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Modos de transmisión.

 

 

Los sistemas de comunicaciones electrónicas pueden diseñarse para manejar la transmisión solamente en una dirección, en ambas direcciones pero sólo uno a la vez, o en ambas direcciones al mismo tiempo. Estos se llaman modos de trasmisión. Cuatro modos de transmisión son posibles: simplex, half-duplex, full-duplex y full/full-duplex.

 

 

v      Simplex (SX)

 

Con la operación simplex, las transmisiones pueden ocurrir sólo en una dirección. Los sistemas simples son, algunas veces, llamados sistemas de un sentido, sólo para recibir o sólo para trasmitir. Una ubicación puede ser un trasmisor o un receptor, pero no ambos.

 

Un ejemplo de la trasmisión simplex es la radiodifusión de la radio comercial o de televisión; la estación de radio siempre trasmite y el usuario siempre recibe.

 

 

 

v     Half- duplex (SX)

 

Con una operación Half-Duplex, las transmisiones pueden ocurrir en ambas direcciones, pero no al mismo tiempo. A los sistemas half-duplex, algunas veces se les llaman sistemas con alternativa de dos sentidos, cualquier sentido. Una ubicación puede ser un trasmisor y un receptor, pero no los dos al mismo tiempo.

 

Los sistemas de radio de doble sentido que utilizan los botones oprima para hablar (PTT), para operar sus transmisores, como lo son los radios de banda ciudana y de trunking.

 

 

 

v       Full-duplex (FDX).

 

Con una operación full-duplex, las transmisiones pueden ocurrir en ambas direcciones al mismo tiempo. A los sistemas de full-duplex algunas veces se les llama líneas simultáneas de doble sentido. Una ubicación puede transmitir y recibir simultáneamente; sin embargo, la estación a la que está transmitiendo también debe ser la estación de la cual está recibiendo.

 

Un sistema telefónico celular estándar es un ejemplo de este tipo de trasmisión.

 

v       Full/full-duplex (F/FDX).

 

Con una operación full/full-duplex, es posible transmitir y recibir simultáneamente, pero no necesariamente entre las mismas dos ubicaciones (es decir, una estación puede trasmitir a una segunda estación y recibir de una tercera estación al mismo tiempo).

 

Las transmisiones full/full-duplex se utilizan casi exclusivamente con circuitos de comunicaciones de datos.

 

 

MULTIPLEXACIÓN

 

Multiplexación por división en frecuencias

 

 


El uso de FDM es posible siempre que el ancho de banda útil del medio de transmisión sea mayor que el ancho de banda de la señal transmitida. Modulando cada señal con una frecuencia portadora distinta se pueden transmitir simultáneamente varias señales; eso si, las portadoras han de estar suficientemente separadas para que los distintos anchos de banda no se solapen. En la siguiente figura se muestra un caso general de FDM:

En este caso seis señales entran al multiplexor, que las modula con distintas frecuencias (f1.... f6). Cada señal modulada necesita  cierto ancho de banda, que se denomina canal y que está centrado en torno a la correspondiente frecuencia portadora.

 

La señal compuesta que se transmite a través del medio es analógica. Obsérvese, no obstante, que las señales de entrada pueden ser tanto analógicas como digitales, en el caso de que la entrada sea digital, las señales de entrada se deben pasar a través de modems para que se conviertan en analógicas.

 

 

Un ejemplo típico de FDM es la emisión de televisión convencional y por cable.

 

En la siguiente figura se muestra un esquema general de un sistema FDM.


 

 

 

 

 


Se multiplexan una serie de señales analógicas o digitales [mi (t) , i=1, N] sobre el mismo medio de transmisión. Cada una de las señales mi (t) se modula sobre una portadora diferente, fsci , denominada subportadora. Se puede usar cualquier tipo de modulación. Las señales analógicas resultantes se suman dando lugar a la señal compuesta mc (t).

 

 

 

 

En la siguiente figura se muestra el resultado:


 

 


El espectro de la señal original se desplaza para centrarse en torno a fsci. Se debe elegir de tal manera que no se solapen los anchos de banda de las distintas señales.

 

En cualquier otro caso, sería imposible recuperar las señales originales.

 

 

Multiplexión por division en el tiempo (TDM)

 

Es una tecnología de banda base en la cual se identifican los circuitos individuales (datos o voz) por su posición en un flujo de tramas que tiene intervalos regulares de tiempo asignados. Se digitalizan las entradas analógicas (voz) mediante la modulación por código de pulsos y parte de la información digitalizadas se inserta dentro de los segmentos temporales de la transmisión. Cada canal obtiene un segmento de tiempo entrelazado, de modo que todos los canales comparten equitativamente el medio que se usa para la transmisión.

 

Una trama es una secuencia de segmentos de tiempos en cada canal de entrada. Por ejemplo, si hay 24 canales de entrada una trama consta de 24 segmentos que contienen muestra de cada canal. Un bit de sincronización especial efectúa el seguimiento de la trama, de modo que el equipo receptor puede mantener la correlación temporal. Una trama nueva sigue con mas muestra de cada canal, y este proceso continua a velocidades muy altas sobre el medio de transmisión.

 

En la Multiplexación de tipo, una trama consta de 24 intervalos de tiempo y hay 8 mil tramas por segundo. Cada ranura de tiempo o segmento de la trama contiene 64 mil Bits de información, lo que se obtiene mediante la Multiplexación de señal analógica 800 veces por segundo y con el, uso de ocho bits por muestra (8000 x 8 = 64000 o 64Kbits/seg). El numero de bits por segundo soportado por una facilidad de transmisión se llama velocidad de canal o velocidad de bits. Por tanto un transmisión T1 tiene una velocidad de canal de 1,544 Mbips/seg ; lo que se calcula como sigue: 

 

24 tramas x 64bits/trama = 1,536 Mbips/seg.

 

Se añade a esto le bit se sincronización de trama que presenta a 8000 bits/seg (8 Kbps o 0,008 Mbps) para obtener la velocidad de transmisión final, como sigue:

 

1,536 Mbps + 0,008 Mbps = 1,544 Mbps

 

Proporciona una forma de mezclar señales de varias fuentes como teléfonos, computadoras y equipos de vídeo en único canal, para la comunicación sobre líneas telefónicas, sistema de microondas o sistema de satélite.

 

El canal se divide en ranuras de tiempo y se asigna a cada dispositivo una de ellas para sus transmisiones la ranuras de tiempo se asignan de forma que cada dispositivo que transmite obtenga una compartición igual, aunque algunos dispositivos como los sistemas de videoconferencia pueden requerir mas ranuras para asegurar que los datos lleguen a tiempo. Por ejemplo, se puede imaginar un tren de furgones en el cual cada dispositivo que transmite obtiene uno de cada cinco furgones en el extremo receptor el flujo de datos se demultiplexa la señal de cada sistema se recombina y se envía al nodo destino en red o teléfono de voz. 

 

 

 

 

Ventajas de la multiplexion de por divison de tiempo. (TDM)

 

1.- Los circuitos necesarios son digitales proporcionando alta contabilidad y eficiencia de operación. Estos circuitos son mas simples que los moduladores y demoduladores requeridos en los sistemas requeridos en los sistema de multiplexion por división de frecuencia.

 

2.- La mutiplexion de muchos canales de datos ha relativamente baja frecuencia se pueden llevar a cabo de manera muy eficiente usando TDM si las entradas tienen ancho de banda comparables.

 

3.- Baja diafonia entre canales de vida a las no linealidades de los amplificadores que manipulan las señales en el transmisor y receptor. Estas no linealidades producen armónicos que afectan a los canales de mayor frecuencia en los sistema FDM.

 

4.- En los sistemas TDM las señales de canales diferentes no se manejan en forma simultanea, pero se les asigna diferentes intervalos de tiempo. O sea que los requisitos de linealidad no se hacen más estrictos si se aumenta él número de canales y los efectos de la distorsión se distribuyen de manera equitativa entre todos ellos. 

 

 
Desventajas del TDM

 

Incluye el hecho de que la precisión del pulso y el desajuste del tiempo son un problema primordial a altas frecuencias, por lo cual los sistemas TDM operen en general a frecuencias de reloj inferiores 100 Mhz. Además, se necesita sincronización entre el transmisor y el receptor

 

Los sistemas MIC, sistema de codificación digital, utilizan la técnica MDT para cubrir la capacidad de los medios de transmisión. La ley de formación de los sucesivos órdenes de multiplexación responde a normalizaciones de carácter internacional, con vista a facilitar las conexiones entre diversos países y la compatibilidad entre equipos procedentes de distintos fabricantes.

 

El UIT/UIT recomienda, como primer escalón de la jerarquía de multiplexación por división en el tiempo, 24 ó 32 (30 + 2) canales telefónicos, sistemas utilizados en Estados Unidos y Japón el primero y en Europa, el segundo.

 

Según la recomendación G-732 del UIT, el sistema MIC primario europeo multiplexa a nivel de muestra 30 canales de voz, además de un canal de alineación y otro de señalización, formando una trama de 256 bits (32 canales, una muestra por canal y 8 bits por muestra) a una frecuencia de 8 Khz (doble ancho de banda que el canal telefónico), de lo que resulta una velocidad de 2.048 kbps.

 

En los equipos múltiplex MIC secundario, terciario, etc., se lleva a cabo una multiplexación en el tiempo (MDT) por entrelazado de impulsos (bit a bit) a diferencia de los equipos MIC primarios.

 

El UIT ha recomendado cuatro jerarquías de multiplexación para equipos MIC. El equipo múltiplex digital que combina las señales de salida de cuatro equipos múltiplex primarios MIC se denomina equipo múltiplex digital de segundo orden. Los equipos múltiplex digitales de tercer orden combinarían las señales de salida de cuatro equipos múltiplex de segundo orden, etc.

 

Así, el segundo nivel de multiplexación acepta cuatro señales digitales a 2.048 kbps para formar una señal a 8.448 kbps. El tercer nivel agrupa cuatro señales de 8.448 kbps en una de 34.368 kbps. El cuarto nivel agrupa cuatro señales de nivel tres en una señal de 13.9264 kbps. Por último, en la misma proporción, el quinto nivel produce una señal de 565 Mbps.

 

 

Multiplexación por división en el tiempo síncrona

 

La multiplexación por división en el tiempo síncrona es posible cuando la razón de datos a seguir (aveces denominada impropiamente ancho de banda) en el medio es mayor que la razón de datos original de las señales a transmitir.

 

Se pueden transmitir varias señales digitales (o señales analógicas que transporten datos digitales) en un único camino de transmisión mezclando en el tiempo distintas porciones de las señales originales. La mezcla se puede realizar bit a bit o en bloques.

 

En la siguiente figura se proporciona un esquema general de un sistema TDM síncrono.

 


 

Se van a multiplexar una serie de señales [mi (t), i=1,..., N] en el mismo medio de transmisión. Las señales transportan datos digitales y son en general señales digitales.

 

Los datos de entrada provenientes de cada fuente se almacenan temporalmente en una memoria temporal (“buffer”).

 

Cada memoria temporal tiene una longitud normalmente de un bit o un carácter. Se realiza un exámen secuencial de las memorias temporales para componer así la cadena de datos digitales mc (t), este exámen será lo suficientemente rápido para que cada memoria temporal se vacíe antes de que lleguen más datos.

 

La señal digital mc (t) se puede transmitir directamente o se puede pasar a través de un modem de tal forma que se transmita una señal analógica, en cualquier caso la transmisión es síncrona.Los datos transmitidos deben tener un formato parecido al que se muestra en la figura anterior en el inciso c. 

 

Los datos se organizan en tramas. Cada trama contiene un ciclo de subdivisiones o ranuras temporales. En cada trama se dedican uno o más subdivisiones a cada una de las fuente. La secuencia de subdivisiones que se dedica a una sola fuente, de trama en trama, se denomina canal. La longitud de las subdivisiones es igual a la longitud de la memoria temporal, típicamente un bit o un carácter.

 

Para fuentes asíncronas se utiliza la técnica de mezcla de caracteres. Cada subdivisión temporal contendrá un carácter de datos. Normalmente, antes  de la transmisión se eliminan los bits de comienzo y parada, los cuales se reinsertan en el receptor, mejorando así la eficiencia.

 

La técnica de mezcla de bits se usa con fuentes síncronas y también se puede usar en asíncronas.

 

La TDM síncrona se denomina así no porque se use transmisión síncrona, sino porque las divisiones temporales se preasignan de antemano a las distintas fuentes. Las subdivisiones temporales asignadas a cada fuente se transmiten tanto si la fuente tiene datos como si no.

 

 

Multiplexación estadística por división en el tiempo

 

En un multiplexor por división en el tiempo síncrono, puede darse el caso de que se pierdan muchas subdivisiones temporales dentro de una trama. Una aplicación típica de la TDM síncrona consiste en enlazar una serie de terminales en un puerto compartido del computador central. Incluso en el caso de que todos los terminales se estén utilizando activamente, para uno dado, en la mayor parte del tiempo no habrá transferencia de datos.

 

Una alternativa a la TDM síncrona es la TDM estadística, también denominada TDM asíncrona o inteligente.

 

El multiplexor estadístico aprovecha la propiedad de cómo se generan los datos asignando bajo demanda y dinámicamente las subdivisiones temporales. Al igual que en TDM asíncrona, el multiplexor estadístico tiene una serie de líneas de E/S por un lado y una línea multiplexada de velocidad mayor en el otro.

 

Cada línea de E/S tiene asociada una memoria temporal. En el caso del multiplexor estadístico, hay n líneas de E/S, pero sólo k, con k < n subdivisiones temporales están disponibles en cada trama TDM.

 

En la entrada, el multiplexor sondea las memorias temporales de entrada, cogiendo de éstas datos hasta que la trama esté completa, enviándola posteriormente. En la salida, el multiplexor recibe la trama distribuyendo las subdivisiones correspondientes a las memorias temporales de salida.

 


En la siguiente figura se comparan los TDM estadísticos y síncronos.

Se consideran cuatro fuentes generadoras de datos, y se muestran los datos generados en cuatro intervalos de tiempo (t0, t1, t2, t3).

 

Para el multiplexor síncrono, se tiene una razón efectiva de datos de salida cuatro veces superior a la razón de datos de cualquiera de los dispositivos conectados.

 

Durante cada intervalo, los datos se colectan de las cuatro fuentes y posteriormente se envían.

 

La estructura de la trama que se utilice en particular en un multiplexor estadístico, tendrá una repercusión en las prestaciones finales del mismo. En otras palabras, para mejorar la utilización es deseable minimizar el número de bits suplementarios. En general, un sistema TDM estadístico utiliza un protocolo síncrono.

 

Una manera de incrementar la eficiencia es permitir que varias fuentes de datos se empaqueten en una única trama. En este caso, se necesitará algún procedimiento para especificar la longitud de datos para cada una de las fuentes. Por tanto, la subtrama TDM estadística consiste en una secuencia de campos de datos, cada uno de ellos etiquetado con una dirección y una longitud.

 

Se pueden todavía utilizar otras técnicas para hacer esta aproximación aún más eficiente. El campo de direcciones se puede reducir utilizando un direccionamiento relativo. Es decir, cada dirección especificará el número de la fuente actual relativa a la anterior, módulo el número total de fuentes.

 

Entonces, por ejemplo, en lugar de utilizar un campo de direcciones de 8 bits, puede ser suficiente uno de 4 bits.

 

 

Prestaciones

 

Ya se ha mencionado que la velocidad de salida en un multiplexor estadístico es menor que la suma de las velocidades de las entradas.  Esto está permitido dado que se supone que la cantidad media de entrada es menor que la capacidad de la línea multiplexada.  El problema de este enfoque es que, aunque la entrada conjunta promedio puede ser menor que la capacidad de la línea multiplexada, puede haber periodos pico en los que la entrada exceda la capacidad.

 

La solución a este problema consiste en incluir una memoria temporal en el multiplexor para almacenar temporalmente el exceso de datos de entrada.  En la Tabla 8.6 se da un ejemplo del comportamiento de este tipo de sistemas.  Se suponen 10 fuentes, cada una de ellas con una capacidad de 1.000 bps, y que la entrada media por fuente es el 50 % del máximo.  Así, en promedio, la carga de entrada es 5.000 bps.  Se consideran dos casos: multiplexores con capacidad de salida de 5.000 bps y de 7.000 bps.  Las entradas en la tabla mencionada muestran el número de bits de entrada procedentes de cada uno de los 10 dispositivos por cada milisegundo y la salida del multiplexor.  Cuando la entrada excede la salida, el exceso se debe almacenar temporalmente.

 

 

Tabla 8.6. Ejemplo de las prestaciones de un multiplexor estadístico.

 

 

Capacidad = 5.000 bps

Capacidad = 7.000 bps

Entrada

Salida

Exceso

Salida

Exceso

6

5

1

6

0

9

5

5

7

2

3

5

5

5

0

7

5

5

7

0

2

5

2

2

0

2

4

0

2

0

2

2

0

2

0

3

3

0

3

0

4

4

0

4

0

6

5

1

6

0

1

2

0

1

0

10

5

5

7

3

7

5

7

7

3

5

5

7

7

1

8

5

10

7

2

3

5

8

5

0

6

5

9

6

0

2

5

6

2

0

9

5

10

7

2

5

5

10

7

0

 

Existe un compromiso entre el tamaño de la memoria temporal usada y la velocidad de la línea.  Sería deseable usar tanto la memoria como la velocidad menores posibles, pero una reducción en uno de estos parámetros requiere el incremento del otro.  El deseo de reducir el tamaño de la memoria temporal se debe al hecho de que a más cantidad de memoria mayor es el retardo.  Por tanto, el compromiso real está entre el tiempo de respuesta del sistema, y la velocidad de la línea multiplexada. 

 

Algunas medidas aproximadas para evaluar este compromiso. 

 

Definamos los siguientes parámetros para un multiplexor por división en el tiempo estadístico:

 

I = número de fuentes de entrada

 

R = velocidad de cada fuente, en bps

 

M = capacidad efectiva de la línea multiplexada, en bps

 

µ = fracción media de tiempo que transmite cada fuente., 0 < a < 1

 

K = M / IR = razón. entre la capacidad de la línea multiplexada y la entrada máxima total.

 

Se pueden obtener algunos resultados considerando al multiplexor como una cola atendida por un solo servidor.  Se alcanza una situación de cola cuando un servicio recibe un «cliente» y, al encontrarlo ocupado, tiene que esperar.  El retardo sufrido por el cliente de un servicio es el tiempo de espera en la cola más el tiempo de servicio.  El retardo depende del patrón de tráfico de llegada y de las características del servidor. Este modelo se puede relacionar fácilmente con el multiplexor estadístico:

l = µIR

 

Ts = 1 / M

 

r = lTs = µIR / M = µ / K = l / M

 

Colas de un único servidor con tiempos de servicio constantes y distribución de llegadas de tipo poisson (aleatorias):

 

 

Parámetros

 

l = número medio de llegadas por segundo

 

Ts = tiempo de servicio para cada llegada

 

r = utilización; fracción de tiempo que está ocupado el servidor

 

N = número medio de «clientes» en el sistema (en espera y siendo servidos)

 

Tr = tiempo de estancia; tiempo medio que un «cliente» pasa en el sistema (en espera y siendo servido)

 

sr = desviación estándar de Tr

 

Fórmulas

r = lTs

 

N =     r²    + r

2(1-r)

 

Tr = Ts(2-r)

       2(1-r)

 

sr =    1  (r - 3r²/2 + 5r³/6 - r^4/12)^½

                                              1-r

 

 

 

 

 

Figura 8.16. Tamaño de la memoria temporal y retardo para un multiplexor estadístico.

La Figura 8.16 puede aclarar conceptualmente el compromiso entre el tiempo de respuesta del sistema y la velocidad de la línea multiplexada.  En la parte (a) el número medio de tramas que se deben almacenar temporalmente en función de la utilización media de la línea multiplexada. En la parte (b) el retardo medio experimentado por una trama en función de la utilización y de la velocidad de datos.  Se observa que a medida que crece la utilización lo hacen también los requisitos de almacenamiento temporal y el retardo. Resulta claramente no deseable una utilización por encima del 80 %.

 

Obsérvese que el tamaño promedio para la memoria temporal sólo depende de r, y no directamente de M.  Por ejemplo, considérense los dos siguientes casos:

 

 

 

Codificación variable. Multiplexación

 

La clase Multiplexor se encarga de la codificación variable. En la clase Diferencia se declara como una clase amiga:




\fbox{
\begin{minipage}{12.0cm}
{
class Diferencia \{\newline\newline
\h...
...
\hspace*{2cm} (\ldots)\newline\newline
\};\newline
}
\end{minipage}
}

En la recomendación se incluyen todos los códigos de longitud variable correspondientes a la información a enviar. Estos códigos se almacenan en tablas incluidas en la unidad multiplexor.cpp, excepto los correspondientes a los códigos de los coeficientes transformados, que por ser especialmente larga se almacena en el disco, el el fichero coeft.dat. Estas tablas están compuestas por elementos de la forma

 
struct DATO {
   unsigned long int dato;
   unsigned char n_bits;
};

 

 

 

Es decir, cada dato almacena un valor, y el número de bits con el que se codifica. Así, por ejemplo, al código 011 le correspondería un valor de {3,3}, y al 10100 un valor {20,5}. De esta forma, a la hora de introducir la información en el buffer de transmisión, el multiplexor simplemente tiene que buscar en las tablas el dato correspondiente a la información a enviar. En el múltiplex se introduce también información del macrobloque, bloque y grupo de bloques enviado. Por ejemplo, dentro de un macrobloque, se genera un número con la siguiente ecuación4.12:

\begin{displaymath}
n=32P_{1}+16P_{2}+8P_{3}+4P_{4}+2P_{5}+P_{6}
\end{displaymath}



donde $P_{i}=1$si hay coeficientes para el bloque correspondiente según la numeración de la figura 1.6, y 0 en otro caso. Es decir, $n=63$se correspondería con que exista información en todos los bloques, y $n=60$se corresponde un macrobloque con información de lumiancia en sus cuatro bloques, pero sin información de crominancia. Pues bien, el código correspondiente a $n=60$es $111$4.13, y se accederá a esta información a través de la posición 60 de la tabla EBC, que es un vector de estructuras dato. Es decir,

 
   EBC[ 60 ].dato = 7;
   EBC[ 60 ].n_bits = 3;

De esta forma resolvemos de una manera simple el problema de enviar al búffer de transmisión un código variable, puesto que podemos buscar fácilmente tanto el dato a enviar como el número de bits que le corresponden. En el siguiente capítulo explicamos cómo funciona el búffer de transmisión, y cómo se emplea la información almacenada en estas tablas a la hora de enviar los datos.