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clase de sistemas de telecomunicacionesTRANSCRIPT
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Diplomado de gerencia en telecomunicaciones
DIPLOMADO EN GERENCIA DE TELECOMUNICACIONES
MODULO IIClase 1
Duración: 16 Horas
Fecha I: 08/02/14Fecha F: 15/02/14
FUNDAMENTOS DE TELECOMUNICACIONES
Profesor: Ing. Myrle Suarez
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Diplomado de gerencia en telecomunicaciones
Un S.C. es responsable de la transmisión de Info. desde una Fuente a un Sumidero.
Un Canal de Transmisión: Enlace Físico entre las partes comunicantes.
Un Modulador: que toma la señal fuente y la transforma de manera que pueda viajar por el canal.
Un Transmisor: que actualmente introduce la señal modulada dentro del canal, usualmente la amplifica.
Un Receptor: que detecta la señal transmitida en el canal y usualmente la amplifica para contrarestar la atenuación.
Un Demodulador: que recibe la señal del receptor y la pasa al Sumidero
Modulador
Transmission
Receptor DeModulador
Fuente Destino
Canal
Ruido RuidoDistorsión,Atenuación
Modelo de un Sistema de Comunicación
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Diplomado de gerencia en telecomunicaciones
Un S.C. es responsable de la transmisión de Info. desde una Fuente a un Sumidero.
Los sistemas se distinguen por el tipo de señal presentado al modulador. Un sistema analógico es diseñado para transmitir señales analógicas.ej: el sistema PSTN (Red Pública Telef.)/POTS:Plain Old Telephone Networks
Un sistema Digital es diseñado para transmitir señales digitales. ej: El sistema PSDN (Public Switched Data Network)
Modelo de un Sistema de Comunicación
Modulador
Transmisor
Receptor DeModulador
Fuente Sumidero
Canal
RuidoRuido,Distorsión,Atenuación
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Diplomado de gerencia en telecomunicaciones
Asociación del nivel lógico al nivel físico en el proceso de comunicación
FísicaFísicaEnlaceEnlace
RedRedTransporteTransporte
SesiónSesiónPresentaciónPresentación
AplicaciónAplicación
OSI
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Capas Lógicas
(Grupos de bits)
Capa Física
(Señales)
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Diplomado de gerencia en telecomunicaciones
7654321
OSI
Señal: Codificación eléctrica de los datos.
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OSI
Dato: Valor en algún intervalo, bien sea contínuo (Temperatura, presión, audio, intensidad de la luz, …) o discreto (colores, caracteres, …).
Asociación del nivel lógico al nivel físico en el proceso de comunicación
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Diplomado de gerencia en telecomunicaciones
Características de las Señales (Analógicas y Digitales)
Señales Analogicas
Los servicios públicos de Teléfonos (dial-up) soportan Señales Análogicas.
Ejemplos: El habla es una señal analogica, y varia en amplitud (volumen), frequencia (velocidad), y Fase.
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Diplomado de gerencia en telecomunicaciones
Señales Analógicas y Digitales
El término "señal" se refiere a un voltaje eléctrico, un patrón luminoso o una onda electromagnética modulada que se desea obtener. Todos ellos pueden transportar datos.
Uno de los tipos de señal es analógica. Una señal analógica tiene las siguientes características:
Es ondulante
Tiene un voltaje que varía continuamente en función del tiempo
Es típica de los elementos de la naturaleza
Se ha utilizado ampliamente en las telecomunicaciones durante más de 100 años
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Diplomado de gerencia en telecomunicaciones
El gráfico muestra una onda sinusoidal pura. Las dos características importantes de una onda sinusoidal son su amplitud (A), su altura y profundidad, y el período (T = longitud de tiempo) necesario para completar 1 ciclo. Se puede calcular la frecuencia (f) (nivel de ondulación) de la onda con la fórmula f = 1/T.
La mayoría de señales transportadas por los canales de comunicación son formas moduladas de ondas sinusoidales.
tA sin(2 fµ t + )
Señales Analógicas y Digitales
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Señales Analógicas y Digitales
Otro tipo de señal es la señal digital. Una señal digital tiene las siguientes características:
Las curvas de voltaje vs tiempo muestran una variación discreta o pulsante
Es típica de la tecnología, más que de la naturaleza
• Una señal Digital es una señal discreta que toma solos dos estados. (ON or OFF, 1 or 0 respectivamente)
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Señales Analógicas y Digitales
El gráfico muestra una señal digital. Las señales digitales tienen una amplitud fija, aunque el ancho de sus pulsos, T y frecuencia se pueden modificar. Las señales digitales de las fuentes modernas se pueden aproximar a través de una onda rectangular, que tenga transiciones aparentemente instantáneas desde estados de voltaje muy bajos hasta estados de voltaje muy altos, sin ondulaciones.
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Diplomado de gerencia en telecomunicaciones
Uso de las señales digitales para crear señales analógicas
Jean Baptiste Fourier, probó que una suma especial de ondas sinusoidales,
de frecuencias relacionadas armónicamente, que son múltiplos de cierta
frecuencia básica, se pueden sumar para crear cualquier patrón de onda.
Esta es la forma en que funcionan los dispositivos de reconocimiento de voz
y de detección de los latidos cardíacos. Las ondas complejas se pueden
crear a partir de ondas simples.
Señales Analógicas y Digitales
tA1 sin(2 f1 t + 1 ) + A2 sin(2 f2 t + 2 ) + A3 sin(2 f3 t + 3 ) + …...
tsin(t) + 1/3sin(3t) + 1/5sin(5t) + …...
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Diplomado de gerencia en telecomunicaciones
Uso de las señales digitales para crear señales analógicas
Señales Analógicas y Digitales
(t) = A1 sin(2αf1 t + 1 ) + A2 sin(2 α f2 t + 2 ) + A3 sin(2 α f3 t + 3 ) + …...
(t) = sin(t) + 1/3sin(3t) + 1/5sin(5t) + …...
Un gráfico del espectro de frecuencia tiene una linea de las frecuencias armónicas impares 1,3,5,..con sus respectivas amplitudes de 1, 1/3, 1/5,...
Para un tren de pulsos arbitrario , el espectro de frecuencia es una función continua.
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Una onda rectangular, o un pulso rectangular, se puede generar usando la combinación correcta de ondas sinusoidales de diferentes frecuencias y fases. El gráfico muestra cómo se puede crear la onda rectangular (señal digital) usando ondas sinusoidales (señales analógicas). Es importante tener esto en cuenta al examinar lo que sucede con un pulso digital mientras viaja a través de los medios de transmisión.
Señales Analógicas y Digitales
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Diplomado de gerencia en telecomunicaciones
Representación de un bit en un medio físico
• Los sistemas de telecomunicaciones cada vez dependen más de los sistemas digitales (binarios, de dos estados).
• El bloque básico de información es el dígito binario 1, denominado bit o pulso.
• Un bit, en un medio eléctrico, es la señal eléctrica que corresponde al 0 binario o al 1 binario.
• Esto puede ser tan sencillo como 0 voltios para el 0 binario y +5 voltios para el 1 binario, o una codificación más compleja.
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Señales, propagación de señales
Propagación significa desplazamiento, significa que un bloque de energía, que representa 1 bit, se desplaza desde un lugar hacia otro. La velocidad a la cual se propaga depende del material que se usa en el medio, de la geometría (estructura) del medio y de la frecuencia de los pulsos. El tiempo que tarda el bit en desplazarse desde un extremo a otro del medio y nuevamente en regresar se denomina tiempo de ida y vuelta, (RTT). Suponiendo que no se producen más demoras, el tiempo que tarda el bit en desplazarse a través del medio hacia el extremo más lejano es RTT/2.
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Señales, propagación de señales en el canal
El hecho de que el bit tarda poco tiempo en desplazarse a través del medio normalmente no produce problemas en la red. Sin embargo, con las velocidades de transmisión de datos de las redes actuales, que están en constante crecimiento, a veces se debe tener en cuenta la cantidad de tiempo que tarda la señal en desplazarse.
Con el equipamiento adecuado, se puede medir el tiempo de desplazamiento del pulso.
Si el tiempo de propagación es demasiado largo, se debe evaluar nuevamente cómo manejará esta demora el resto de la red. Si la demora de propagación es demasiado corta, es posible que se deba reducir la velocidad de los bits o que se deban guardar temporalmente (esto se denomina buffering), para que el resto del equipamiento pueda alcanzar al bit.
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Señales, Absorción
Absorción es el término usado para describir las pérdida de la potencia de la señal a medida que ésta se mueve a través del canal. + longitud canal > absorción.
Absorción es usualmente dependiente de la frecuencia. Reduce el ancho de banda disponible.
Los Equalizadores son amplificadores dependientes de frecuencia que restauran el balance espectral de la señal.
Efectos de la absorción en el canal
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Señales, Atenuación
Atenuación es la pérdida de la fuerza de la señal como, por ejemplo, cuando los cables superan una longitud máxima. Esto significa que una señal de voltaje de 1 bit pierde amplitud a medida que la energía pasa desde la señal hacia el cable. La selección cuidadosa de los materiales, (por ej., utilizando cobre en lugar de carbono, y la geometría (la forma y el posicionamiento de los cables) puede disminuir la atenuación eléctrica, aunque no se puede evitar que se produzca alguna pérdida cuando hay resistencia eléctrica.
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Atenuación: disminución de la energía/intensidad de la señal cuando se propaga través del canal. Expresada en dB/m
Repetidores son amplificadores colocados a lo largo del canal para restaurar el poder de la señal. La distancia entre repetidores es determinada de manera a disminuir cualquier error en la señal debido a los efectos de la atenuación
Algunos efectos de la atenuación son debidos a la absorción.
Efectos de la Atenuación
Señales, Atenuación
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Señales, Atenuación
Pérdida de la señal por tipo de medio
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Señales, Atenuación La atenuación también se produce en las señales ópticas, ya que la fibra óptica absorbe y dispersa parte de la energía luminosa a medida que el pulso luminoso, un bit, se desplaza a través de la fibra. Esto se puede reducir considerablemente al determinar la longitud de onda, o el color, de la luz seleccionada. Esto también se puede reducir dependiendo de si usa fibra de monomodo o fibra multimodo, y según el tipo de vidrio que se utilice para la fibra. Inclusive con la aplicación de estas opciones, la pérdida de señal es inevitable.
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Reflexión en la red
Para comprender la reflexión, imagínese que tiene una soga para saltar extendida, y que un amigo sostiene el otro extremo. Ahora, imagínese que le envía a la otra persona un "pulso" o un mensaje de 1 bit. Si observa cuidadosamente, verá que una pequeña onda (pulso) vuelve (se refleja) hacia usted.
La reflexión se produce en las señales eléctricas. Cuando los pulsos de voltaje, o bits, tropiezan con una discontinuidad, se pueden producir reflexiones de la energía.
Señales, Reflexión
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Reflexión en la red
Si no se controla cuidadosamente, esta energía puede interferir con bits posteriores. Recuerde, aunque en este momento usted está concentrado en sólo 1 bit a la vez, en las redes reales usted deseará enviar millones y miles de millones de bits por segundo, lo que requiere tener en cuenta este pulso de energía reflejado. Según el cableado y las conexiones que utiliza la red, las reflexiones pueden o no ser un problema.
Señales, Reflexión
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Reflexión en la red
La reflexión también se produce en el caso de las señales ópticas. Las señales ópticas reflejan si tropiezan con alguna discontinuidad en el vidrio (medio), como en el caso de un conector enchufado a un dispositivo.
Este fenómeno también se produce en el caso de las ondas de radio y las microondas, ya que detectan distintas capas en la atmósfera.
Señales, Reflexión
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Reflexión en la red
A menos que los medios de red tengan la impedancia correcta, la señal experimentará cierta reflexión y se creará interferencia. Luego se pueden producir múltiples pulsos reflejados. Ya sea que el sistema sea eléctrico, óptico o inalámbrico, la falta de acople en la impedancia puede provocar reflexiones. Si se refleja suficiente energía, el sistema binario de dos estados se puede confundir debido a toda la energía adicional que se genera a su alrededor. Esto se puede solucionar asegurándose de que la impendencia de todos los componentes esté cuidadosamente acoplada.
Señales, Reflexión
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Ruido. Toda señal presente en el receptor que no forma parte de la señal del mensaje. Las fuentes de la señales de ruido varian ampliamente..
Señales, Ruido
Efectos del ruido en la señal
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El efecto combinado de la Atenuación, Absorción, Dispersion y ruido puede resultar en errores de bits en la señal transmitida.
Señales, Ruido
Error de bit en una señal debido a los efectos en el canal
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Ruido
El ruido son adiciones no deseadas a las señales de voltaje, ópticas o electromagnéticas. Ninguna señal eléctrica se produce sin ruido; sin embargo, lo importante es mantener la relación señal/ruido (S/N) lo más alta posible. En otras palabras, cada bit recibe señales adicionales no deseadas desde varias fuentes. Demasiado ruido puede corromper un bit, haciendo que un 1 binario se transforme en un 0 binario, o un 0 en un 1, destruyendo el mensaje. La figura muestra cinco fuentes de ruido que pueden afectar a un bit del cable.
Señales, Ruido
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1-5. Ruido: NEXT-A y NEXT-B Cuando el ruido eléctrico del cable tiene origen en señales de otros hilos del cable, esto se denomina diafonía. NEXT significa paradiafonía. Cuando dos hilos están colocados uno muy cerca del otro y no están trenzados, la energía de un hilo puede trasladarse al hilo adyacente y viceversa. Esto puede provocar ruido en ambos extremos de un cable terminado. Existen en realidad muchas formas de diafonía que se deben tener en cuenta al desarrollar redes.
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2. Ruido térmico El ruido térmico, debido al movimiento aleatorio de electrones, no se puede evitar pero por lo general es relativamente insignificante en comparación con las señales.
Señales, Ruido
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3. Ruidos de la línea de alimentación de CA/Conexión a tierra de referenciaLos ruidos de la línea de alimentación de CA y de la conexión a tierra de referencia son problemas cruciales en la transmisión. El ruido de la línea de alimentación de CA provoca problemas en el hogar, en las escuelas y en las oficinas. La electricidad se transporta a los aparatos y a las máquinas a través de cables ocultos en las paredes, los pisos y los techos. Como consecuencia, dentro de estos edificios, el ruido de la línea de alimentación de CA se encuentra en todo el entorno. Si no es tratado correctamente, el ruido de la línea de alimentación puede representar un gran problema para una red
Señales, Ruido
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4. Ruido: EMI/RFI (Interferencia electromagnética/interferencia de la radiofrecuencia)
Las fuentes externas de pulsos eléctricos que pueden atacar la calidad de las señales eléctricas del cable incluyen los sistemas de iluminación, los motores eléctricos y los sistemas de radio. Estos tipos de interferencia se denominan interferencia electromagnética (EMI) e interferencia de la radiofrecuencia (RFI).
Señales, Ruido
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Señales, distorsión por retardo
Dispersión, fluctuación de fase y latencia
Aunque la dispersión, la fluctuación de fase y la latencia en realidad son tres cosas distintas que le pueden ocurrir a un bit, se agrupan debido a que las tres afectan lo mismo: la temporización del bit.
Dispersión es cuando la señal se ensancha con el tiempo. Esto se produce debido a los tipos de medios involucrados. Si es muy grave, un bit puede comenzar a interferir con el bit siguiente y confundirlo con los bits que se encuentran antes y después de él.
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Señales, distorsión por retardo
Dispersión, fluctuación de fase y latencia
La latencia, también denominada demora, tiene dos causas principales.
• "ningún elemento puede trasladarse de forma más veloz que la velocidad de la luz en el vacío (3,0 x 108 metros/segundo)."
•Las señales inalámbricas de datos se trasladan a una velocidad levemente inferior a la de la velocidad de la luz en el vacío.
•Las señales de datos en medios de cobre se trasladan a una velocidad de 1,9x10^8 m/s a 2,4x10^8 m/s
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Dispersión, fluctuación de fase y latencia
• Las señales de datos en la fibra óptica se trasladan a aproximadamente 2,0x10^8 m/s.
De modo que para trasladarse a una determinada distancia, el bit tarda al menos una pequeña cantidad de tiempo para llegar hasta su destino.
En segundo lugar, si el bit atraviesa cualquier dispositivo, los transistores y los dispositivos electrónicos provocan una mayor latencia.
Señales, distorsión por retardo
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Señales, modulación y codificación
Codificación :
Significa convertir los 1 y los 0 en algo real y físico, tal como:
Un pulso eléctrico en un cable
Un pulso luminoso en una fibra óptica
Un pulso de ondas electromagnéticas en el espacio.
Dos métodos para lograr esto son la codificación NRZ y la codificación Manchester.
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NRZ:
código sin retorno a cero, es la codificación más sencilla. Se caracteriza por una señal alta y una señal baja (a menudo +5 o +3,3 V para 1 binario y 0 V para 0 binario). En el caso de las fibras ópticas, el 1 binario puede ser un LED o una luz láser brillante, y el 0 binario oscuro o sin luz. En el caso de las redes inalámbricas, el 1 binario puede significar que hay una onda portadora y el 0 binario que no hay ninguna portadora.
Señales, modulación y codificación
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La codificación Manchester es más compleja, pero es inmune al ruido y es mejor para mantener la sincronización. En el caso de la codificación Manchester, el voltaje del cable de cobre, el brillo del LED o de la luz láser en el caso de la fibra óptica o la energía de una onda EM en el caso de un sistema inalámbrico hace que los bits se codifiquen como transiciones. La codificación Manchester da como resultado que los 0 se codifiquen como una transición de baja a alta y que el 1 se codifique como una transición de alta a baja. Dado que tanto los 0 como los 1 dan como resultado una transición en la señal, el reloj se puede recuperar de forma eficaz en el receptor.
Señales, modulación y codificación
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La modulación, que específicamente significa tomar una onda y cambiarla, o modularla, para que transporte información, está relacionada estrechamente con la codificación. Para dar una idea de lo que es modulación, examinaremos tres maneras de modificar, de modular, una onda "portadora" para codificar bits:
Señales, modulación y codificación
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En AM (modulación de amplitud), la amplitud o altura, de una onda sinusoidal portadora se modifica para transportar el mensaje.
En FM (modulación de frecuencia), la frecuencia, u ondulación, de la onda portadora se modifica para transportar el mensaje.
En PM (modulación de fase), la fase, o los puntos de inicio o fin de un ciclo determinado, de la onda se modifica para transportar el mensaje.
Señales, modulación y codificación
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Los mensajes se pueden codificar de varias formas:
•Como voltajes en el caso de cobre; las codificaciones Manchester y NRZI son populares en el caso de las redes basadas en cobre.
•Como luz guiada; las codificaciones Manchester y 4B/5B son populares en el caso de redes basadas en fibra óptica.
•Como ondas EM irradiadas; una amplia variedad de esquemas de codificación (variaciones en AM, FM y PM) se utilizan en el caso de las redes inalámbricas.
Señales, modulación y codificación
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Características de las Señales (Analógicas y Digitales)
Señales Analógicas
Amplitud:
Fuerza de la señal. Puede ser expresada en volts o
decibeles. Mientras + alta es la amplitud + fuerte
es la señal.
La medida más popular es el decibel (en honor a Alexander Graham Bell).
Nivel Tipo de Sonido40db Habla Normal110db Disparo de Arma120db Motor de un Jet
120db+ Comcierto de rock
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Señales Analógicas
Frequencia:Cambios de la señal por segundo expresado en Hertz (Hz), or ciclos por segundo. Una señal 30Hz cambia 30 veces en un seg.
Características de las Señales (Analógicas y Digitales)
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Señales Analógicas
Fase:
Velocidad con la cual la señal cambia en el tiempo con respecto a su origen expresada en grados. Un ciclo completo de una onda comienza en cierto punto y continua hasta que pasa por su punto original. El cambio de fase ocurre cuando el ciclo no se completa y un nuevo ciclo comienza antes que el anterior haya sido completado.
Características de las Señales (Analógicas y Digitales)
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Caracterización del Canal
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Definición: Rango definido por la frecuencia mínima y
máxima a la que responde un canal.
300 340Hz Fmín Fmáx.
Banda de Paso (Spectrum)
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Definición: Gama de frecuencias que soporta un canal.
BW = Fmax - Fmin.
Ejemplo: BW( canal telefónico) = 3400 Hz - 300 Hz = 3100 Hz.
Ancho de Banda (BW)
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Caracterización del Canal
Relación entre Información, Ancho de Banda y Ruido
Cuál es la máxima velocidad a la cual un canal puede transmitir datos?. Los datos solo pueden ser transferidos si se permite cambiar los patrones de una señal.
La rapidez con la cual una señal puede cambiar es determinada por al Ancho de Banda (BW) y esto es gobernado por la ley de Nyquist-Shannon
Una señal de ancho de banda B puede cambiar a lo sumo a la rate de 2B.
Si cada cambio es usado para codificar un bit , la maxima velocidad de información es de 2B.
El teorema de Nyquist-Shannon no hace observaciones con las magnitudes de los cambios. Si los cambios de diferentes magnitudes son asociados a diferentes bits, la velocidad de información puede ser incrementada. Si la señal cambia en el tiempo y si esa señal puede tomar N niveles y cada nivel lleva una represtación de bits diferentes entonces:
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Diplomado de gerencia en telecomunicaciones
Relación entre Información, Ancho de Banda y Ruido
Si la señal cambia en el tiempo y si esa señal puede tomar n niveles y cada
nivel lleva una representación de bits diferentes entonces:
R = 2B log2(n) b/s
Si n tiende a , R tiende a ….. ?.
Hay un limite para n ?. El límite está asociado a la presencia del ruido (noise). Si continuamos subdividiendo las magnitudes de los cambios dentro de intervalos mas pequeños, se llega a un punto a donde no se puede distinguir los niveles individuales debido a la presencia del ruido. El ruido coloca un límite a la max rate a la cual podemos transmitir información. Realmente lo que interesa es la Relación entre la Potencia de la Señal versus la Potencia del ruido signal-to-noise ratio (SNR)´.
Caracterización del Canal
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Relación entre Información, Ancho de Banda y Ruido
En realidad es la relación Señal/Ruido (S/N) expresado en deciBels;
SNR = 10log10 (S/N) dB
Las relaciones de potencia de ruido se expresan:
PdBW = 10log10 (S/1) dBW cuando la referencia es 1 Wats
PdBW = 10log10 (S/0.001)dBm cuando la referencia es 1 miliWats
La máxima capacidad (C) teórica de un canal viene dada por la ley Hartley-Shannon:
C= B log2 (1 + S/N) b/s
Caracterización del Canal
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Diplomado de gerencia en telecomunicaciones
Relación entre Información, Ancho de Banda y Ruido
La máxima capacidad (C) teórica de un canal viene dada por la ley Hartley-Shannon:
C= B log2 (1 + S/N) b/s
Ejemplo: un canal de 10KHz operando con SNR de 15dB tiene una rata máxima teórica de información medida en b/s de :
SNR = 10log10 (S/N); 15 dB ;1.5 dB = log10 (S/N) (S/N) = 10 1,5 = 31,623
C = 10000 log2 (31,623) b/s = 49828 b/s
De hecho la capacidad del canal solo se aproxima a este límite.La mayor eficiencia es lograda en funcion de las tecnicas de codificación utilizadasEl logro de la eficiencia va en función del bit-error-rate (BER) típicamente es de 10-6
Caracterización del Canal
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Velocidad de señalización
• Definición: Es el número de señalizaciones que un dispositivo puede emitir en un segundo. Se mide en baudios.
Baudios = 1/t
t: tiempo utilizado en la fabricación de una señalización. 7
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Diplomado de gerencia en telecomunicaciones
Velocidad de transmisión
• Definición: Es el número de bits que un dispositivo transmite en un segundo. Se mide en bits/seg.
Vt = Vs * log2 (Valencia)
• Valencia: Número de estados físicos diferentes que puede tomar una señal.
• log2 (Valencia) = Número de bits que transporta una señal.
• Problemas.
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Diplomado de gerencia en telecomunicaciones
• Teorema de Nyquist:
Velocidad Max de datos = 2 BW log 2(V) bits/seg.
• Teorema de Shannon para un canal ruidoso:
Nº Max de bps = BW log 2 ( 1 + S/N)
S/N: Potencia de la Señal / Potencia del Ruido
(Expresada en decibeles)
S/N: 10 log 10(S/N). (logaX= logbX/logba)
Velocidad de transmisión
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Transmisión banda base (Baseband) y Banda ancha (Broadband).
• Definición: Son métodos de transmisión para transportar señales de información sobre un canal o cable.
• Clasificación:– Baseband:
• Envía los datos sobre el ancho de banda disponible del canal sin alterar su frecuencia original.
• No envía múltiples señales a través de un mismo canal.
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Espectro radioeléctrico
Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. La longitud de una onda es el período espacial de la misma, es decir, la distancia que hay de pulso a pulso .
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