EL TRABAJO MONOGRAFICO El trabajo monográfico es un texto extenso de carácter expositivo que tiene por objeto demostrar los conocimientos que se poseen acerca de un tema concreto. Un trabajo monográfico tiene que estar bien documentado, redactado y presentado. TRATAMIENTO DE ERRORES EN LA CAPA FISICA Autores: Antonio Martínez Fredy Curiel Ramírez Maribel Candela Talía Hernández Merino López pablo Carrera: Lic. En Informática Materia: Taller de herramientas intelectuales Grupo: “A“ Nombre del profesor: Fecha de entrega: 5 de diciembre del 2008 ÍNDICE Página Introducción 2 1. Ruido 1.1 Teorema de Shanon 3 3 2. Interferencia 2.1 Saltos de frecuencia 2.2 Secuencia directa 5 5 6 3. Diafonía 3.1 Diafonía en cableado estructurado 3.2 Diferencia entre diafonía e interferencia 7 8 8 4. Atenuación 4.1 Calculo de la atenuación 4.2 Problemas a causa de la atenuación 9 9 10 5. Distorsión 5.1 Distorsión lineal 5.2 Distorsión no lineal 11 11 12 Conclusiones 14 Bibliografía 15 1 Introducción En el presente trabajo de investigación se pretende realizar un enfoque del tratamiento de errores en el nivel físico, o primer nivel del modelo ISO/OSI, el cual se preocupa de todos los problemas relacionados con la transmisión de la señal que lleva la información, Este puede ser enviada a través de los medios de transmisión modificando alguna propiedad física del mismo. Por ejemplo, sobre una línea eléctrica podemos enviar datos modificando el voltaje o la intensidad que circula sobre la misma. La transmisión de una señal supone el paso de la misma a través de un determinado medio, por ejemplo: un cable, el aire, etc. Debido a diferentes fenómenos físicos, la señal que llega al receptor difiere de la emitida por el transmisor. Vamos a estudiar a continuación una serie de efectos que contribuyen a modificar la señal que se transmite. Si la suma de todos los efectos no produce una gran diferencia entre ambas señales, conseguiremos una transmisión libre de errores. Por el contrario, cuando la señal recibida difiera en exceso de la señal transmitida el receptor puede interpretar incorrectamente la información y decimos entonces que se produce un error de transmisión. Evidentemente no todas las señales sufren los mismos efectos al atravesar los distintos medios de transmisión, luego cuando sea posible, escogeremos el tipo de señales y medios que conduzcan a las mejores condiciones de transmisión. 2 1. RUIDO Se denomina ruido en la comunicación a toda señal no deseada que se mezcla con la señal útil que queremos transmitir. Es el resultado de diversos tipos de perturbación que tiende a enmascarar la información cuando se presenta en la banda de frecuencias del espectro de la señal, es decir, dentro de su ancho de banda. Hay diferentes tipos de ruido: o o o Ruido térmico debido a la agitación térmica de electrones dentro del conductor Ruido de intermodulación cuando distintas frecuencias comparten el mismo medio de transmisión Ruido impulsivo se trata de pulsos discontinuos de poca duración y de gran amplitud que afectan a la señal. 1.1 TEOREMA DE SHANON En 1928 Harry Nyquist, un investigador en el área de telegrafía, publicó una ecuación llamada la Razón Nyquist que media la razón de transmisión de la señal en bauds. La razón de Nyquist es igual a 2B símbolos (o señales) por segundo, donde B es el ancho de banda del canal de transmisión. Así, usando esta ecuación, el ancho de banda de un canal telefónico de 3,000 Hz puede transmitido hasta 2x3000, o 6,000 bauds o Hz. Claude Shannon después de la investigación de Nyquist estudio el como el ruido afecta a la transmisión de datos. Shannon tomo en cuenta la razón señal-a-ruido del canal de transmisión (medido en decibeles o dB) y derivo el teorema de Capacidad de Shannon. El teorema de Shannon-Hartley es una aplicación del teorema de codificación para canales con ruido. Un caso muy frecuente es el de un canal de comunicación analógico continuo en el tiempo que presenta un ruido gausiano. El teorema establece la capacidad del canal de Shannon, una cota superior que establece la máxima cantidad de datos digitales que pueden ser transmitidos sin error que pueden ser transmitidos sobre dicho enlace de comunicaciones con un ancho de banda específico y que está sometido a la presencia de la interferencia del ruido. 3 En las hipótesis de partida, para la correcta aplicación del teorema, se asume una limitación en la potencia de la señal y, además, que el proceso del ruido gausiano es caracterizado por una potencia conocida o una densidad espectral de potencia. Considerando todas las posibles técnicas de codificación de niveles múltiples y polifásicas, el teorema de Shannon-Hartley indica que la capacidad del canal C es:1 C=Blog2 (1+S/N) Donde: o o o o B es el ancho de banda del canal. C es la capacidad del canal (tasa de bits de información bit/s) S es la potencia de la señal útil, que puede estar expresada en vatios, milivatios, etc., (W, mW, etc.) N es la potencia del ruido presente en el canal, (mW, µW, etc.) que trata de enmascarar a la señal útil. Debido a que los canales de comunicación no son perfectos, ya que están delimitados por el ruido y el ancho de banda. El teorema de Shannon-Hartley nos dice que es posible transmitir información libre de ruido siempre y cuando la tasa de información no exceda la Capacidad del Canal. Asi, si el nivel de S/N es menor, o sea la calidad de la señal es más cercana al ruido, la capacidad del canal disminuirá. Esta capacidad máxima es inalcanzable, ya que la fórmula de Shannon supone unas condiciones que en la práctica no se dan. No tiene en cuenta el ruido impulsivo, ni la atenuación ni la distorsión. Solo representa el límite teórico máximo alcanzable 4 4. INTERFERENCIA En las telecomunicaciones y áreas afines, la interferencia es cualquier proceso que altera, modifica o destruye una señal durante su trayecto en el canal existente entre el emisor y el receptor. Para minimizar problemas de interferencia, la capa física del estándar 802.11 define diversas técnicas de transmisión: o o Espectro ensanchado por saltos de frecuencia. Espectro ensanchado por secuencia directa. 4.1 SALTOS DE FRECUENCIA La técnica de espectro ensanchado por saltos de frecuencia o FHSS consiste en dividir la frecuencia de banda ancha en al menos 75 canales distintos (con "saltos" de 1 MHz de distancia entre sí) y después transmitirla a través de una combinación de canales que todas las estaciones en la célula conocen. En el estándar 802.11 la banda de frecuencia de 2.4 a 2.4835 GHz acepta 79 canales discretos de 1 MHz. La transmisión se lleva a cabo de un canal hacia otro y sólo se usa cada canal durante un período de tiempo corto (aproximadamente 400 milésimas de segundo), lo que permite que una señal más fácil de reconocer se transmita en un determinado momento y en una determinada frecuencia. La técnica de espectro ensanchado por saltos de frecuencia se desarrolló originalmente para uso militar con el fin de prevenir que se escuchen las transmisiones radiales. La estación que no sabe qué combinación de frecuencia usar no puede escuchar la señal porque le sería imposible determinar la frecuencia en la que la señal fue transmitida y encontrar después la nueva frecuencia dentro de un período de tiempo corto. Actualmente, las redes locales que usan esta tecnología son estándar. Debido a que la secuencia de frecuencias que se utiliza es conocida universalmente, esta técnica ya no es una forma segura de transmitir datos. Sin embargo, FHSS todavía se utiliza en el estándar 802.11 para reducir la interferencia entre las distintas estaciones de una célula. 5 4.2 SECUENCIA DIRECTA La técnica conocida como espectro ensanchado por secuencia directa (o DSSS) consiste en transmitir para cada bit enviado una secuencia de Barker de bits (a veces llamado ruido pseudo aleatorio o PN). En esta operación, cada bit establecido en 1 es reemplazado por una secuencia de bit y cada secuencia de bit establecida en 0 es reemplazada por su complemento. La capa física del estándar 802.11 define una secuencia de 11 bits (10110111000) para representar el 1 y para codificar el 0 usa su complemento (01001000111). Cada bit que se codifica con esta secuencia se denomina chip o código de chip. Esta técnica (llamada chipping por "chip") modula cada bit que tenga la secuencia de Barker. A través del chipping se envía información redundante y esto permite verificar errores e incluso corregirlos durante las transmisiones. En el estándar 802.11, la banda de frecuencia 2.400-2.4835 GHz (83.5 MHz de ancho) se ha dividido en 14 canales distintos de 5 MHz cada uno. Sólo los primeros 11 se pueden usar en Estados unidos y Canadá. En el Reino Unido se pueden usar los canales del 1 al 13 solamente. Sin embargo, para una correcta transmisión de 11 Mbps se debe transmitir en una banda de 22 MHz porque, de acuerdo al teorema de Shannon, la frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la señal para que se digitalice. Algunos canales se superponen con canales cercanos. Es por ello que generalmente se utilizan canales aislados (1, 6 y 11) que están a 25 MHz de distancia. Por lo tanto, cuando dos puntos de acceso que usan los mismo canales tienen áreas de transmisión que se superponen, las distorsiones de señal pueden afectar las transmisiones. Para evitar cualquiera de estas interferencias, se recomienda distribuir los puntos de acceso y seleccionar canales de forma tal que dos puntos de acceso que usen el mismo canal nunca estén cerca. El estándar 802.11a utiliza las bandas de frecuencia de 5.15 a 5.35 Ghz y de 5.725 a 5.825 Ghz, lo que le permite definir 8 canales diferentes de 20 MHz de ancho cada uno, una banda lo suficientemente ancha como para evitar que los canales interfieran unos con otros. 6 5. DIAFONIA En Telecomunicación, se dice que entre dos circuitos existe diafonía, denominada en inglés Crosstalk (XT), cuando parte de las señales presentes en uno de ellos, considerado perturbador, aparece en el otro, considerado perturbado. La diafonía, en el caso de cables de pares trenzados se presenta generalmente debido a acoplamientos magnéticos entre los elementos que componen los circuitos perturbador y perturbado o como consecuencia de desequilibrios de admitancia entre los hilos de ambos circuitos. El concepto de diafonía o atenuación transversal, tal como su nombre lo indica, significa dos fonías. Esto quiere decir que la señal transmitida por un par logra ultrapasar a los demás pares adyacentes del cable, produciendo de esta forma interferencias entre las líneas del cable. Es frecuente cuando se está hablando por teléfono, escuchar otras conversaciones ajenas a la propia. Este efecto que se produce en la comunicación telefónica, se reconoce con el nombre de diafonía. Las principales causas que generan la diafonía, son los desequilibrios capacitivos y la baja aislación entre los pares del cable, lo que normalmente son producidos al realizar los empalmes. Es importarte llamar la atención en este punto, dado que la diafonía, a diferencia de otros defectos, son muy difíciles de localizar y reparar, por lo tanto los técnicos encargados de realizar las uniones en los cables deberán tomar todas las medidas pertinentes, con el objeto de evitar que se produzcan desequilibrios capacitivos (pares split) o baja aislación en los cables. Este problema genera además acoplamiento de señales en pares usados en transmisión de datos, y disminución de velocidad de propagación de la señal. La diafonía se define como la relación de potencia o voltaje que existe entre el par interferido y el par interferente. Esta relación se expresa con una potencia de 1mW la cual corresponde a 0dBm. Se entiende por par interferente al que lleva la señal y el par interferido donde se escucha la señal. 7 5.1 DIAFONÍA EN CABLEADO ESTRUCTURADO En un sistema de cableado estructurado, a la diafonía se la ha denominado NEXT que son las iniciales en ingles de Near End Cross Talk , debido a que los chequeos de diafonía se realizan en el extremo cercano de la fuente de excitación. La Principal forma de corregir este factor , es mediante el trenzado de los cables. El trenzado se debe conservar desde la fabricación hasta la instalación final, no halando el cable más de lo que remienda el fabricante, no realizando curvaturas inadecuadas, no destrenzando el cable más de lo recomendado en el momento de la conectorización, así como evitar quitar la chaqueta del cable más allá de lo indicado por la norma. 5.2 DIFERENCIA ENTRE DIAFONÍA E INTERFERENCIA Los conceptos de diafonía e interferencia son prácticamente equivalentes, y sólo se diferencian en un par de matices: o La diafonía suele emplearse exclusivamente en el caso de que la perturbación haya sido originada dentro del mismo sistema perturbado, o en otro sistema de igual naturaleza, mientras que la interferencia puede provenir también de otro sistema de naturaleza distinta. o La diafonía es propia de sistemas de transmisión con líneas metálicas, mientras que el concepto de interferencia se usa más a menudo en Radiocomunicaciones. Será en este campo donde nos centremos ahora. 8 6.1 ATENUACIÓN En comunicaciones, reducción normal de la potencia (en decibeles) de una señal mientras se transmite. Es lo opuesto a amplificación. Cuando una señal viaja de un punto a otro suele atenuarse, si lo hace demasiado esta se vuelve ininteligible. Es por eso que la mayoría de las redes necesitan repetidoras amplificadoras a intervalos regulares. En telecomunicación, se denomina atenuación de una señal, sea esta acústica, eléctrica u óptica, a la pérdida de potencia sufrida por la misma al transitar por cualquier medio de transmisión. 6.2 CALCULO DE LA ATENUACIÓN Si introducimos una señal eléctrica con una potencia P1 en un circuito pasivo, como puede ser un cable, esta sufrirá una atenuación y al final de dicho circuito obtendremos una potencia P2. La atenuación (a) será igual a la diferencia entre ambas potencias. No obstante, la atenuación no suele expresarse como diferencia de potencias sino en unidades logarítmicas como el decibelio, de manejo más cómodo a la hora de efectuar cálculos. La atenuación, en el caso del ejemplo anterior vendría, de este modo, expresada en decibelios por la siguiente fórmula: En términos de potencia a=10 x log P1/P2 En términos de tensión a=20 x log V1/V2 9 6.3 PROBLEMAS A CAUSA DE LA ATENUACIÓN Problemas: 1. La señal recibida debe tener la suficiente energía para que la electrónica en el receptor pueda detectar e interpretar la señal 2. La señal debe recibirse con un nivel mayor que el ruido 3. La atenuación varía en función de la frecuencia, lo que provoca que la señal recibida esté distorsionada Soluciones: 4. Amplificadores o repetidores: incrementan la energía de la señal 5. Ecualizadores: amplifican de forma diferente cada frecuencia evitan la distorsión de la señal 10 7. DISTORSIÓN Entendemos por distorsión la diferencia entre señal que entra a un equipo o sistema y la señal de salida del mismo. Por tanto, puede definirse como la "deformación" que sufre una señal tras su paso por un sistema. La distorsión puede ser lineal o no lineal. Si la distorsión se da en un sistema óptico recibe el nombre de aberración 7.1 DISTORSIÓN LINEAL La distorsión lineal es aquella que no modifica las componentes espectrales de la señal sobre la que se aplica. Esto es, la banda ocupada por la señal es la misma con y sin distorsión. Sea H( f ) la función de transferencia extremo a extremo (entre fuente y presentación) del sistema de transmisión. En general H(f)=|H(f)ejH(f) Vemos aquí que podrá haber dos tipos de distorsión lineal: o De amplitud. Para que no exista, |(Hf)| debe ser constante, es decir, de la forma|(Hf)|=K. o De fase. Para que no exista, H(f) debe ser cero o en todo caso lineal, o sea, H(f)=-ja?. Si H(f) es lineal, la distorsión en fase se traduce en un retraso puro de la señal, lo cual es admisible en la mayoría de aplicaciones; en este caso particular se habla en ocasiones de distorsión de retardo 11 7.2 DISTORSIÓN NO LINEAL La distorsión no lineal es aquella que genera componentes de frecuencias nuevas, que no existían en la señal original. En los sistemas no lineales no es posible definir una función de transferencia en sentido clásico, y se aproximan mediante una característica de transferencia definida como una relación entrada/salida polinómica: D=((e*e)(t)) / ((y*y)(t)) D=Pe/Py Dado un sistema cuya respuesta ideal es x(t) En realidad se obtiene una señal diferente y(t). Se define el error como e(t)=y(t)-x(t) Se define la distorsión como la relación de las potencias medias de error y de señal 12 CONCLUSIÓN Debido a diferentes fenómenos físicos, la señal que llega al receptor difiere de la emitida por el transmisor. Si la suma de todos los efectos producidos durante el viaje de una señal por su medio no crea una gran diferencia entre la señal enviada y la recibida, conseguiremos una transmisión libre de errores. Por el contrario, cuando la señal recibida difiera en exceso de la señal transmitida, el receptor puede interpretar incorrectamente la información y decimos entonces que se produce un error de transmisión. Todos los factores antes mencionados intervienen en el proceso de transmisión de señales y deforman o alteran las mismas. Estas contaminaciones o deformaciones pueden conducir a pérdidas de información y a que los mensajes no lleguen a sus destinos con integridad. Algunos de estos factores negativos son fácilmente evitables. En cambio, otros, por su naturaleza, no lo son tanto. Para ello se utilizan distintas técnicas que palian estos efectos perjudiciales. 13 BIBLIOGRAFÍA Teorema de shanon [en línea] disponible en: http://eveliux.com/mx/teorema-de-la-maxima-capacidad-deshannon.php Capa física [en linea] disponible en: http://iie.fing.edu.uy/ense/asign/comdat/transparencias/capa1 a.ppt#256,1,CAPA FISICA Diafonía [en línea] disponible en: http://www.plantaexterna.cl/localizacion/diafonia.htm Atenuación [en línea] disponible en:http://es.wikipedia.org/wiki/Atenuaci%C3%B3n Interferencia [en línea] disponible en: http://mecfunnet.faii.etsii.upm.es/difraccion/interferencia/interf .html 14