Señales en Banda Base Carmen Moliner Dpto. de Telemática ISPJAE 9

Sistema de Transmisión de Datos C a n l Codif. de fuente Codif. de canal cifrado transmisor fuente Hasta el momento trabajamos con secuencias binarias y ahora comenzaremos a ver las representaciones de esas secuencias en señales eléctricas. Particularmente trabajaremos en el caso en que las señales no son sometidas a procesos de modulación, y decimos que trabajamos con señales en banda base. Estas funciones son realizadas por los bloques de transmisión y recepción. Decodif. de fuente Decodif de canal descifrado receptor destino

Modos de transmisión Modulado En Banda Base (Sin modulación) largas distancias medio agresivo por ruido e interferencia adecuarse al medio de transmisión. Etc.. En Banda Base (Sin modulación)

Transmisión de señales digitales en Banda Base Transmisiones a cortas distancias. Sin alta agresión de ruido e interferencia que reclame modulación. Disponiendo un canal de banda base. Que disponga de canal de banda base significa que el canal es capaz de transmitir el rango de frecuencias que genera la señal con distorsiones tolerables. Por ejemplo un sistema de transmisión por radio NO dispone de un canal de banda base, porque la señal tiene que ser trasladada en frecuencia para que pueda ubicarse su espectro en el rango de frecuencias que admite la transmisión según las frecuencias asignadas para la comunicación.

Formatos de Transmisión Formato asincrónico : Empleo de pulsos de arranque y parada. Formato sincrónico : Para la recepción es preciso recuperar señal de reloj a partir de la propia señal de información. La recuperación de reloj se realiza a través de: Filtrado de frecuencia de la Sx de datos ante contenidos de líneas espectrales de frecuencia 1/T. Procesamiento a partir de detectar transiciones en la señal de datos . Esto es un recordatorio y resulta de gran importancia para los formatos de transmisión sincrónicas la recuperación del reloj de transmisión, con vista a hacer una adecuada recepción de la señal, y esa recuperación de reloj se hace a partir de las regularidades de la señal de información que se recibe, de ahí que la representación de la señal para este formato debe tener en cuenta la posibilidad de recuperar el reloj según veremos. Lo más común es detectar o recuperar el reloj a partir de la detección de transiciones en la señal de información.

Detección de transiciones para recuperación de reloj 1 2 3 1 • • b 3 detector de transiciones a • 2 Ejemplo que demuestra lo sencillo que resulta detectar transiciones. Las compuertas son XOR o OR exclusivos que realizan la función de suma modulo 2, su salida es 1 cuando las entradas son diferentes y es cero si las entradas son iguales. La compuerta a tiene como carga un condensador que se carga no de forma instantánea, haciendo que la condición del punto 1 Prezca con una pequeña demora en el punto 2. La compuerta b tiene a sus entradas la señal 1 y una versión demorada de la propia señal 1, luego cuando existan transiciones en 1, habrán instantes de tiempo en que 1 y 2 son diferentes y por lo tanto la salida 3 indicará un “1” lógico, lo que será una indicación de la ocurrencia de una transición en la señal de entrada. Conclusion: Es sencillo la detección de transiciones en una señal!! Esto será uno de los juicios que se usarán para determinar aquellos esquemas que son útiles para laas transmisiones en formato sincrónco en un esquema de banda base. Señal debe tener transiciones frecuentes

Algunos esquemas de Banda Base + NRZU 1 0 1 1 0 0 0 T NRZP + - + - RZP + - AMI Algunas formas diferentes de representar una secuencia binaria mediante señales de banda base + - Manchester Multinivel 10 11 01 00

Algunos esquemas de Banda Base NRZU: No retorno a cero unipolar (La señal va de 0 a A) NRZP: No retorno a cero polar (La señal va de +A/2 a -A/2) RZP: Retorno a cero polar (La señal va de +A/2 a -A/2 pero regresa a cero dentro del intervalo). AMI: Inversión de Marca alternados. Manchester o Bifásico.*

Elementos para la selección del esquema 1.- Componente de directa: Eliminar CD permite acoplamiento con transformadores y mejor uso de la potencia. 2.- Recuperación de reloj: Presencia de transiciones frecuentes. 3.- Detección de errores: Permite supervisión del enlace. 4.- Ancho de Banda: Bits/ Hz 5.- Inmunidad frente al ruido: Comportamiento de Pe vs (S/N). 6.- Sensibilidad a la polaridad de la señal.* Usar señales con CD (componente de directa) implica que se está empleando una potencia que no aporta información y por lo tanto no contribuye a la recepción. Cuando se habla de la detección de errores no es con el objetivo de corregirlos sino con el objetivo de tener una posibilidad de indicar con una alarma la salida de servicio o la operación degradada del enlace, por eso decimos que si el esquema permite detectar errores permitirá la supervisión del enlace. Ancho de banda, se refiere a la eficiencia con que use el ancho de banda disponible, en la medida que por un mismo ancho de banda permita mayor velocidad de información, mayor será la eficiencia, esto está en general relacionado con el ancho mínimo de los pulsos que se transmiten, a medida que estos anchos son menores, mayor ancho de banda requiere y menor es la eficiencia en el uso del mismo en general. Inmunidad frente al ruido: Es en general la eficiencia con que usa la potencia de la señal para combatir el ruido y por lo tanto alcanzar favorables valores de Pe. Por ejemplo cuando tenemos CD tenemos potencia que no combate el ruido y por lo tanto disminuye la inmunidad frente al ruido para igual S/N en comparación con otro esquema semejante que no tenga CD. Sensibilidad a la polaridad de la señal: Se trata de esquemas en los que la información no este en la polaridad de la señal sino en las transiciones de la misma. Hay aplicaciones en que esto puede se de interés y son típicos en estos casos esquemas del tipo diferencial como veremos más adelante.

No Retorno a Cero Unipolar , NRZU G(f) 1 0 1 A CD t T 1 2 fT CD, pérdida de potencia, no acoplamiento a transformadores. Alto contenido de potencia en las bajas frecuencias. Imposible recuperar reloj ante secuencias seguidas de 0 o 1s. No permite supervisión del enlace. Simple.* La señal tiene una sola polaridad por eso tiene CD (Componente de directa) que se refleja en el grafico de Densidad Espectral de Potencia de la señal como una potencia finita concentrada en la frecuencia 0. El resto de la potencia queda distribuida en el dominio de la frecuencia como muestra el gráfico, Aprecie que el lóbulo principal, que contiene la mayor parte de la potencia esta para valores de fT<1 , lo que equivale que sea para f<1/T, donde T es el valor del intervalo unitario, o sea el intervalo de tiempo que ocupa un bit de datos y que está relacionado con la velocidad de información según Vi=1/T. Ante secuencias seguidas de 0 o de 1 se pierden las transiciones y se dificulta la recuperación de reloj de la señal, siendo esto una limitante más para su uso en formatos sincrónicos. Es válido que la señal se mantenga en alto por un periodo largo o en bajo por lo tanto no permite detectar errores y por ende supervisar el enlace. Su única virtud es la simplicidad. No se usa en formatos sincrónicos.

No retorno a cero Polar, NRZP G(f) 1 0 1 A/2 -A/2 t 1 2 fT No tiene componente de directa, [ p(0) = p(1) ]. El resto idem a NRZU* Se diferencia solamente del caso anterior por la ausencia de directa cuando p(0) = p (1), con los restantes defectos del caso anterior. No se usa por lo tanto en formatos sincrónicos.

Retorno a Cero Unipolar, RZU G(f) 1 0 1 A td T 1 2 3 4 fT Componente discreta de frecuencia td = T/2 CD, pérdida de potencia, no acoplamiento a transformadores. Alto contenido de potencia en las bajas frecuencias. Uso no eficiente del Ancho de Banda . Permite la recuperación de reloj mediante proceso de filtrado de componente discreta de frecuencia pero se limita para secuencias largas de 0s. No permite supervisión del enlace. Simple.* Es un esquema en el que aparece en el gráfico de la densidad Espectral de potencia G(f), componentes de frecuencias discretas a la frecuencia de 1/T y 4/T, lo que permitiría recuperar el reloj por procesos de filtrado, no obstante ante secuencias largas de ceros, estas componentes tienden a desaparecer y presenta problemas la recuperación del reloj. Aprecie que la eficiencia en el uso del Bt no es buena pues su lóbulo principal va más alla de fT=2 lo que equivale que su ancho de banda sea superior a 2/T. Como tienen una única polaridad tiene CD. No es usada en formatos sincrónicos.

AMI (Alternated Mark Inverter) 1 0 1 0 G(f) t fT 1 2 Poco contenido de potencia en las bajas frecuencias. Permite supervisión del canal. Falla recuperación de reloj ante secuencias seguidas de ¨0¨ .* AMI es un esquema muy atractivo pues el hecho de que los pulsos indicativos de los 1 se alternan de polaridad hacen que el espectro o densidad Espectral de Potencia tenga el comportamiento que se refleja, en el que no hay CD y además los contenidos de potencia para las bajas frecuencias es bajo, lo que determina que puede usarse para esquemas que acoplan a transformadores, ya que los transformadores no dejan pasar la directa y atenúan notablemente las bajas frecuencias. Pulsos seguidos de igual polaridad indicarían error en el enlace y por lo tanto se podría establecer supervisión del mismo. No obstante ante secuencias seguidas de cero se pierde el sincronismo porque desaparecen las transiciones, esta es su más importante limitante para el uso en esquemas sincrónicos, pero esto se salva usando esquemas que sustituyen las secuencias largas de ceros por patrones preestablecidos que mantienen tránsitos frecuentes en la señal.

HDBn (High Density Bipolar n ) Código de sustitución de (n + 1) ceros seguidos por patrón HDB3 Permite solo 3 ceros, sustituye 4 ceros por patrón : 000V o B00V La secuencia cumple que no existan dos pulsos de violación consecutivos con igual polaridad. (Por que?). Esquema inspirado en el AMI pero sustituyendo las secuencias seguidas superiores a n ceros por patrones preestablecidos. El más usado es el HDB3 que permite secuencias máximas de 3 ceros seguidos, cantidad de ceros que no compromete la recuperación del sincronismo, pero ante 4 ceros sustituye esa secuencia por uno de los patrones indicados en la segunda pleca. V significa un pulso de violación, es decir de igual polaridad al último pulso ocurrido y B significa un pulso bipolar, es decir un pulso de polaridad contraria al último ocurrido. Se requieren dos esquemas diferentes para la sustitución con vistas a que no ocurran dos pulsos de violación de igual polaridad, lo que tendería a la aparición de una CD de igual polaridad a la de los pulsos de violación en exceso, así, siempre que los pulsos de violación que correspondan son de polaridades contrarias se emplea la sustitución con el primer patrón y cuando estos serían de igual polaridad se emplea el segundo patrón, tal como muestra e ejemplo. La presencia del pulso de violación identifica la ocurrencia de una sustitución y en el receptor se puede recuperar la secuencia original sin alteraciones. Del ejemplo aprecie que el primer pulso de violación es +, que el siguiente es - , mientras que el tercero, de usarse el primer patrón de sustitución sería negativo, igual polaridad a la de la violación anterior, lo que obliga a que se emplee el segundo patrón de sustitución, donde B es un pulso contrario al último ocurrido y el de violación es de igual polaridad al bipolar, lo que no deja de ser una violacion por la existencia de dos pulsos consecutivos de igual polaridad. 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 + • • • + - + • - • • • - • + - + - + • • + - • - - - V - - - V B - - V

Manchester (Bifásica) G(f) 1 0 + - t fT 2 Bajo contenido de potencia en bajas frecuencias, No CD. Mayor ancho de banda que los restantes, limitada para velocidades muy altas. Excelente para recuperación de señal de reloj. Permite supervisión de canal. Amplia aplicación en redes locales* Esquema de gran valor por sus buenas cualidades en la recuperación del reloj y en el estricto control de la CD, ya que cada intervalo tiene igual tiempo + que -, garantizando CD=0. Tiene siempre un tránsito ene el centro del intervalo unitario lo que hace que a través de esa regularidad sea muy simple recuperar el reloj. La ausencia de tránsitos determina que el enlace esta con problemas por lo que permite supervisión del mismo. Como único inconveniente esta l aprovechamiento del ancho de bnada pues como los pulsos mínimos son de la mitad del intervalo, el Bt de la señal alcanza f=2/T. Este fue el esquema se empleó en las redes Ethernet a 10 Mbps. Pero su empleo queda limitado para 100 Mbps o mayores por las razones de Bt.

Manchester Diferencial 1 0 1 1 0 1 1 o La información no está en el nivel sino en los cambios. Es insensible a los cambios de polaridad. Aplicada en Token Ring.* Este esquema nos muestra un ejemplo de esquema en el que la información no va en la polaridad de la señal sino en los tránsitos, así hablamos de un esquema Manchester en que si lo que aparece es un 0, se transite una señal igual a la del intervalo anterior, mientras que si viene un 1 se transmite una señal de polaridad contraria. Así los dos esquemas mostrados en la figura tienen igual significado a pesar de ser uno de polaridades contrarias al otro.

Multinivel G(f) 1 0 0 1 1 1 0 0 10 11 01 00 1/2 1 fT Uso eficiente del espectro, menor Bt para igual velocidad de información. Para este caso en que dos dígitos binarios se convierten en un estado cuaternario se llama 2B/1Q Mayor Pe para igual S/N. Las restantes características semejantes al NRZp. Empleada en los dispositivos HDSL. Se trata de buscar un esquema en el que los Bt sean menores, lo que equivale a que los pulsos sean de mayores anchos. Esto se logra si se toman en lugar de dos estados para la señal digital, por ejemplo 4, en cuyo caso cada señal elemental puede informar de dos bits y esta señal elemental puede ocupar dos intervalos unitarios. En G(f) se aprecia como el lóbulo principal ahora se extiende sólo hasta f = 1/2T, aunque si la potencia de la señal es la misma, los niveles estarán más cercanos y los errores serán mayores.

Esquemas precodificados NRZ puede ser empleada si previamente se realiza una codificación que elimine las secuencias con pocos tránsitos. Veamos el caso de redes FDDI con 100 Mbps con señal luminosa por fibra óptica. No puede emplearse Manchester porque a 100 Mbps el Bt sería muy alto. La secuencia binaria se codifica con 4B/5B y el resultado de la codificación se implementa con NRZI (No Retorno a cero Invertido) mediante señal luminosa. El principio es buscar una secuencia con las transiciones suficientes a base de una precodificación que convierte n dígitos de información en m dígitos codificados donde m>n y de los 2m secuencias posibles a formar se toman como válidas para representar información sólo las 2n que cumplen las condiciones de transiciones frecuentes. Se rinda un ejemplo a continuación empleado en el estándar de Fast Ethernet.

Esquemas precodificados NRZI representa un ¨1¨ mediante NRZ con cambio al inicio del intervalo y un ¨0¨ sin cambio. 4B de datos tiene 16 representaciones diferentes, se transforman en secuencias de 5B (25 representaciones posibles y se desechan las que no tienen al menos dos transiciones para permitir la recuperación de reloj).** La señal de línea se presenta como una señal NRZI, que quiere decir No Retorno Cero Invertida. Se muestran las codificaciones para dos secuencia de información. Este principio se usa posteriormente en 1GbE y en 10GbE con esquemas precodificados 8B/10B y 64B/66B repectivamente. Dato Codificación 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1

Conclusión Banda Base- empleada cuando las condiciones de transmisión no requieren de la modulación. La selección del esquema de Banda Base depende, entre otras cosas, del medio de transmisión, del ancho de banda de la señal de información de la necesidad de que el esquema seleccionado permita la recuperación del reloj.**

Trabajo independiente Represente la secuencia 10000111000001010011000001 empleando los esquemas NRZpolar, NRZI, AMI, HDB3, Multinivel 2B/1Q y Manchester. Escriba de cada señal sus características.