Técnicas de Transmisión y Modulación

 

 Transmisión modulada

 

La transmisión modulada permite que sean transmitidas varias señales por un mismo medio dividiéndolo en varios canales. Puesto que en ocasiones es mejor llevarla por medio de una señal portadora que se adapte mejor al medio de comunicación.

Por modulación se entiende la alteración sistemática de una onda portadora de acuerdo con el mensaje (señal modulada) y puede ser también una codificación.

                                                      

Se puede determinar bajo el siguiente diagrama:

 

 

 

 

 

X(t) señal moduladora:

contiene la información (datos) (Símbolos “0” y “1”)

 

P(t) señal portadora:

adecuada para ser propagada (A cos (2  f t + Fase)

 

S(t) señal modulada:

señal que se propaga portadora modificada con la moduladora

 

 

 

 

Modulación de Frecuencia (FSK, Frequency Shift Keying): se utiliza en los módems de baja velocidad. Se emplea separando el ancho de banda total en dos bandas, los módems pueden transmitir y recibir datos por el mismo canal simultáneamente. El módem que llama se pone en el modo de llamada y el módem que responde pasa al modo de respuesta gracias a un conmutador que hay en cada módem.

 

Modulación de Amplitud (ASK, Amplitud Shift Keying): no se utiliza en solitario en comunicaciones de datos porque es muy sensible a interferencias de ruido eléctrico que pueden provocar errores en los datos recibidos.

 

Modulación de Fase (PSK, Phase Shift Keying )): se codifican los valores binarios como cambios de fase de la señal portadora.

 

Modulación Diferencial de Fase (DPSK, Diferential Phase Shift Keying): consiste en una variación de PSK donde se toma el ángulo de fase del intervalo anterior como referencia para medir la fase de cualquier intervalo de señal.

 

Modulación de Amplitud de Cuadratura (QAM, Quadrature Amplitude Modulation): se emplea en los módems más rápidos. Consiste en una combinación de PSK y ASK, es decir, se van a combinar las variaciones de amplitud en referencia al momento de fase en que ocurren con lo cual vamos a poder incluir más bits en los mismos hertz.

 

Algunas de las ventajas de modular los datos son las siguientes:

 

·        Facilita la propagación de la señal de información por cable o por el aire.

·        Ordena el radioespectro, distribuyendo canales a cada información distinta.

·        Disminuye dimensiones de antenas.

·        Optimiza el ancho de banda de cada canal

·        Evita interferencia entre canales.

·        Protege a la información de las degradaciones por ruido.

·        Define la calidad de la información trasmitida.

 

 

Conceptos por los cuales es necesaria la modulación:

 

Para facilidad de radiación: Una radiación eficiente de energía electromagnética requiere de elementos radiadores (antenas) cuyas dimensiones físicas serán por lo menos de 1/10 de su longitud. de onda. Pero muchas señales, especialmente de audio, tienen componentes de frecuencia del orden de los 100 Hz o menores, para lo cual necesitarían antenas de unos 300 Km. de longitud si se radiaran directamente. Utilizando la propiedad de traslación de frecuencias de la modulación, estas señales se pueden sobreponer sobre una portadora de alta frecuencia, con lo que se logra una reducción sustancial del tamaño de la antena. Por ejemplo, en la banda de radio de FM, donde las portadoras están en el intervalo de 88 a 108 MHz, las antenas no deben ser mayores de un metro.

 

            Para reducir el ruido y la interferencia: Se ha dicho que es imposible eliminar totalmente el ruido del sistema. Y aunque es posible eliminar la interferencia, puede no ser práctico. Por fortuna, ciertos tipos de modulación tiene la útil propiedad de suprimir tanto el ruido como la interferencia. La supresión, sin embargo, ocurre a un cierto precio; generalmente requiere de un ancho de banda de transmisión mucho mayor que el de la señal original; de ahí la designación del ruido de banda ancha. Este convenio de ancho de banda para la reducción del ruido es uno de los intereses y a veces desventajosos aspectos del diseño de un sistema de comunicación.

 

Por asignación de frecuencia: El propietario de un aparato de radio o televisión puede seleccionar una de varias estaciones, aún cuando todas las estaciones estén transmitiendo material de un programa similar en el mismo medio de transmisión. Es posible seleccionar y separar cualquiera de las estaciones, dado que cada una tiene asignada una frecuencia portadora diferente. Si no fuera por la modulación, solo operaría una estación en un área dada. Dos o más estaciones que transmitan directamente en el mismo medio, sin modulación, producirán una mezcla inútil de señales interferentes.

Modo en que se realiza la modulación 

Frecuentemente se utilizan dispositivos electrónicos SEMICONDUCTORES con características no lineales (diodos, transistores, bulbos), resistencias, inductancias, capacitores y combinaciones entre ellos. Estos realizan procesos eléctricos cuyo funcionamiento es descrito de su representación matemática.

s(t) = A sen (ft +  )

donde: A es la amplitud de la portadora (volts)

f es la frecuencia angular de la portadora (rad/seg)

  ángulo de fase de la portadora (rad)

 

        Los efectos que sufre una señal al propagarse son los siguientes:

 

·        Atenuación

·        Desvanecimiento

·        Ruido Blanco aditivo

·        Interferencia externa

·        Ruido de fase

·        Reflexión de señales

·        Refracción

·        Difracción

·        Dispersión.

 

 

Transmisión en banda base

 

La técnica de transmisión es la forma en que los datos se transportan a través del medio físico.

 

La forma más sencilla y simple de transmisión de datos digitales es la de enviarlos directamente a través de una línea de transmisión. Esta modalidad se denomina transmisión en banda base. Su inconveniente es la fuerte degradación que experimenta la señal con la distancia, por lo que sólo se utiliza en distancias cortas.

 

Las redes que transmiten en banda base utilizan tecnología digital, donde se hace uso de todo el ancho de banda que posee el canal para transmitir los datos digitales que proporcionan las estaciones. Debido a que los usuarios comparten el mismo canal físico para transmitir, es necesario que la transmisión se efectúe a muy alta velocidad con el fin de que la duración de las transmisiones sea pequeña. Esta es la técnica habitual en las redes de área local, siendo sus principales ventajas la sencillez del diseño, y el bajo costo frente a las redes de banda ancha. Por otra parte, su principal inconveniente  es la limitación en distancia debido al deterioro o distorsión que sufren las señales. En cualquier caso, en la actualidad las técnicas de las redes de área local permiten alcanzar distancias de varias decenas de kilómetros.

 

Características de la Transmisión Banda Base

ü      Señal digital en línea

ü      No hay modulación ni demodulación

ü      Todo el ancho de banda utilizado por la señal

ü      Transmisión bidireccional en topologías en bus

ü      Limitado a pocos km por la atenuación, distorsión y ruido

ü      La ampliación de la Red requiere el uso de repetidores

ü      Módem banda base

 

Las señales de banda base producidas por diferentes fuentes de información no son siempre adecuadas para la transmisión directa a través de un a canal dado. Estas señales son en ocasiones fuertemente modificadas para facilitar su transmisión.

 

Banda base es la característica de cualquier tecnología de red, como Ethernet que utiliza una solo frecuencia portadora y requiere que todas las estaciones estén conectadas a la red para participar en todas las transmisiones .

 

Cable coaxial de banda base

 

Cuando empleamos una red LAN con cable coaxial en banda base, estamos empleando una señal digital a través de una secuencia de pulsos, generalmente, en codificación Manchester o Manchester diferencial. Las señales que propagamos ocupan todo el espectro a través del cual es posible transmitir el cable coaxial; por tanto, no es posible realizar multiplexión en frecuencias (FDM).

 

 

 

 

 

 

 

 

En general, las redes locales que emplean este medio de transmisión usan un cable de impedancia característica de 50 ohmios (a diferencia de la CATV: community antena televisión, que emplea un cable de 75 ohmios).

 

El cable coaxial esta constituido de un alambre de cobre duro en su parte central, es decir, que constituye el núcleo, el cual rodeado por un material aislante o dieléctrico, comúnmente de plástico ( espuma de polietileno o teflón ). Este material aislante esta rodeado por un conductor cilíndrico que frecuentemente se presenta como una malla de tejido trenzado. El conductor esta cubierto por una capa de plástico protector que puede ser de caucho, teflón o aluminio. La construcción del cable produce una buena combinación de un gran ancho de banda y una excelente inmunidad al ruido, lo cual permite transmitir señales de datos sobre largas distancias sin experimentar pérdidas significativas en la calidad de la señal. El ancho de banda que se puede obtener en un cable coaxial de banda base depende la longitud del cable; para cable de 1 Km por ejemplo, es factible obtener velocidades de transmisión de información digital de hasta 10 Mbps, y en cables de longitudes menores, es posible obtener velocidades superiores. Los más utilizados son el cable de 50 ohms, que se utiliza en la transmisión digital en tanto que el otro tipo, el cable de 75 ohms, se emplea en la transmisión analógica .

 

Existe dos formas de conectar ordenadores a un cable coaxial:

ü      La primera consiste en cortar con mucho cuidado el cable en dos partes e insertar una unión en T, que es un conector que reconecta el cable pero, al mismo tiempo provee una tercera conexión hacia el ordenador.

ü      La segunda forma de conexión se obtiene utilizando un conector tipo vampiro, que es un orificio, con un diámetro y profundidad muy preciso, que se perfora en el cable y que termina en el núcleo del mismo. En este orificio se atornilla un conector especial que lleva a cabo la misma función de la unión en T, pero sin la necesidad de cortar el cable en dos.

 

Existen muchas discusión sobre las ventajas y desventajas de estas dos técnicas de conexión. El hecho de incluir una unión T implica realizar un corte del cable, lo cual significa desconectar la red por algunos minutos. Para una red de gran producción en la que constantemente se conectan nuevos usuarios, el hecho de parar el funcionamiento de la red, aún por unos cuantos minutos, puede ser un acto indeseable. Además cuanto más conectores haya en el cable existe una probabilidad de que algunos de ellos tengan una mala conexión y se produzcan problemas ocasionalmente.

 

Los conectores tipo vampiro no presentan este tipo de problemas, pero deben ser instalados con mucho cuidado. Si el orificio se hace demasiado , puede llegar a romper el núcleo y producir dos partes sin conexión alguna. Si la profundidad del orificio no es suficiente, se puede obtener errores intermitentes en la conexión.

 

Los cables que se utilizan con la conexión tipo vampiro son más gruesos y de mayor precio que los utilizados con la unión en T.

 

Algunas veces se utilizan señales binarias en cables coaxiales de forma directa ( por ejemplo un voltio para un bit de valor 1 y 0 voltios para un bit de valor 0 ), este método no ofrece al respecto un medio para determinar el momento en el que cada bit empieza y termina, por esta razón se prefiere utilizar una técnica denominada codificación Manchester, o una técnica relacionada llamada Codificación Diferencial Manchester .

 

Con la codificación Manchester se divide en dos intervalos iguales. Un bit binario con valor 1 se envía con un voltaje alto durante el primer intervalo y voltaje bajo durante el segundo. En este esquema se asegura que todos los de bits tengan una transición en la parte media, propiciando así un excelente sincronismo entre el receptor y el transmisor. Una desventaja de esta codificación es que requiere el doble de ancho de banda del necesario para una codificación binaria directa.

 

La codificación Diferencial Manchester en una variación de la codificación Maschester básica, en donde un bit con valor 1 se indica por la ausencia transición al inicio del intervalo y un bit con valor 0 se indica por la presencia de una transición al inicio del intervalo.

Transmisión digital en banda base

Un sistema de transmisión digital en banda base se puede modelar como sigue:

 

 

 

                                                                        Ruido

Describa el procedimiento de diseño de los filtros de Transmisión (TX) y de Recepción (RX), con los pasos que corresponden e indicando los criterios, más que las fórmulas.

En la señalización digital se usa un voltaje positivo para indicar un uno binario y la ausencia de voltaje para indicar un cero. Si se tienen dos unos seguidos o dos ceros seguidos, el voltaje permanece donde mismo. Este método se conoce como unipolar sin regreso a cero ( unipolar non-return to zero , NRZ).

           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Señalización Unipolar sin regreso a cero y codificación Manchester. En la codificación Manchester ocurre una transición a la mitad de cada bit para sincronización y se mantiene un mismo nivel de voltaje positivo o negativo.

Este método es fácil de implementar, pero su uso para transmisión tiene algunas desventajas. Una de las más notables es determinar donde comienza y donde termina un bit. Para resolverlo se requiere de una sincronización entre el receptor y el transmisor, lo cual puede ser relativamente costoso.

Para resolver este problema, las redes baseband utilizan codificación Manchester o Manchester Diferencial. En la codificación Manchester a diferencia del médoto anterior, se utiliza la misma cantidad de voltaje para representar un uno o un cero. A la mitad de la trasmisión de un bit siempre ocurre una transición de voltaje. Para representar un uno, la transición es hacia arriba: se pasa de voltaje cero a voltaje positivo. Para representar un cero la transición es hacia abajo: se pasa de un voltaje positivo a un voltaje cero. Debido a que la transición siempre aparece a la mitad de un bit, es fácil recuperar o conocer la frecuencia a la que se está transmitiendo.

En la codificación Manchester Diferencial, al igual que en Manchester, siempre existe una transición a la mitad del bit, sólo que en este método un cero o un uno se representa por la presencia o ausencia de una transición al principio de cada periodo. La transición a la mitad de un bit se presenta para sincronizar al transmisor y al receptor.

Ethernet provee a los usuarios no solo con diferentes topologías, sino tambien con diferentes métodos de señalización. Aunque la mayoría de las redes Ethernet usan baseband también existe una red Ethernet que utiliza la señalización broadband.

 

Tipos de transmisiones

ü      Transmisión analógica

Han dominado siempre el campo de las comunicaciones. En concreto el sistema telefónico está totalmente basado en transmisión analógica. Van entrando las digitales, pero pasará tiempo antes de que las analógicas desaparezcan.

En un sistema analógico de transmisión tenemos a la salida de este una cantidad que varia continuamente.

En la transmisión analógica, la señal que transporta la información es continua, en la señal digital es discreta. La forma más sencilla de transmisión digital es la binaria, en la cual a cada elemento de información se le asigna uno de dos posibles estados.

Para identificar una gran cantidad de información se codifica un número específico de bits, el cual se conoce como caracter. Esta codificación se usa para la información e escrita.

La mayor de las computadoras en servicio hoy en día utilizan u operan con el sistema binario por lo cual viene más la transmisión binaria, ya sea de terminal a computadora o de computadora a computadora.

ü      Transmisión digital

Superior a la analógica en varios puntos, pero todavía no puede imponerse dada la gran inversión histórica en transmisiones analógicas.

Uno de los aspectos en que la transmisión digital es claramente superior es en cuanto a la atenuación de la línea y la utilización de amplificadores. Cuando trabajamos con transmisión analógica la señal va codificada según, por ejemplo, el voltaje de la señal, pero de forma continua. De este modo por muy exacto que sea el amplificador nunca podrá recomponer la señal de una forma totalmente correcta. Sin embargo la transmisión digital se basa en rangos de valores que codifican 0 ó 1, lo que si se puede recomponer de una forma exacta.

Por otra parte, las posibilidades de multiplexación que ofrece la transmisión digital hace que la velocidad aumente de forma espectacular con respecto a la transmisión analógica, en la que esto no es posible. La multiplexación se puede hacer, en transmisión digital, en todo tipo de datos (voz e imágenes incluidas).

Además es previsible, según va la evolución de los precios, que la transmisión digital llegue a ser mucho más barata que la analógica.

            En la transmisión digital existen dos notables ventajas lo cual hace que tenga gran aceptación cuando se compara con la analógica. Estas son:

1.      El ruido no se acumula en los repetidores.

2. El formato digital se adapta por si mismo de manera ideal a la tecnología de estado sólido, particularmente en los circuitos integrados.

La mayor parte de la información que se transmite en una red portadora es de naturaleza analógica, como `por ejemplo la voz y el video.

Al convertir estas señales al formato digital se pueden aprovechar las dos características anteriormente citadas.

Para transmitir información digital(binaria 0 ó 1) por la red telefónica, la señal digital se convierte a una señal analógica compatible con la el equipo de la red y esta función se realiza en el Módem.

Para hacer lo inverso o sea con la señal analógica, se usan dos métodos diferentes de modulación:

Ventajas de la transmisión digital.

1. La ventaja principal de la transmisión digital es la inmunidad al ruido. Las señales analógicas son más susceptibles que los pulsos digitales a la amplitud no deseada, frecuencia y variaciones de fases.
2. Se prefieren a los pulsos digitales por su mejor procesamiento y multicanalizaciones que las señales analógicas. Los pulsos digitales pueden guardarse fácilmente, mientras que las señales analógicas no pueden.
3. Los sistemas digitales utilizan la regeneración de señales, en vez de la amplificación de señales, por lo tanto producen un sistema más resistente al ruido que su contraparte analógica.
4. Las señales digitales son más sencillas de medir y evaluar.
5. Los sistemas digitales están mejores equipados para evaluar un rendimiento de error (por ejemplo, detección y corrección de errores), que los sistemas analógicos.

Modulación de pulsos

La modulación de pulsos incluye muchos métodos diferentes para convertir información a forma de pulso para transferirlos de una fuente a un destino. Los cuatro métodos predominantes se describen a continuación:

1. PWM . Este método a veces se llama modulación de duración del pulso (PDM) o modulación de longitud del pulso (PLM). El ancho del pulso (porción activa del ciclo de trabajo) es proporcionar a la amplitud de la señal analógica.
2. PPM . La posición de un pulso de ancho constante, dentro de una ranura de tiempo prescrita, varia de acuerdo a la amplitud de la señal analógica.
3. PAM . La amplitud de un pulso de longitud constante y de ancho constante varia de acuerdo a la amplitud de la señal analógica.
4. PCM . La señal analógica se prueba y se convierte a una longitud fija, numero binario serial para transmisión. El numero binario varia de acuerdo a la amplitud de la señal analógica.

 

Técnicas de Multiplexación

 

 

Multiplexación por división de frecuencia

 

 

Características

 

El uso de multiplexación por división en frecuencia 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; esto si, las portadoras han de estar suficientemente separadas para que los distintos anchos de banda no se solapen.

 

En las siguiente figura se muestra un caso general de multiplexación por división en frecuencia.

 

 

 

*****  Figura 7.2 a  *****

 

 

 

En este caso 6 señales entran al multiplexor, que las modula de distintas frecuencias ( f₁ ... f₆ ). Cada señal modulada necesita cierto ancho de banda, que se denomina canal y que esta centrado en torno a la correspondiente frecuencia portadora. Para evitar interferencias los canales se separan por una banda de seguridad, que no son sino bandas de espectro que se dejan sin utilizar.

 

La señal compuesta que se transmite a través del medio es analógica. Se puede observar 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. En cualquier caso cada señal analógica de entrada se debe modular para con ello desplazarlas a la banda de frecuencias apropiada.

 

Un ejemplo típico de multiplexación por división en frecuencia es la emisión de televisión convencional y por cable.

 

*******    Figura 7.3 a y b *****

 

 

En la siguiente figura se muestra un esquema general de un sistema multiplexación por división en frecuencia, donde se multiplezan una serie de señales analógicas o digitales [ m_i (t), i = 1, N] sobre el mismo medio de transmisión.

 

********       Figura 7.4   *****

 

 

 

Cada una de las señales m_i (t) se modula sobre una portadora diferente, f_sci, denominada subportadora. Se puede usar cualquier tipo de modulación. Las señales analógicas resultantes se suman dando lugar a la señal compuesta m_c(t). La figura 7.4b muestra el resultado. El espectro de la señal original se desplaza para centrarse en torno al f_sci. Para que este esquema funcione correctamente,  f_sci  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.

 

La señal compuesta todavía se puede desplazar en su conjunto sobre otra frecuencia portadora utilizando otra modulación adicional, además, las dos modulaciones no tienen por qué utilizar necesariamente el mismo esquema.

 

La señal compuesta tiene un ancho de banda total B, donde B>S B_sci. Esta señal analógica podrá transmitir sobre el medio adecuado. En el receptor la señal compuesta se pasa a través de N filtros pasa banda, cada uno de ellos centrado en torno a f_sci con un ancho de banda B_sci, para 1< i < N. De esta manera la señal de nuevo se divide en sus componentes originales. Cada componente se demodula para recuperar la señal original.

 

Podemos considerar un ejemplo sencillo consistente en la transmisión simultánea de tres señales de voz sobre un medio. Para el ancho de banda de una señal de voz se consideran generalmente 4 kHz, siendo el espectro efectivo la banda que va desde los 300 hasta 3400 Hz.

 

********     Figura 7.5 a

 

 

Si cada señal de estas se utiliza para modular en amplitudes una portadora, se obtendrá el espectro que se muestra en la siguiente figura.

 

 

*******          Figura 7.5 b

 

 

La señal modulada tiene un ancho de banda de 8 kHz, en la banda desde los 60 hasta los 68 kHz. Para hacer un uso efectivo del ancho de banda, se elige para la transmisión solamente de la banda lateral inferior.

 

Si se usan tres señales de voz para modular tres portadoras a frecuencia de 64, 68 y 72 kHz, y si se consideran solo las bandas inferiores de cada una de ellas se obtendrá el espectro que se muestra en la figura siguiente.

 

*********   Figura 7.5 c

 

 

Esta figura pone en manifiesto dos problemas que el esquema  multiplexación por división en frecuencia debe abordad que son:

 

El primero es la diafonía, que puede darse si los espectros de los componentes adyacentes de la señal se solapan lo suficiente.

Y otro problema potencial es el ruido de intermodulación.

 

 

 

 

 

Sistema con portadora analógica.

 

El sistema de larga distancia proporcionado en los Estados unidos así como en el resto del mundo, se ha diseñado para transmitir señales de bandas de voz sobre enlaces de transmisión de alta capacidad, tales como cable coaxial y sistemas de microondas. La técnica que se usó principalmente, y que todavía es la más utilizada en enlaces de alta capacidad es la de multiplexación por división en frecuencia.

 

En los Estados Unidos AT&T diseño unos esquemas con multiplexación por división en frecuencia jerárquica para adecuarse a distintos sistemas de transmisión de capacidades distintas. Un sistema similar pero desafortunadamente distinto, se ha adoptado internacionalmente bajo los auspicios de la UIT-T, podemos observarlo en la tabla siguiente.

 

*****    Tabla 7.2 *****

 

 

 

 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

 

Multiplexión por división de tiempo

 

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

 

 

 

Multiplexación por división en el tiempo estadística

 

 

Características

 

En un multiplexor por división en el tiempo síncrono es usual que se desaprovechen muchas de las ranuras temporales dentro de una trama.  Una aplicación típica de la TDM síncrona es la conexión de varios terminales a un puerto compartido de computador. Incluso en el caso de que todos los terminales se estén utilizando activamente, la mayor parte del tiempo no existe transferencia de datos en ningún terminal.

 

Una alternativa a la técnica TDM síncrona es TDM estadística.  El multiplexor estadístico explota esta propiedad usual en la transmisión de datos mediante la reserva dinámica bajo demanda de las ranuras o divisiones temporales.  Al igual que en TDM síncrona, el multiplexor estadístico tiene varias líneas de entrada/salida por un lado y una línea multiplexada de velocidad superior por otro.  Cada línea de entrada/salida tiene asociada una memoria temporal.  En el caso del multiplexor estadístico hay n líneas de entrada/salida, pero sólo k, con k<n, ranuras temporales disponibles en cada trama TDM.  La función de entrada del multiplexor consiste en sondear las memorias de almacenamiento de entrada aceptando datos hasta que se complete una trama, enviándola posteriormente.  A la salida, el multiplexor recibe la trama y distribuye las ranuras temporales de datos a las memorias temporales de salida correspondientes.

 

Dado que a técnica TDM estadística presenta la ventaja de que los dispositivos conectados no transmiten durante todo el tiempo, la velocidad de la línea multiplexada es menor que la suma de las velocidades de los dispositivos conectados.  Así, un multiplexor estadístico puede usar una velocidad inferior para dar servicio a un número de dispositivos igual al soportado por un multiplexor síncrono. 0 dicho de otra forma, si un multiplexor estadístico y uno síncrono usan un enlace a la misma velocidad, el multiplexor estadístico puede dar servicio a más dispositivos.

 

En la Figura 8.14 se comparan las técnicas TDM síncrona y estadística.  En el caso del multiplexor síncrono: en el primer intervalo las fuentes C y D no producen datos, de modo que dos de las cuatro ranuras temporales transmitidas por el multiplexor se encuentran vacías.

 

 

 

 

Figura 8.14. Comparación de las técnicas TDM síncrona y estadística

 

 

Por el contrario, el multiplexor estadístico no envía ranuras temporales vacías mientras haya datos que enviar.  Así, durante el primer intervalo sólo se envían la ranuras de A y B. Ahora bien, con este esquema se pierde el significado posicional de las ranuras.  Es decir, no se sabe a prior¡ qué fuente de datos utilizará cada ranura, se precisa información de direccionamiento para asegurar que el envío se realiza de forma apropiada.  Por tanto, en el caso de la técnica TDM estadística existe más información suplementaria por ranura ya que cada una de ellas transporta una dirección además de los datos propiamente dichos.

 

 

Un sistema TDM estadístico usa un protocolo síncrono tal como HDLC.  Dentro de una trama HDLC, la trama de datos debe contener bits de control para el proceso de multiplexación.  En la Figura 8.15 se muestran dos formatos posibles.  En el primer caso sólo se incluye una fuente de datos por trama.  Esta fuente se identifica mediante una dirección.  La longitud del campo de datos es variable, marcándose su final por el final de toda la trama.  Este esquema puede funcionar adecuadamente para baja carga pero resulta bastante ineficiente en condiciones de alta carga.

 

 

Una forma de mejorar la eficiencia consiste en permitir que se empaqueten varias fuentes de datos en una misma trama.  En este caso es necesario, algún procedimiento para especificar la longitud de los datos de cada una de las fuentes.  De este modo, la subtrama TDM estadística consta de una secuencia de campos de datos, cada uno de ellos etiquetado con una dirección y una longitud. 

 

 

Figura 8.15. Formatos de trama en TDM estadística

 

 

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

 

Tabla 8.7. Colas de un único servidor con tiempos de servicio constantes y distribución de llegadas de tipo poisson (aleatorias).

 

 

 

 

 

 

 

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:

 

Caso I	Caso II
I = 10 R = 100 bps µ = 0,4 M = 500 bps	I = 100 R = 100 bps µ = 0,4 M = 5.000 bps

 

En ambos el valor de r es 0,8 y el tamaño medio de la memoria temporal es N = 2,4.  Así, proporcionalmente, para multiplexores que gestionan un número elevado de fuentes se requiere una menor cantidad de memoria por fuente.

 

Es claro que existirá un límite máximo para el tamaño de memoria temporal disponible.  La variación del tamaño de la cola aumenta con la utilización.  Así, a mayor nivel de utilización mayor será la memoria necesaria para gestionar el exceso.  Incluso así, existe posibilidad de que la memoria temporal se desborde.