TECNICAS DE MULTIPLEXING MODULACIÓN Y DEMODULACIÓN DE SEÑALES
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1.- INTRODUCCIÓN • Información analógica y digital puede ser codificada mediante señales analógicas y digitales. • Elección de un tipo de modulación (codificación): – Requisitos exigidos. – Medio de transmisión. – Recursos disponibles.
• Optimizar características de la transmisión: – – – –
Aprovechar el ancho de banda. Sincronización emisor-receptor. Inmunidad frente al ruido e interferencias. Disminuir la complejidad y abaratar costes. 2
Interpretación de las señales • El receptor debe conocer: – La duración de cada bit: cuándo comienza y cuándo acaba cada uno. – El nivel para cada bit.
• Factores que determinan el éxito o el fracaso del receptor al interpretar la señal de entrada: – La relación señal/ruido. – La velocidad de transmisión de datos. – El ancho de banda.
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Comparación de las técnicas de codificación • Detección de errores: – Se puede incorporar en el esquema de codificación
• Inmunidad al ruido e interferencias: – Algunos códigos exhiben un comportamiento superior a otros en presencia de ruido
• Coste y complejidad: – Cuanto mayor es la velocidad de elementos de señal para una velocidad de transmisión dada, mayor es el coste – Algunos códigos implican mayor velocidad de elementos de señalización que de transmisión de datos 4
2.- DATOS DIGITALESSEÑALES DIGITALES • Señal digital: Secuencia de pulsos discretos y discontinuos (elementos de señal). • Los datos binarios se transmiten codificando cada bit de datos en elementos de señal. • Diferentes alternativas: – Non Return to Zero (NRZ) • NRZ-L
NRZ-I
– Binario multinivel • Bipolar AMI
Pseudoternario
– Códigos bifase • Manchester
Manchester diferencial
– Técnicas de “Scrambling” • B8ZS
HDB3
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NRZ (Non Return to Zero) • La forma más sencilla de codificar es asignando a cada símbolo (bit) un nivel de tensión. • El nivel de tensión se mantiene constante durante la duración del bit: – No hay transiciones, es decir, no hay retorno al nivel cero de tensión.
• NRZ-L (Non Return to Zero – Level) 0: Nivel alto de tensión 1: Nivel bajo de tensión
• NRZI (Non Return to Zero Invert on Ones) 0: No hay transición al comienzo del intervalo 1: Transición al comienzo del intervalo 6
NRZ
Codificación diferencial 7
Codificación diferencial • Los datos se representan por los cambios que se producen, no por los niveles que se establecen. • Más seguro en la detección de transición que en la detección de nivel. • En un sistema complicado de transmisión, no es difícil perder la polaridad de la señal.
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Ventajas e inconvenientes de las señales NRZ • Ventajas: – Fáciles de implementar. – Utilización eficaz del ancho de banda.
• Inconvenientes: – Presencia de una componente continua. – Ausencia de capacidad de sincronización.
• Se usan con frecuencia en las grabaciones magnéticas. • No se suelen utilizar en la transmisión de señales. 9
Binario multinivel • Usan más de dos niveles de señal • Bipolar-AMI: (Alternate Mark Inversion) – – – –
0: No hay señal 1: Pulso positivo o negativo, polaridad alternante No habrá problemas de sincronización en el caso de que haya una cadena larga de 1. Una cadena larga de ceros, sigue siendo un problema. No hay componente continua. Forma sencilla de detectar errores.
• Pseudoternario: 0: Pulso positivo o negativo, polaridad alternante 1: No hay señal 10
Bipolar-AMI y pseudoternario
Bipolar- AMI
Pseudoternario
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BIFASE • Manchester: – Transición en mitad del intervalo de duración del bit. – La transición sirve como procedimiento de sincronización y de transmisión de datos: 1: Transición de bajo a alto en mitad del intervalo 0: Transición de alto a bajo en mitad del intervalo
– Utilizado por IEEE 802.3 (LAN Ethernet con bus CSMA/CD).
• Manchester Diferencial: – La transmisión a mitad del intervalo se utiliza tan sólo para proporcionar sincronización: 0: Transición al principio del intervalo del bit 1: Ausencia de transición al principio del intervalo del bit
– Nota: es un esquema de codificación diferencial. – Utilizado por IEEE 802.5 (LAN paso de testigo en anillo). 12
Ventajas e inconvenientes de la codificación bifase • Inconvenientes: – Al menos una transición por cada bit, pudiendo tener hasta dos en ese mismo periodo. – La velocidad de modulación máxima es el doble que en los NRZ. – El ancho de banda necesario es, por tanto, mayor.
• Ventajas: – Sincronización, la transición ocurre durante el intervalo de duración de un bit (códigos auto-sincronizados). – No tienen componente en continua. – Detección de errores: • Ausencia de la transición esperada
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Velocidad de modulación 5 bits = 5µs
NRZI 1 bit = 1 elemento de señalización = 1µs
Manchester 1 bit = 1µs
1 elemento de señalización = 0.5µs
Una cadena de unos a 1 Mbps 15
Técnicas de “scrambling” • Utilizar algún procedimiento o técnica de “scrambling” para reemplazar las secuencias de bits que den lugar a niveles de tensión constante • La secuencia reemplazada: – Debe proporcionar suficiente número de transiciones para que el reloj se mantenga sincronizado – Debe ser reconocida por el receptor y sustituida por la secuencia original – Debe tener la misma longitud que la original
• Evitar la componente en continua • Evitar las secuencias largas que correspondan a señales de tensión nula • No reducir la velocidad de transmisión de los datos • Tener cierta capacidad para detectar errores
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B8ZS • Bipolar With 8-Zeros Substitution. • Se basa en un AMI bipolar. • Si aparece un octeto con todo ceros y el último valor de tensión anterior a dicho octeto fue positivo, codificar dicho octeto como 000+-0-+ • Si aparece un octeto con todo ceros y el último valor de tensión anterior a dicho octeto fue negativo, codificar dicho octeto como 000-+0+• Se fuerzan dos violaciones del código AMI • Probabilidad muy baja de haber sido causa por el ruido u otros defectos en la transmisión • El receptor identificará ese patrón y lo interpretará convenientemente como un octeto todo ceros. 17
HDB3 • High Density Bipolar-3 Zeros • Se basa en la codificación AMI • Se reemplazan las cadenas de cuatro ceros por cadenas que contienen uno o dos pulsos 000V
(Nro impar de “1” desde última sustitución)
0000 B00V (Nro par de “1” desde última sustitución) B: Señal bipolar válida V: Violación bipolar 18
B8ZS y HDB3
Bipolar-AMI
B8ZS
HDB3 (número impar de unos desde la última sustitución)
B= Señal bipolar válida V= Violación bipolar
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3.- DATOS DIGITALES SEÑALES ANALÓGICAS • Sistema de red telefónica: – Rango de frecuencias de voz entre 300 Hz y 3.400 Hz – Uso de dispositivos modem (modulador-demodulador) DATOS DIGITALES
•Desplazamiento de amplitud (ASK) –Amplitude-Shift-Keying
SEÑALES ANALOGICAS
•Desplazamiento de frecuencia (FSK) –Frequency-Shift-Keying
•Desplazamiento de fase (PSK) –Phase-Shift-Keying Estación de trabajo Modem
Red pública de teléfonos
Modem
Servidor 20
Modulación de datos digitales Información digital
(a) Desplazamiento de amplitud (ASK)
(b) Desplazamiento de frecuencia (FSK)
Señales analógicas
(c) Desplazamiento de fase (PSK)
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Desplazamiento de amplitud ASK • Los valores binarios se representan mediante dos amplitudes diferentes de la portadora
A • cos(2πf c t ) 1binario s(t ) = 0 0 binario
• Es normal que una de las amplitudes sea cero:
– Es decir, se utiliza la presencia o ausencia de la portadora
• Sensible a cambios repentinos de la ganancia • Ineficaz • Se usa típicamente hasta 1.200 bps, en líneas de calidad telefónica • Se usa en fibras ópticas 22
Desplazamiento de frecuencia FSK • Los valores se representan mediante frecuencias diferentes próximas a la frecuencia de la portadora A • cos(2πf 1t ) 1binario s(t ) = A • cos(2πf 2 t ) 0 binario
• Menos sensible a errores que ASK • Se utiliza típicamente a velocidades de hasta 1.200bps en líneas de alta calidad telefónica • Transmisión de radio a más altas frecuencias • También se puede usar a frecuencias superiores en redes de área local que utilicen cable coaxial 23
FSK en una línea de calidad telefónica Energía de la señal
Espectro de la señal transmitida en un sentido
1
0
Espectro de la señal transmitida en el sentido contrario
1
0 Frecuencia (Hz)
Transmisión “full-duplex” en una línea de calidad telefónica 24
Desplazamiento de fase PSK • La fase de la señal portadora se desplaza para representar los datos A • cos(2πf c t + π ) 1binario s(t ) = 0 binario A • cos(2πf c t ) • PSK diferencial: – El desplazamiento en fase es relativo a la fase correspondiente al último símbolo transmitido, en lugar de ser relativo a algún valor constante de referencia
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Desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK) • Se puede conseguir una utilización más eficaz del ancho de banda, si cada elemento de señalización representa a más de un bit:
A • cos(2πf c t + A • cos(2πf t + c s(t ) = A • cos(2πf t + c A • cos(2πf c t +
π
)
4 3π ) 4 5π ) 4 7π ) 4
11binario 10 binario 00 binario 01binario
Desplazamientos de fase correspondientes a múltiplos de π/2 (90o) Cada elemento de señal representa dos bits
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Modems (a) Señal binaria (b) ASK
(c) FSK
(d) PSK
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Modems (2)
(a) QPSK (b) QASK-16 (c) QASK-64 28
Modems (3)
(a)
(a) V.32 para 9600 bps (b) V32 bis para 14.400 bps
(b)
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4.- DATOS ANALÓGICOSSEÑALES DIGITALES • Digitalización: – Transformación de datos analógicos en señales digitales: • Los datos digitales se transmiten usando NRZ-L. • Los datos digitales se codifican usando un código diferente al NRZ-L.
– Los datos digitales se convierten en señales analógicas. – La conversión de datos analógicos en señales digitales se realiza mediante un codec.
• Dos estrategias de digitalización: – Modulación por impulsos codificados (PCM). – Modulación delta (DM). 30
Modulación por codificación de impulsos (PCM) • Teorema de Nyquist: – Si una señal se muestrea a intervalos regulares de tiempo con una frecuencia mayor que el doble de la frecuencia más alta de la señal, las muestras obtenidas contienen toda la información de la señal original
• Los datos de voz se limitan a frecuencias por debajo de 4.000 Hz en canales telefónicos. • Se necesitan 8.000 muestras por segundo. • Muestras analógicas, denominadas muestras PAM (Pulse Amplitude Modulation). • Todas las muestras llevan asignado un código digital.
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Modulación por codificación de impulsos (PCM) • Un sistema de 4 bits permite 16 niveles. • Cuantización: – Error o ruido de cuantización
• Una muestra de 8 bits permite 256 niveles. • La calidad es comparable a la que se consigue mediante transmisión analógica. • Transmisión de voz con calidad telefónica: 8.000 muestras/segundo x 8 bits/muestra = 64 kbps
Codificación no-lineal • Los niveles de cuantización no están igualmente separados. • Reducción en la distorsión media de la señal. • El mismo efecto se puede conseguir usando comprensión-expansión.
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Prestaciones • Buena calidad de reproducción de voz: – PCM: 128 niveles (es decir, con 7 bits). – La señal de voz ocupa un ancho de banda de 4 khz. – La velocidad de transmisión debería ser: 8.000 x 7 = 56 kbps para los datos codificados en PCM. – Ancho de banda necesario: • Criterio de Nyquist R=2W R=56Kbps ⇒