

P1 P2 d1 P3 d2 d3 d4 P4 d5 d6 d7

posición 0001 (1)

0010 (2)

0011 (3)

0100 (4)

0101 (5)

0110 (6)

0111 (7)

1000 (8)

1001 (9)

1010 (10)

1011 (11)

Datos recibidos sin bits de paridad

0 1 0 1 0 0 0

P1 0 0 1 1 0 0 P2 1 0 0 1 0 0 P3 0 1 0 1 P4 0 0 0 0

Se ponen en ese orden P4 P3 P2 P1 Paridad que traía el mensaje: 1 0 0 1 Paridad recalculada: 0 0 1 0 Operación XOR entre estos dos patrones binarios = 10112 = 1110, esto indica que el bit 11(bit once) tiene error, solo hay que cambiarlo a cero para corregir.

Fuente: checar este enlace para su explicación.

3.2.3 Conversión de datos. El primer acercamiento de conversión (codifica) de un dato digital a una señal digital, es usar la técnica conocida como codificación de línea (line coding), como se muestra en la figura 3.2.3.1.

Figura 3.2.3.1 Line coding to convert digital data to digital signal

A continuación, se describen importantes parámetros que caracterizan a las técnicas de codificación en línea.

Número de niveles de la señal: Esto se refiere al número de valores permitidos en una señal, conocido como niveles de señal para representar datos. La figura 3.2.3.2a muestra 2 niveles de señal, mientras que en 3.2.3.2b muestra una señal de 3 niveles de señal para representar datos binarios.

Figura 3.2.3.2 (a) Señal con 2 niveles de voltaje. (b) Señales con 3 niveles de voltaje.


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Bit rate versus Baud rate: La tasa de bits (bit rate) representa el número de bits enviados por segundo, mientras que la tasa de bauds (baud rate) define el número de elementos (símbolos) de señal por segundo. Dependiendo de la técnica de codificación (en línea) utilizada, el parámetro “baud rate” puede ser mayor o menor que el “data rate”.

Componentes de DC: Después de la codificación en línea, la señal puede tener una componente de frecuencia cero en el espectro de dicha señal, la cual es conocida como componente de corriente directa (DC: direct-current). La componente de DC es una señal no deseable bebido a que no pasa a través de algunos componentes de un sistema de comunicación tal como un transformador. Esto lleva a una distorsión de la señal y puede crear error a la salida. La componente de DC también resulta en pérdidas de energía no deseadas sobre la línea (cableado o fibra).

Espectro de la señal: Las diversas codificaciones de datos llevan a diferentes espectros de la señal. Es necesario utilizar la técnica de codificación adecuada para adaptarse con las características del medio y que así la señal sufra la mínima atenuación y distorsión en su viaje a través del medio.

Sincronización (synchronization): Para interpretar correctamente la señal recibida, en el intervalo de bit del receptor (tiempo de bit) deberá ser exactamente el mismo o estar dentro de ciertos límites del que tiene el transmisor. Cualquier discordancia (mismatch) entre los dos puede llevar a una mala interpretación de la señal recibida. Usualmente, el clock es generado y sincronizado desde la señal transmitida con la señal recibida con la ayuda de hardware especial conocido como PLL (phase loop locked: lazos amarrados en fase). Una comunicación sincronizada puede ser lograda sin un clock, esto si la señal recibida viene codificada con los llamados códigos autosincronizados, los cuales tienen transiciones de la señal; mínimo, una transición por intervalo de bit en la señal, esto es, llevan el dato y la sincronía.

Costo de implementación: Es deseable mantener le técnica de codificación más simple de manera que no se incurra en el alto costo de su implementación.

Técnicas de codificación de línea (Line Coding Techniques). Las técnicas de codificación de línea pueden ser ampliamente divididas en tres amplios rangos, en función de los niveles de voltaje asignados a los estados lógicos: Unipolar, Polar y Bipolar, como se muestra en la figura 3.2.3.3

Figure 3.2.3.3: Tres categorías básicas de las técnicas de codificación de línea.

SEÑALIZACIO UNIPOLAR: En la técnica de codificación unipolar, únicamente se utilizan dos niveles de voltaje (un estado lógico es 0V y el otro puede ser +V o –V). Esta usa únicamente una polaridad de nivel de voltaje como se muestra en la figura 3.2.3.4. En éste enfoque de codificación, el bit rate es igual al data rate. Desafortunadamente hay componentes de DC presentes en la señal codificadas lo que da lugar a pérdidas de sincronización y se generan por grandes secuencias de 0´s o 1´s. Nótese que es simple pero obsoleto.


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Figure 3.2.3.4 Codificación unipolar con 2 niveles de voltaje; un estado lógico 0V y el otro estado lógico

puede ser +V o –V.

SEÑALIZACION POLAR: La técnica de codificación polar utiliza 2 niveles de voltaje; uno positivo (+V) y el otro negativo (-V), asignados a cada uno de los estados lógicos. Cuatro diferentes esquemas de codificación bajo ésta técnica se muestran en la figura 3.2.3.5.

Figura 3.2.3.5 Tres esquemas básicos de codificación de línea basados en técnica polar.

Código NRZ (Non Return to Zero: Sin retorno a cero): Esta es la forma más común y más fácil de transmitir señales digitales utilizando 2 niveles de voltaje para los dos dígitos binarios. Usualmente un voltaje negativo (-V) es utilizado para representar un estado lógico y un voltaje positivo (+V) para el otro. El dato es codificado a la presencia o ausencia de una transición de señal al inicio de cada tiempo de bit. Como se muestra en la figura 3.2.3.6, en la codificación NRZ el nivel de la señal permanece, es decir, no cambia, durante el periodo del bit. Hay dos esquemas de codificación en NRZ: NRZ-L y NRZ-I.

Figure 3.2.3.6 Esquemas de codificación NRZ.

Las ventajas de la codificación NRZ son:

Es más fiable detectar una transición en la presencia de ruido que comparar un valor en su umbral de nivel.

Los códigos NRZ son fácil manipulables para hacer un uso eficiente del ancho de banda (espectro).

El espectro de las señales NRZ-L y NRZ-I se muestran en la figura 3.2.3.7. Puede verse que la mayoría de la energía es concentrada entre 0 y la mitad de la tasa de bits (bit rate). Las principales limitaciones son la presencia de una componente de DC y la falta de capacidad de sincronización. Cuando hay una larga


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cantidad de 0´s o 1´s, el lado receptor fallará en regenerar el clock y la sincronización entre los relojes del transmisor y receptor fallará.

Figura 3.2.3.7 Espectro de señal de los códigos NRZ.

Código RZ (Return to Zero, retorno a cero): Para asegurar sincronización, debe haber una transición de señal dentro de cada tiempo de bit como se muestra en la figura 3.2.3.8. Acá el 1 retorna a 0 a la mitad del tiempo de bit, y el 0 permanece en su nivel (pueden intercambiarse).

Este código de línea usado en telecomunicaciones, son señales que caen (retornan) a cero entre el tiempo que dura cada pulso. Esto toma lugar cuando si un numero de 0´s o 1´s consecutivos ocurren en la señal. La señal es autosincronizada, pero tiene la desventaja de utilizar el doble del ancho de banda para lograr la misma tasa de bits comparado con el código NRZ.

Figura 3.2.3.8 Técnica de codificación RZ.

Bifase (Biphase): Para superar las limitaciones de la codificación NRZ, pueden ser empleadas técnicas de codificación bifase. Las codificaciones manchester y manchester diferencial son 2 técnicas bifase muy comunes en uso, como se muestra en la figura 3.2.3.9. En la codificación manchester, la transición a la mitad del tiempo de bit sirve como mecanismo de sincronía y también como dato.

En la codificación Manchester hay una transición a la mitad del tiempo de bit, un binario 1 corresponde a una transición de bajo a alto, y un 0 de alto a bajo. Es decir, en un tiempo de bit, en la mitad de este se manda el complemento y en la otra mitad el bit correspondiente.

En la codificación Manchester diferencial, la transición a la mitad de cada tiempo de bit es utilizada para sincronización. La codificación para el 0 está representada por la presencia de una transición tanto al inicio como a la mitad del tiempo de bit, y un 1 es representado solo por una transición a la mitad del tiempo de bit. Las características clave de estas codificaciones son:

Tiene dos niveles de voltaje


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No contiene componentes de DC Muy buena sincronización Muy alto ancho de banda doblando la tasa de modulación (baud).

El ancho de banda requerido para técnicas bifase son mucho mayores que las técnicas NRZ, pero debido a la transición predictible durante cada tiempo de bit, el receptor puede sincronizarse apropiadamente en esa transición, ver figura 3.2.3.10. Las señales codificadas en bifase no tienen componentes de DC como se muestra en la figura 3.2.3.9. El código manchester es hoy en día muy popular y ha sido especificado por el estándar 802.3 para una transmisión en banda base sobre redes LAN en cable par trenzado (UTP, STP) con protocolo CSMA/CD.

Figura 3.2.3.9 Esquemas de codificación Manchester

3.2.3.10 Espectro de frecuencia de los esquemas de codificación manchester.

SEÑALIZACION BIPOLAR: Estas técnicas de codificación, utilizan 3 niveles de voltaje (+V, -V, 0V). Un ejemplo de éstos códigos es AMI bipolar (Alternate Mark Inverted). Como se muestra en la figura 3.2.3.11, éste código alterna entre +V y –V el bit 1 y 0V para el bit 0. Una desventaja de este código es la pérdida de sincronía en grandes secuencias de 0´s.


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Figura 3.2.3.11Codificacion AMI bipolar.

Pseudoternario: Este esquema de codificación es muy similar al AMI bipolar, solo que aca se alterna el 0 logico y 0V para el 1 lógico. Aca la perdida de sincronía se da en las grandes secuencias de 1’s. Utiliza menos ancho de banda que los códigos manchester.

Tasa de modulación (modulation rate): La tasa de modulación se expresa en bauds a diferencia de la tasa de datos (data rate) que se expresa en bits por segundo. Existe una relación entre ambos conceptos de la siguiente manera:

Donde: D = tasa de modulación en bauds R = tasa de datos (velocidad de los datos) en bits por segundo. b= Numero de bits por elemento de señal. L = Número de elementos de señal .

La tasa de modulación para los diversas de técnicas de codificación, se muestran en la figura 3.2.3.12

Figura 3.2.3.12 Tasa de modulación para diversas técnicas de codificación de línea.

En la figura 3.2.3.13 Se muestra el espectro en frecuencia de las técnicas de codificación de línea.


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Figura 3.2.3.13 Espectros de frecuencia de las diversas técnicas de codificación de línea.

Esquemas de codificación mezclados (scrambling schemes). Estos códigos son extensiones de AMI bipolar y son utilizados en sistemas de comunicación de grandes distancias. Y tienen como ventajas:

o No hay componente de DC. o No hay largas secuencias de señal de línea con el nivel de 0. o No incrementan el ancho de banda. o Cuentan con capacidad de detección de error. o Ejemplo de ello son B8ZS, HDB3.

Código Bipolar con substitución de 8 ceros_ B8ZS (Bipolar with 8-zero substitution): La limitación que tiene AMI Bipolar se supera con B8ZS, código que es muy utilizado en Norte América. Una secuencia de 8 ceros es reemplazada siguiente con el siguiente criterio:

Una secuencia de 8 ceros es reemplazada por 000+-0+-, si el pulso previo a ello fue positivo. Una secuencia de 8 ceros es reemplazada por 000-+0+-, si el pulso previo a ello fue negativo. En la figura 3.2.3.14 se realiza ese reemplazo.

Figura 3.2.3.14 Código B8ZS. Se fuerzan 2 violaciones al código AMI bipolar. Esta combinación tiene muy baja probabilidad de haber sido causada por ruido.

Código Bipolar 3 ceros de alta densidad HDB3 (High Density Bipolar-3 Zeros): Otra alternativa, la cual es muy utilizada en Europa y Japón es el código HDB3. Este reemplaza una secuencia de 4 ceros por un código con las reglas que se dan en la figura 3.2.3.15

Regla de sustitución de 4 ceros en HDB3 Polaridad del pulso anterior (precedente)

Numero de pulsos (unos) desde la última substitución Impar (odd) Par (even)

-

+

000-

000+

+00+

-00-


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3.2.3.15 Reglas de substitución para un esquema de codificación HDB3.

Figura 3.2.3.16 Ejemplo de codificación HDB3 con comparación a AMI bipolar.

Figura 3.2.3.17 Ejemplo de los diversos esquemas de codificación de línea.


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3.2.4. TRANSMISIÓN EN PARALELO Y SERIAL.

Introducción

La necesidad de transmitir datos por un medio o canal, desde un dispositivo a otro es un rol muy importante en los sistemas de comunicaciones electrónicas. Entre la inmensidad de ejemplos que existen sobre éste tema, existen desde los más sencillos, como la transferencia de datos de un mouse a una computadora, a una impresora, a los teclados, hasta los muy complejos como la transmisión de información entre sistemas conectados en todas partes del mundo. Hay muchas clases distintas de medios de transmisión, que incluyen la radiotransmisión por el espacio libre (terrestre y satelital por microondas), instalaciones de cables metálicos (en sistemas tanto analógicos como digitales) y cables de fibra óptica (propagación de ondas luminosas).

Transmisión Serie y paralela: Se denomina transmisión serie a aquella en la que se transmite la información por una sola línea de datos, en contraposición con la comunicación paralela, donde la transmisión es de múltiples líneas simultáneas. Se puede notar la diferencia entre estos dos por la velocidad con que se transmiten los datos. Mientras en la comunicación serie se dispone de un solo cable por donde se envían los datos, en la comunicación paralela aumenta notablemente la velocidad de transmisión al disponer de varios cables que entregan a cada instante un paquete de datos completo (por ejemplo, un paquete de 1 octeto-8 bits simultáneos). A pesar de que en paralelo la comunicación es más eficiente respecto a velocidad (en bit/s = bps) a costo de más cables, si se considera el alcance y el largo del cable permitido por el paralelo, se encuentran más limitaciones que con la comunicación serie, esto se debe a que la diafonía o ‘crosstalk’, efecto que produce interferencias entre las líneas paralelas y cercanas, siendo cada vez más perturbador en cuanto más largo sea el cable, degradando la calidad de la señal transmitida.

Así pues, el modo de transmisión se refiere al número de unidades de información (bits) elementales que se pueden transmitir simultáneamente a través de los canales de comunicación. De hecho, los procesadores (y por lo tanto, los equipos en general) nunca procesan un solo bit al mismo tiempo. Generalmente son capaces de procesar varios (actualmente n-bytes) y por este motivo, las conexiones básicas dentro de la circuitería de un equipo son conexiones paralelas.

Las conexiones paralelas consisten en transmisiones simultáneas de N cantidad de bits. Estos bits se envían simultáneamente a través de diferentes canales N (un canal puede ser, por ejemplo, un alambre, un cable o cualquier otro medio físico). La conexión paralela requiere de N líneas físicas para transmitir n bits simultáneamente: en cuyo caso cada bit se envía en una línea física (motivo por el cual un cable paralelo está compuesto por varios alambres dentro de un cable llamado Bus).

Las conexiones seriales consisten en transmisiones de bit por bit a través del canal de transmisión. Sin embargo, ya que muchos procesadores procesan los datos en paralelo, un receptor necesita transformar los datos seriales entrantes en datos seriales y el trasmisor necesita hacer lo contrario. Tales operaciones son realizadas por un controlador de comunicaciones (normalmente un chipUART, Universal Asynchronous Receiver Transmitter (Transmisor Receptor Asincrónico Universal)).

Transmisión síncrona y asíncrona: Debido a los problemas que surgen con una conexión de tipo paralela cuando se requieren transmisiones de gran longitud, es muy común que se utilicen conexiones en serie. Sin embargo, ya que es un solo cable el que transporta la información, el problema es cómo sincronizar al transmisor y al receptor. En otras palabras, el receptor no necesariamente distingue los caracteres (o más generalmente, las secuencias de bits) ya que los bits se envían uno después del otro. Existen dos tipos de transmisiones que tratan este problema: Ver figura 3.2.4.1.


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Figura 3.2.4.1Tipos de transmisión de datos.

Transmisión Serial Asíncrona: La transmisión asíncrona se denomina así debido a que la temporización de la señal no es vital. En lugar de ella, la información se recibe y se traduce usando patrones acordados. Siempre que se sigan estos patrones, el dispositivo de recepción puede recuperar la información sin tener en cuenta la velocidad a la que llega. Los patrones se basan en agrupar el flujo de bits en bytes. Cada grupo, habitualmente de ocho bits, se envía a lo largo de un enlace como una unidad. El sistema que lo envía gestiona cada grupo independientemente, entregándolo al enlace en cuanto está listo, sin tener en cuenta ninguna temporización. Sin la existencia de un pulso de sincronización, el receptor no puede usar el tiempo para predecir cuándo va a llegar el grupo siguiente. Por ello, para avisar al receptor de la llegada de un nuevo grupo se añade un bit extra al principio de cada byte. Este bit, habitualmente un cero, se denomina bit de inicio o bit de arranque. Para permitir al receptor conocer que el byte ha terminado, se añaden uno o varios bits adicionales al final de cada byte. Estos bits, habitualmente unos, se denominan bits de paro. Usando este método, el tamaño de cada byte se incrementa hasta al menos diez bits, de los cuales ocho son información y dos, o más, son señales para el receptor. Además, la transmisión de cada byte puede venir seguida por un intervalo de duración variable. Este intervalo se puede representar mediante un canal vacío o mediante una cadena de bits de parada adicionales.

Los bits de arranque, de paro y el intervalo alertan al receptor del comienzo y el fin de cada byte y le permiten sincronizarse con el flujo de datos. Este mecanismo se denomina asíncrono porque el emisor y el receptor no tienen que estar sincronizados a nivel de byte. Pero dentro de cada byte, el receptor sí debe estar sincronizado con el flujo de bits que le llega. Es decir, hace falta tener alguna sincronización, pero solamente durante el tiempo en que se recibe un byte. El dispositivo receptos se resincroniza al principio de cada nuevo byte. Cuando el receptor detecta un bit de inicio, activa un temporizador y comienza a contar los bits a medida que llegan. Después de n bits, el receptor busca un bit de paro. Tan pronto como lo detecta, ignora cualquier pulso recibido hasta que vuelve a detectar un nuevo bit de inicio.

Figura 3.2.4.2 Transmisión serial asíncrona.


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La figura 3.2.4.2 es una representación esquemática de una transmisión asíncrona. En este ejemplo, los bits de inicio son ceros, los bits de parada son unos y el intervalo se representa mediante un canal vacío, en lugar de usar bits de parada adicionales. La adición de bits de inicio y de parada y de los intervalos de inserción dentro del flujo de bits hace que la transmisión asíncrona sea más lenta que las formas de transmisión que pueden operar sin añadir toda esta información de control. Pero es barata y efectiva, dos ventajas que la convierten en una elección atractiva para situaciones como las comunicaciones de baja velocidad. Por ejemplo, la conexión de un periferico a una computadora es una aplicación natural para la transmisión asíncrona. Un usuario teclea solamente un carácter cada vez, lo que es extremadamente lento en términos de procesamiento de datos, y deja unos intervalos de tiempo impredecibles entre cada carácter.

Transmisión Serial Síncrona: En la transmisión síncrona, el flujo de datos se combina en tramas más largas que pueden contener múltiples bytes. Sin embargo, cada byte se introduce en el enlace de transmisión sin que haya un intervalo con el siguiente. Se deja al receptor la tarea de separar el flujo de bits en bytes para su decodificación. En otras palabras, los datos se transmiten como una cadena continua de unos y ceros y el receptor separa esta cadena en bytes o caracteres, si necesita reconstruir la información.

Figura 3.2.4.3 Transmisión Serial Síncrona

La Figura 3.2.4.3 muestra un esquema de la transmisión síncrona en el que se han incluido divisiones entre los bytes. En la realidad, estas divisiones no existen; el transmisor pone los datos en la línea como una tira larga. Si el transmisor desea enviar datos en tramas separadas, los intervalos entre las tramas deben rellenarse como una secuencia especial de ceros y unos que indican vacío. El receptor cuenta los bits a medida que llegan y los agrupa en unidades de ocho bits. Sin intervalos y bits de inicio/parada, no hay ningún mecanismo interno en la comunicación para ayudar al receptor a ajustar su bit de sincronización en medio de una transmisión. Por ello, la temporización (es decir se agrega un clock) se vuelve muy importante, ya que la exactitud de la información recibida depende completamente de la habilidad del dispositivo receptor de llevar exactamente la cuenta de los bits a medida que llegan. La ventaja de la transmisión síncrona es la velocidad. Puesto que no hay bits extra o intervalos que introducir en el transmisor, ni que eliminar en el receptor, se consigue, por extensión, transmitir menos bits a lo largo del enlace, lo que hace que la transmisión síncrona sea más rápida que la transmisión asíncrona. Por este motivo, la transmisión síncrona es más útil para aplicaciones de alta velocidad como la transmisión de datos de una computadora a otra. La sincronización a nivel de byte se lleva a cabo en el nivel de enlace de datos.

Interfaz DTE-DCE

Llegados a este punto es necesario clarificar dos términos importantes para las redes de computo, que son considerados sistemas de telecomunicaciones: Equipo terminal de datos (DTE, Data Terminal Equipment) y equipo terminal del circuito de datos (DCE: Data Circuit-Terminating Equipment). Habitualmente, hay cuatro unidades funcionales básicas involucradas en la comunicación de los datos: un DTE y un DCE en un extremo y un DTE y un DCE en el otro, como se muestra en la figura 3.2.4.4. El DTE genera los datos y los pasa, junto con los caracteres de control necesarios, a un DCE. El DCE convierte la señal a un formato apropiado para el medio de transmisión y la introduce en el enlace de la red. Cuando la señal llega al receptor, se efectúa el proceso inverso.


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Equipo terminal de datos (DTE). El equipo terminal de datos (DTE) incluye cualquier unidad que funcione como origen o destino para datos digitales binarios. A nivel físico, puede ser una terminal, una tableta, un teléfono VoIP, una computadora, una impresora, o cualquier otro dispositivo que genere o consuma datos digitales. Los DTE no se suelen comunicar directamente a menudo; generan y consumen información, pero necesitan un intermediario para ser capaz de comunicarse.

Figura 3.2.4.4 Estructura de un DTE Y DCE en una red de comunicaciones de datos.

Equipo terminal del circuito de datos (DCE). El equipo terminal del circuito de datos (DCE) incluye cualquier unidad funcional que transmita o reciba datos a través de una red en forma de señal digital o analógica. A nivel físico, un DCE toma los datos generados por el DTE, los convierte en una señal apropiada y después introduce la señal en un enlace de telecomunicaciones. Entre los DCE que se usan habitualmente en este nivel se incluyen los modems. En cualquier red, un DTE genera datos digitales y se los pasa a un DCE; el DCE convierte los datos a un formato aceptable para el medio de transmisión y envía la señal convertida a otro DCE de la red. El segundo DCE extrae la señal de la línea, la convierte en un formato utilizable por su DTE y la entrega. Para hacer que la comunicación sea posible, tanto el DCE transmisor como el receptor deben usar el mismo método de modulación (por ejemplo, FSK. Los DTE no necesitan estar coordinados entre sí, pero cada uno debe estar coordinado con su propio DCE, y los DCE deben estar coordinados de forma que la traducción de datos se pueda hacer sin pérdida de integridad.

Estándares. A lo largo de los años, se han desarrollado muchos estándares para definir la conexión entre un DTE y un DCE. Aunque sus soluciones son distintas, cada estándar proporciona un modelo para las características mecánicas, eléctricas y funcionales de la conexión. De todas las organizaciones involucradas en la estandarización de la interfaz DTE-DCE, las más activas son la Asociación de Industrias Electrónicas (EIA, Electronic Industries Alliance) y la Unión Internacional de Telecomunicaciones-Comité de Estándares de Telecomunicación (ITU-T, International Telecommunication Union: Telecommunications Standards Committee). Los estándares de la EIA se denominan, bastante apropiadamente, EIA-232, EIA-442, EIA-449 y así. Los estándares de la ITU-T se denominan serie V y serie X.

LINKS CON MATERIAL DE APOYO Serial Communication basics. Transmission Methods. Serial Cummunications Protocols.


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3.2.5 MODULACION DE PULSOS

Introducción

Las modulaciones de amplitud, frecuencia y fase (tanto analógicas como digitales) tratadas en los capítulos anteriores se designan genéricamente como modulaciones de onda continua, en donde se varían los parámetros de una portadora senoidal continua en función a los cambios de amplitud de una señal moduladora de información. En la modulación de pulsos, lo que se varía es alguno de los parámetros de un tren de pulsos uniformes, bien sea su amplitud, duración o posición. En este tipo de modulación se distinguen dos clases: modulación analógica de pulsos, en que la información se transmite básicamente en forma analógica, pero la transmisión tiene lugar a intervalos discretos de tiempo y modulación digital de pulsos en que la señal de información es discreta, tanto en amplitud como en tiempo, permitiendo la transmisión digital como una secuencia de pulsos codificados. Este tipo de transmisión no tiene contraparte en los sistemas de onda continua. En la modulación por pulsos, la señal de información es un flujo binario compuesto por señales binarias, es decir cuyos niveles de voltaje sólo son dos y corresponden a ceros y unos. En la modulación analógica de pulsos, la señal no necesariamente es de dos niveles, sino que el nivel de la señal puede tener cualquier valor real, si bien la señal es discreta, en el sentido de que se presenta a intervalos definidos de tiempo, con amplitudes, frecuencias, o anchos de pulso variables. Los esquemas de modulación de pulsos son varios, que se enlistan a continuación.

Modulación por amplitud de pulsos (PAM). Modulación por duración o anchura de pulsos (PWM o PDM) Modulación por posición de pulsos (PPM). Modulación por codificación de pulsos (PCM).

Muestreo: El proceso de muestreo es común a todos los sistemas de modulación de pulsos y por lo general, su descripción se hace en el dominio del tiempo. Mediante el muestreo, una señal analógica continua en el tiempo, se convierte en una secuencia de muestras discretas de la señal, a intervalos regulares. El teorema de muestreo establece que: Una señal continua de energía finita y limitada en banda, sin componentes espectrales por encima de una frecuencia fmax, queda descrita completamente especificando los valores de la señal a intervalos de 1/2fmax segundos, es decir, se representa por muestras tomadas a intervalos 1/2fmax. La señal muestreada bajo éstos parámetros, puede recuperarse mediante un filtro de pasa bajas. La frecuencia 2fmax se designa como frecuencia de Nyquist o frecuencia de muestreo de Nyquist.

Si una señal x(t), limitada en banda, es decir, que no tiene componentes espectrales por encima de una cierta frecuencia fmax se multiplica por un tren de impulsos con intervalo constante T, dado por:

La señal muestreada resultante estará dada por:

En donde n representa ahora intervalos discretos de tiempo cada T segundos. La señal x(t - nT) es, por tanto, una señal discreta como se muestra en la figura 3.2.5.1 y cuya amplitud corresponde a la de la señal original en los puntos de muestreo. Se dice también que la señal resultante está modulada por amplitud de pulsos (PAM).


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Figura 3.2.5.1 Proceso de muestreo ideal.

Si la frecuencia de muestreo es inferior a la frecuencia de Nyquist (2fmax) se produce solapamiento de las bandas adyacentes lo que produce un tipo de distorsión designado como aliasing. Para evitarlo, antes del muestreo se inserta un filtro de paso bajo (filtro antialiasing) con atenuación grande a frecuencias superiores a fmax y el muestreo se realiza a una frecuencia ligeramente mayor que la de Nyquist, lo que produce una banda de guarda entre los espectros vecinos, facilitando el filtrado en la recuperación de la señal original.

Modulación por amplitud de pulsos (PAM): La modulación de amplitud de pulsos es un término de ingeniería que describe la conversión de la señal analógica a una señal del tipo de pulso en la cual la amplitud del pulso representa la información analógica. La PAM se estudiará antes debido a que el proceso de conversión de analógica a PAM es el primer paso en la conversión de una forma de onda analógica a una señal PCM (digital). En ciertas aplicaciones la señal PAM se utiliza directamente y no se requiere una conversión a PCM.

Este tipo de modulación es la consecuencia inmediata del muestreo de una señal analógica. Si una señal analógica, por ejemplo, de voz, se muestrea a intervalos regulares, en lugar de tener una serie de valores continuos, se tendrán valores discretos a intervalos específicos, determinados por la que debe ser como mínimo del doble de la frecuencia máxima de la señal muestreada. Esto se ilustra esquemáticamente en la figura 3.2.5.2.

3.2.5.2 La señal muestreada resulta en una modulación PAM (pulse amplitude modulation).

En la figura anterior, una señal analógica (a), se multiplica, mediante un mezclador, por un tren de pulsos (b), de amplitud constante y se tiene como resultado un tren de pulsos (c) modulado en amplitud. La envolvente de este tren de pulsos modulados se corresponde con la señal analógica. Para recuperar ésta, basta con filtrar a paso bajo el tren de pulsos (c), como se ilustra en la figura 3.2.5.3.


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Figura 3.2.5.3 Recuperación de una señal PAM mediante filtrado a paso baja.

La transmisión de las señales PAM impone condiciones severas respecto a las respuestas en magnitud y fase del sistema, a causa de la corta duración de los pulsos. Por otra parte, el comportamiento de un sistema PAM respecto al ruido nunca puede ser superior al de transmisión en banda base. Sin embargo, la modulación por amplitud de pulsos es el primer paso indispensable en la conversión de señales analógicas a digitales, entendiéndose aquí por señal digital aquélla que solamente tiene dos niveles. La señal PAM es una señal discreta, no necesariamente digital.

Tipos de modulaciones analógicas de pulsos:

Además de la modulación por amplitud de pulsos, pueden variarse otros parámetros del tren de pulsos sin modulación: la duración de los pulsos y su posición relativa,

Modulación por duración o anchura de pulsos o por tiempo del pulso (PWM o PDM o PTM): Es un esquema de modulación analógica en la cual la duración o ancho del pulso (carrier) varia de forma proporcional a la amplitud instantánea de la señal del mensaje.

En PWM el ancho del pulso varía, pero la amplitud de la señal permanece constante. Circuitos limitadores de amplitud son utilizados para hacer que ésta permanezca constante. Estos circuitos recortan la amplitude a un nivel desead, y por lo tanto el ruido es limitado. La figura 3.2.5.4 muestra los tipos de PWM con sus respectivas ranuras de tiempo (time slots).

Figura 3.2.5.4 PWM y variantes de modulación.

Existen 3 variaciones de PWM.

El borde de subida del pulso es constante en el tiempo, el borde de bajada varía de acuerdo a la señal del mensaje (a) (PWM).

El borde de bajada permanece constante, y el de subida varía de acuerdo a la señal del mensaje (b) (PTM).

El centro del pulso es constante, los bordes de subida y bajada varían de acuerdo a la señal del mensaje (c) (PDM).


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3.2.6 Modulación por Codificación de Pulsos (PCM).

La modulación por codificación de pulsos (PCM) es, en esencia, una conversión analógica a digital de un tipo especial en donde la información contenida en las muestras instantáneas de una señal analógica está Representada mediante palabras digitales en un flujo serial de bits. Este tipo de modulación, sin duda el más utilizado de todas las modulaciones de pulsos, es básicamente, el método de conversión de señales analógicas a digitales (DAC: Digital to Analogic Conversion). PCM siempre conlleva modulación previa de amplitud de pulsos (PAM). Una señal analógica se caracteriza por el hecho de que su amplitud puede tomar cualquier valor entre un mínimo y un máximo, de forma continua. Una señal PAM también puede tener cualquier valor, pero en intervalos discretos. Esto significa que el posible número de valores de amplitud es infinito. Por otra parte, la amplitud de una señal digital sólo puede tener un número finito de valores, por lo general dos (cero y uno). Una señal analógica puede convertirse a digital mediante un proceso de muestreo, cuantificación y codificación. En el muestreo la convierte se en una señal PAM, la cuantificación redondea el valor de la amplitud de cada muestra, al número permisible más cercano de voltaje, generalmente en el intervalo (-V a +V) y lo codifica en un cierto número de bits(0, 2n-1). En realidad, no es estrictamente necesario transmitir con toda exactitud las amplitudes de las muestras. En el caso de señales de voz o de imagen, el receptor último es el oído o el ojo, que detectan sólo diferencias finitas, de modo que la señal original, continua, puede aproximarse por una señal formada por un conjunto de amplitudes discretas seleccionadas de forma tal que el error sea mínimo. Si las muestras de amplitudes distintas están muy cercanas entre sí, la señal aproximada prácticamente no se distinguirá de la señal continua original. Desde un punto de vista práctico, es deseable una señal binaria, que puede tomar sólo dos valores, por su simplicidad. Para ello, la señal cuantificada a niveles discretos entre 0 y 2n-1 valores, puede codificarse mediante un símbolo de n bits, por lo que generalmente la cuantificación va seguida de un proceso de codificación.

Cuantificación y codificación (nota: cuantización y cuantificación, son términos que se intercambian): Este proceso se resume en el diagrama de bloques de la figura 3.2.5.4

Figura 3.2.5.4 Diagrama a bloques del sistema PCM.

Para efectuar esta conversión, la señal muestreada (PAM) se aplica, a través de una cadena de divisores de voltaje, a una serie de comparadores (con OPAMPs), cuyo número es igual al de niveles de cuantificación, como se ilustra en la figura 3.2.5.5. La otra entrada a los comparadores procede de un voltaje de referencia preciso, aplicado a un divisor de voltaje similar al anterior, con tantas resistencias como niveles de cuantificación haya. Así, por ejemplo, para codificación a 8 bits se requieren 28 = 256 niveles de cuantificación y, por tanto 256 comparadores. Debido a la acción de los divisores de voltaje, tanto para la señal como para el voltaje de referencia, los voltajes serán coincidentes a la entrada de uno solo de los comparadores de la cadena, el cual producirá una salida “1”, en tanto que todos los restantes tendrán salida “0”. Es decir, en cada punto de muestreo, solamente uno de los comparadores entregará una señal diferente a los demás, que corresponderá al nivel de cuantificación de la señal de entrada.


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Figura 3.2.5.5 Cuantificación y codificación.

Las salidas de los comparadores se aplican a un conversor de código con 256 entradas y 8 salidas, de modo que a la salida del codificador se tendrá una palabra o símbolo de 8 bits en paralelo, correspondiente al nivel de cuantificación en el punto de muestreo de la señal de entrada. Mediante un registro de desplazamiento de entrada en paralelo y salida en serie, es posible convertir la salida en paralelo del codificador en una secuencia de bits en serie. Todo el proceso anterior requiere de sincronismo preciso que debe ser proporcionado por un oscilador o reloj maestro, de modo que la señal de salida del codificador sea perfectamente identificable en el tiempo. La señal de salida de conversor analógico-digital es una señal binaria, ya sea en serie o en paralelo y, en tales condiciones, ha perdido completamente las características de la señal analógica y ya no puede identificarse como tal, excepto por la relación que guarda cada símbolo con la amplitud de aquélla. Sin embargo, la correspondencia entre la amplitud de las muestras de la señal analógica y su representación binaria no es exacta, ya que en el proceso de cuantificación sólo se identifican niveles discretos y las amplitudes de las muestras no corresponden con exactitud a los valores de amplitud asignados a los niveles de cuantificación. Así, a cada muestra se le asignará el nivel más cercano, introduciendo con ello un error en el proceso de cuantificación, al que se designa como ruido de cuantificación ó error de cuantización, que puede ser más o menos apreciable en la reproducción de la señal. Si la señal analógica tiene, por ejemplo, una amplitud de 1 V, cada nivel de cuantificación representará aproximadamente 3.9 mV (1V /256) y el error de cuantificación que se introduce será, como máximo, de ±2 mV. Este nivel es sumamente pequeño y en general, no apreciable en la recuperación de la señal. En cuanto a la cuantización, ésta puede ser uniforme cuando los niveles de cuantificación están espaciados uniformemente, En algunas aplicaciones de telefonía y procesado de imágenes, es conveniente cuantificar los valores pequeños de señal con niveles menores, es decir de manera más fina que los valores altos. Esto se muestra en la figura 3.2.5.6a y b.

a) Cuantización uniforme

b) Cuantización no uniforme


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Figura 3.2.5.6 Tipos de cuantización.

Ruido de cuantización: El proceso de cuantización de una señal introduce un error de cuantización, definido como la diferencia entre el valor real de la señal y el valor de la señal cuantificada, es decir, la diferencia entre la magnitud de la señal de entrada y la de salida. Supóngase que los niveles de cuantificación corresponden a valores de 0, 1, 2,…... volts y que la señal de entrada es de 1.2 V. se redondea por ejemplo 1V, con lo que el error de cuantificación es de 0.2 V. Si la entrada es de 1.7 V y la salida se cuantifica a 2 V, el error es de 0.3 V. El cuantificador redondea el valor de la señal de entrada al valor más cercano de los posibles niveles de cuantificación. El nivel de decisión para el redondeo hacia arriba o hacia abajo, suele tomarse a la mitad del intervalo de cuantificación. El tipo de redondeo para un nivel de entrada igual al nivel de decisión se define en el diseño. En la figura 3.2.5.7 se ilustra la forma de una señal cuantificada y, en la parte inferior, el error de cuantificación. El error de cuantificación representa, de hecho, ruido adicional que depende del número de niveles de cuantificación. Cuanto menor sea éste, mayor será el ruido. En la siguiente tabla se ilustra la relación señal a ruido para diferentes niveles de cuantificación.

Figura 3.2.5.7 Señal cuantificada y error de cuantificación

Cualidades e inconvenientes de PCM. La modulación por codificación de pulsos está presente, bien sea en la forma tratada antes, o en alguna de sus variantes, en la mayoría de las aplicaciones para transmitir o procesar información analógica en forma digital. Sus ventajas se resumen en el hecho de emplear codificación de pulsos para la representación digital de señales analógicas, característica que lo distingue de todos los demás métodos de modulación analógica. Algunas de sus ventajas más importantes son:

o Robustez ante el ruido e interferencia en el canal de comunicaciones. o Regeneración eficiente de la señal codificada a lo largo de la trayectoria de transmisión.


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o Formato uniforme de transmisión para diferentes clases de señales en banda base, lo que permite integrarlas con otras formas de datos digitales en un canal común mediante el multiplexado en tiempo.

o Facilidad de encriptar la información para su transmisión segura. o El precio a pagar por las ventajas anteriores es el mayor costo y complejidad del sistema,

así como el mayor ancho de banda necesario. Respecto a la complejidad, la tecnología actual de circuitos integrados en gran escala (VLSI: FPGA´s) ha permitido la implementación de sistemas a, relativamente bajo costo y facilitado el crecimiento de este método o de sus variantes.

Ancho de banda en PCM: El efecto del empleo de PCM sobre el ancho de banda de una señal así modulada se puede inferir intuitivamente mediante el siguiente ejemplo. Supóngase una señal de audio con un ancho de banda de 5 KHz, muestreada a una frecuencia de 10 KHz, igual a la frecuencia de Nyquist y cuantificada a 8 bits/muestra (256 niveles), de modo que por cada muestra de la señal de entrada se producen ocho pulsos. Si pensamos en transmisión de estos pulsos en serie, la frecuencia de muestreo se ha multiplicado por 8 y, por consecuencia, también el ancho de banda. Así, una señal analógica que ocuparía un ancho de banda de 10 KHz, modulada en AM completa o 5 KHz en banda lateral única, requiere de un ancho de banda de 80 KHz modulada en PCM. Las cifras anteriores son únicamente ilustrativas, pero dan una idea bastante aproximada de la situación.

Este hecho que, en el pasado fue motivo de preocupación, casi no lo es en la actualidad. Primero, por la disponibilidad de canales de comunicación de banda ancha tanto satelitales como de fibra óptica y, segundo, por la evolución de los métodos de compresión de información que hacen posible la eliminación de información redundante. Estos métodos se emplean extensamente en telefonía y televisión digital y permiten reducir considerablemente el caudal de información sin deterioro apreciable de la calidad de la señal.

Variantes de PCM: Según se mencionó en la sección anterior, la modulación por codificación de pulsos requiere de un ancho de banda considerablemente mayor que el de la señal en banda base. Algunos métodos de modulación, basados en PCM permiten reducir en cierta medida el ancho de banda aprovechando algunas de las características de la señal; entre ellos puede mencionarse la modulación por codificación diferencial de pulsos (DPCM), la modulación delta (DM) y la modulación sigma-delta (D-ΣM). Su tratamiento detallado escapa al propósito de este curso, que será en sus materias de especialidad.

3.2.6 Interfaces seriales

Antes de iniciar con el estudio de protocolos de comunicaciones seriales, rompamos toda la terminología en tres partes. La comunicación es muy bien conocida con terminología que se relaciona con el intercambio de información entre dos o más dispositivos. Esto puede ser en una red de comunicación entre circuitos electrónicos o una red de datos mundial. Lo anterior se lleva a cabo mediante una serie de reglas definidas las cuales se conocen como protocolos de comunicación. Ahora si los datos son enviados serialmente, entonces sus protocolos son llamados como “Protocolo de comunicación serial”.

Tipos de protocolos de comunicación: Existen diferentes tipos de transferencia de datos disponibles en la electrónica digital y telecomunicaciones que pueden clasificarse en protocolos de comunicación serial y paralela. Ejemplos de los protocolos paralelos son ISA, ATA, SATA, PCI, IEEE-448. Similarmente para comunicación serial existen CAN, ETHERNET, I2C, SPI, RS232, USB, SATA, etc.

Modos de transmisión en comunicación serial.


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Modo Simplex: En este modo, solo los datos solo fluyen en un sentido, No existe comunicación en viceversa. Es decir, aca solo existe TRANSMISOR--- RECEPTOR con comunicación unicamente en una dirección.

Modo Full dúplex (Semidulces): En esto modo, la comunicación existe en ambos sentidos, pero solo uno a la vez.

Modo full dúplex (dúplex): En este modo, la transmisión existe en ambos sentidos al mismo tiempo. Para una apropiada transmisión el clock juega un papel muy importante. Un mal funcionamiento de este resultaría en una mala transmisión y por consecuencia una pérdida de datos.

Protocolos de comunicación serial:

FAVOR DE VER LOS SIGUIENTES TUTORIALES

Serial and Parallel data transmission. Tecnicas de comunicación de datos digitales:

1001 0101 0001 0001 0000 0110 0101 0110 0010 0111

Este es mi numero de teléfono…..si tienen alguna consulta los puedo atender por una videollamada o un SMS por what´s app…..saludos o por e mail a miguel.solanotoaxaca.edu.mx

3.2. Comunicación de Datos.

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