Tema 1: INTRODUCCIÓN ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA BREVE REVISIÓN HISTÓRICA ESTADO ACTUAL DE LAS COMUNICACIONES TENDENCIAS EN LOS SISTEMAS DE COMUNICACIÓN • BIBLIOGRAFÍA: [HAY94], [MILL01] [SCHWE02] 1 ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN TRANSMISOR CANAL DE COMUNICACIÓN SISTEMA DE COMUNICACIÓN TRANSDUCTOR DE ENTRADA RECEPTOR TRANSDUCTOR DESALIDA 2 DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN DIGITAL Fuente de Información Usuario de Información Codificador de Fuente Decodificador de Fuente Codificador de Canal Decodificador de Canal Modulador Demodulador Transmisor Receptor Canal 3 TIPOS DE SISTEMAS DE TRANSMISION ATENDIENDO AL FLUJO DE LA INFORMACIÓN Y AL NÚMERO DE USUARIOS • TRANSMISIÓN PUNTO – PUNTO: • TRANSMISION SIMPLEX ó UNIDIRECCIONAL • TRANSMISION SEMIDUPLEX (HALF-DUPLEX): Transmisión bidireccional, con el canal compartido, pero no simultáneo. • TRANSMISION FULL DUPLEX: Transmisión bidireccional y simultánea a través del canal. • TRANSMISIÓN PUNTO-MULTIPUNTO o al revés. • Un ejemplo sería los sistemas de radio y televisión. • Se pueden dar todas las posibilidades comentadas anteriormente. 4 MODULACIÓN y MULTIPLEXADO • MODULACIÓN. Técnicas que transforman la señal a transmitir para hacerla adecuada al canal de comunicación y más inmune al ruido y las interferencias. • Modulación analógica: AM, FM, PM,etc. • Modulación Digital: PCM, ASK, PSK, FSK, QAM, 8-PSK, etc. • MULTIPLEXADO. Técnicas que permiten que múltiples usuarios puedan compartir un canal de comunicación. • FDM (frecuencia), • TDM (tiempo); • CDM (código); • SDM (espacial), etc. 5 REDES DE COMUNICACIÓN • • Interconexión de nudos que corresponden a procesadores inteligentes. El principal propósito es encaminar la información o datos a través de la red. Cada nudo puede tener una o más estaciones conectados a él. Las estaciones son dispositivos que quieren conectarse Hay que realizar el diseño de la Red para intercambiar los datos de una forma eficiente: Arquitecturas de capas o niveles. (ej. modelo OSI, TCP/IP,etc.) 6 7 MODELO OSI (Open System Interconection) • Capa de Aplicación: Ejecuta el programa de aplicación que interactúa con el usuario (por ej. Microsoft Office). • Capa de presentación: Describe la sintaxis de los datos que se transmiten • Capa de sesión: Se encarga de la gestión de de la comunicación: conexión, desconexión, acceso a directorios, los derechos de acceso, las funciones de registro,etc. • Capa de transporte: Se encarga de la transmisión viable de extremo a extremo de los mensajes por la red. Se asegura que el receptor recibe la información, y en caso de errores, reenvía la información • Capa de red Gestiona el enrutamiento, es decir, el camino que siguen los datos a través de la red. Por lo general, la capa de red añade su propia cabecera a los paquetes que recibe de la capa de transporte. • Capa de Enlace Capa que divide la información en bloque con formato, denominados tramas, y que gestiona la información entre nodos • Capa Física Capa que gestiona electrónicamente la información 8 DISPOSITIVOS DE CONEXIÓN Hub ó concentrador (Capa física) ¾ Trabaja en el nivel físico de la OSI. Se limita a conectar los ordenadores entre sí. ¾ Cuando entra una señal por una boca, la distribuye a todos los ordenadores. SWITCH (Capa física + Capa de enlace) ¾ Trabaja en el nivel de enlace de la OSI. ¾ Cuando recibe una señal, la direcciona sólo a la boca del ordenador interesado. Router (Capa física+ enlace+ Red) ¾ Comunica redes, deja pasar tramas y transforma tramas si los protocolos son diferentes. ¾ Se utiliza para conectar: ¾ LAN con Internet (red con Internet) ¾ LAN con WAN ( 2 redes) ¾ LAN con WLAN (1 red alámbrica con otra inalámbrica) 9 OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA • • • • • Se abordarán los fundamentos de teoría de la señal y modulación como base para entender la problemática y las demandas planteadas por los actuales sistemas y servicios de comunicación: Internet, ADSL, móviles, etc. Se estudiarán las características y los efectos que los diferentes medios de transmisión: par trenzado, guias de onda, fibra óptica, aire, etc. producen en la transmisión de la información. Se describirán los tipos de modulación tanto analógica como digital, estableciendo los criterios que permitan evaluar eficazmente su rendimiento: ancho de banda, inmunidad al ruido e interferencia, etc. Se plantearán las diferentes arquitecturas de transmisores y receptores, así como la implementación electrónica de sus bloques. El papel que la Microelectrónica y la evolución tecnológica ha jugado en el desarrollo de los actuales sistemas de comunicación también quedará recogido durante el desarrollo de los temas. 10 BREVE REVISION HISTORICA ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ Año 1837 1864 1875 1887 1894 1901 19041906 1918 1920 1923 1933 1937 1939 1941 1948 1949 Acontecimiento Telégrafo (Samuel Morse) Ecuaciones de Maxwell Invención teléfono (A. Bell) Ondas radio (H. Hertz) Telégrafo sin hilos (G. Marconi) Primer mensaje transatlántico sin hilos (G. Marconi) Diodo y triodo de vacío (J.A. Fleming y Lee de Forest) Receptor superheterodyno de radio (E.H. Amstrong) Primera emisora de radio (KDKA Pittsburgh) Invención de la televisión (V. Zworykin) Modulación en frecuencia FM (E.H.Amstrong) Modulación codificada en pulsos (PCM) (Alec Reeves) Primera emisión de TV (NBC) Inicio de la radiodifusión FM en USA Invención del transistor (Bell Labs) Teoría Matemática de la Comunicación (Shannon) 11 BREVE REVISION HISTORICA (Cont.) ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ 1957 1958 1961 1962 1969 1970 1977 1980 ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ 1981 1983 1989 1990 1991 1995 1996 1998 1999 Primer satélite (Sputnik) Primer Circuito Integrado (Kilby&Noyce) Dispositivos lásers (Bell Labs, IBM) Satélite Telstar (Bell Labs) Origen de Internet en USA Comienzo de investigación en HDTV en Japón Primer sistema de comunicación por fibra óptica Ethernet aceptado como standard para LANs. Inicio de RDSI (Redes Digitales de Servicios Integrados) Desarrollo del primer modem (D. Hayes) Redes para teléfonos celulares (móviles-1ª Generación) Nacimiento de World Wide Web (WWW) 2ª Generación de teléfonos móviles Primera demostración de videoconferencia DBS (Direct Broadcast Satellite ) Liberalización de Telecomunicaciones en USA Standards de HDTV en USA Comienzo de emisión digital de televisión (DTV) 12 RECEPTOR SUPER HETERODYNO AMSTRONG-1918 Sección RF: La señal se amplifica y filtra Oscilador local sintonizable para seleccionar la emisora Sección IF: Se filtra y amplifica a una frecuencia fija Demodulador para bajar la señal al rango de audio Sección AF: Se amplifica la señal de audio 13 TEOREMA DE LA CAPACIDAD DEL CANAL (Hartley-Shannon) Establece el límite de velocidad de transmisión libre de errores por un canal gaussiano ( C = B ⋅ log 2 1 + S N ) Donde: C = capacidad de transmisión, en bits por segundo B = ancho de banda, en Hz S = potencia de la señal N = potencia del ruido S/N ó SNR = Relación señal a ruido recibida !Sólo se puede transmitir sin errores una tasa de bits menor que la capacidad que se define en este TEOREMA! 14 ESTADO ACTUAL DE LAS COMUNICACIONES: REDES MULTIACCESO Se quiere dar acceso a diferentes servicios: teléfono, TV, datos, Internet, videoconferencias, etc. Se dispone de distintas opciones de cobertura. Depende de la situación y tipo de servicio 15 REDES DE COMUNICACIÓN UTILIZANDO FIBRA ÓPTICA Y CABLE COAXIAL (HYBRID FIBER-COAX) 16 RED DE COMUNICACIONES POR CABLE YA EXISTENTE PARA LÍNEAS TELEFÓNICAS. ADSL: Línea Digital Asimétrica de abonado 17 APLICACIONES DE COMUNICACIONES INALAMBRICAS 18 EJEMPLO DE VARIEDAD DE STANDARDS Y TÉCNICAS DE MODULACIÓN 19 Métodos y velocidades de acceso a Internet MÉTODOS DE ACCESO MÁXIMA VELOCIDAD TIEMPO DE DESCARGA (Fichero de 10Mb) Módem Telefónico(28.8Kb/s) 28.8Kb/s 46 minutos Módem Telefónico(33.6Kb/s) 33.6Kb/s 40 minutos Módem Telefónico(56.6Kb/s) 56.6Kb/s 30 minutos 64Kb/s 21 minutos 1.5 a 9 Mb/s 89 a 53 segundos 10 a 30 Mb/s 2.7 a 9 segundos Módem ISDN Módem ADSL Módem Cable 20 EJEMPLO DE ESPECIFICACIONES DE UN RECEPTOR “WIRELESS” PROPIEDADES GSM UMTS BLUETOOTH Banda de Frecuencia 935-960 2110-2170 2402-2480 Número de Canales/Separación (MHZ) 124/0.2 12/5 79/1 Codificación de voz (Kb/s) 13.4 12.2 64-4 Sensibilidad (dBm) -102 -117 -70 Ruido de Base (dBm) -111 -99 -91 Figura de Ruido, NF (dB) 9.8 9 23 Máximo nivel de entrada (dBm) -15 -25 -20 IP3 referido a la antena (dBm) -12.5 -6 -16 Rango Dinámico, SFDR(dB) 68 68 50 21 22 TENDENCIAS EN COMUNICACIONES Acceso a más información (audio, video,internet) de forma rápida y segura Necesidad de Banda ancha y Bajo consumo de potencia COMUNICACIONES SIN CABLE (WIRELESS) 1. TERCERA GENERACIÓN DE MÓVILES (UMTS: Universal Mobile Telecommunication Services). La evolución de los móviles de segunda generación (ej. GSM: Global System for Mobile Communications). Deben integrar otros servicios de datos disponibles en las redes de comunicaciones fijas. Evolución más lenta que lo previsto. PROBLEMAS: Necesidad de mayor número de Memorias No-volátiles, Circuitos de RF de baja potencia, baterías de menor peso y duración, mayor número de antenas, etc. Próxima generación: HSDPA (High Speed Downlink Packet Access:3.5G) Mejora considerable de velocidad: 14Mb/s 23 24 Comunicaciones sin cable (wireless) 2. REDES LAN inalámbricas (WLAN) Su atractivo fundamental es la facilidad de instalación y el ahorro del cableado. Wireless-Fidelity (Wi-Fi) Varias tecnologías desarrolladas: IEEE 802.11a-b (Wi-Fi)-g, Las antenas son caras y su despliegue controvertido Problemas de seguridad frente a intrusos Tecnología UltrawideBand (UWB) Emplea ráfagas de potencia mil veces menores que las de un teléfono móvil con duración de picosegundos. Necesita anchos debanda muy grandes. Puede ser competencia para Wi-Fi por precisión y seguridad También puede tener aplicaciones en sistemas de muy baja potencia(i. e. redes de sensores autónomos) 25 26 Televisión Digital Terrestre: TDT • A partir del 3 de abril de 2010 sólo se emitirá televisión terrestre mediante tecnología digital. • La Televisión Digital Terrestre (TDT) es el resultado de la aplicación de la tecnología digital a la señal de televisión, para luego transmitirla por medio de ondas hercianas terrestres, es decir, aquellas que se transmiten por la atmósfera sin necesidad de cable o satélite y se reciben por medio de antenas UHF convencionales • El estándar utilizado en España para la transmisión de TDT, al igual que en más de 110 países a lo largo del mundo, entre los que se encuentran todos los de la Unión Europea, es el DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial). 27 Televisión Digital en Movilidad • La Televisión Digital en Movilidad puede ser definida como aquel servicio de difusión de televisión con tecnología digital que se presta utilizando como soporte ondas radioeléctricas, terrestres o por satélite, y cuya señal es recibida en dispositivos o equipos móviles o portátiles (teléfono móvil, ordenador portátil, PDA, etc) • El estándar de Televisión Digital en Movilidad en España, es el DVB-H (Digital Video Broadcasting - Handheld), que es una adaptación del DVB-T pero con la adición de requisitos propios de dispositivos móviles alimentados con baterías, como la compresión del vídeo y el bajo consumo, y con posibilidades de intercambio de datos por medio del protocolo TCP/IP. 28 OTRAS TENDENCIAS EN RADIOCOMUNICACIÓN 3. REDES WPAN: Wireless Personal Area Network (IEEE 802.15) Intercambio inalámbrico de datos entre distintos aparatos: un móvil y su auricular, un móvil y un ordenador, enlace entre ordenadores, etc. BLUETOOTH Cobertura: 1-100m Velocidad: 1Mbps Desarrollo muy rápido. Especificaciones compatibles con CMOS. ZigBee: Cobertura: Hasta 70m Velocidad: 250Kbps Menor coste y menor potencia Aplicaciones de sensado, juguetería etc. 29 OTRAS TENDENCIAS EN RADIOCOMUNICACIÓN RFID (Identificación por Radio Frecuencia) Sustitutivos de los códigos de barra Permiten identificar objetos a cortas distancias. Las etiquetas RFID contienen antenas para recibir y responder a las peticiones que recibe del lector. Existen etiquetas pasivas que no necesitan alimentación eléctrica interna. Reciben la energia necesaria a través de la corriente inducida por la señal de escaneo. COMUNICACIONES POR SATELITE Gran número de satélites en diferentes órbitas (GEO; LEO; MEO, etc). Desarrollo de nuevas aplicaciones (GPS, tráfico etc. ) 30 EJEMPLOS DE ETIQUETAS DE RF ID 31 32 COMUNICACIONES POR CABLE (WIRELINE) 1. FIBRA OPTICA Opción cara, no válida para todos los usuarios Capacidades de Terabits/s en cientos de Kms Investigaciones para conseguir mayor capacidad y velocidad. Amplificadores de fibra dopada de Erbio que amplifican el espectro entero de interés. 2. POR CABLE TELEFONICO ADSL (Asymmetrical Digital Subscriber Line ). Su velocidad y utilización depende de la conexión que tenga el usuario a la Central. (bucles de abonados ). VDSL: Línea Digital de Abonado de Muy Alta Velocidad de cinco a diez veces superior a ADSL. Intenta satisafacer las demandas de video ofreciendo una calidad superior al transmitido por radiodifusión. Requiere convertidores A/D de muy alta velocidad en sus módems. Para que alcance su máxima velocidad, los bucles de abonado deben ser muy cortos (300m.) En bucles de 1.5Km sólo se conseguirían 13Mbit/s 33 ESQUEMA DE EQUIPOS PARA RECEPCIÓN DE SERVICIOS POR ADSL 34 COMUNICACIONES POR CABLE (WIRELINE) 3. POR CABLES DE LA RED ELECTRICA (PLC: Power Line Communications) • Las líneas de red eléctrica también pueden utilizarse para transferir información. • Se están desarrollando módems que permitirán las mismas funcionalidades que los de ADSL. • Las compañías eléctricas tienen que dar su aprobación. • Faltan estudios para ver la influencia del canal en la transmisión, ya que las señales que hay en el tendido eléctrico pueden tener picos muy altos debidos a las distintas cargas en la red. 4. HIBRIDO FIBRA COAXIAL (HFC) • Requiere tendido de cable o adaptación de redes y decodificadores de forma que no sólo suministren servicios de vídeo. 35 EJEMPLO DE RUIDOS EN UNA LÍNEA ELÉCTRICA 36 EJEMPLO DE TRANSCEIVER DE RADIO-I 37 EJEMPLO DE TRANSCEIVER DE RADIO-II 38 OTRAS REFERENCIAS DE CONSULTA • Tendencias de telecomunicación: http://www.tendencias21.net/TENDENCIAS-DE-LA-TELECOMUNICACIoN_r21.html • Museo de Telecomunicaciones: http://www.fundacion.telefonica.com/museo/educa/index.htm http://www.fundacion.telefonica.com/museo/nave/nave/nave.htm • Wikipedia http://es.wikipedia.org/wiki/Telecomunicaci%C3%B3n 39