Redes de Computadores

EL64ERedes de Computadores

Introduccin a Redes de Acceso y Medios Fsicos

www.internetworking.cl 2

Introduccin a redes de acceso y medios fsicos

1. Tecnologas de redes de acceso2. Modulacin y codificacin3. Redes xDSL, DOCSIS4. Redes Inalmbricas5. Redes de Fibra ptica6. Tipos de Concentradores


Tecnologas de Redes de Acceso


Clasificacin de Redes

Las redes se clasifican de acuerdo a su: Topologa Medio Fsico Mtodo de Acceso


Topologas de Red

RBOL

ESTRELLA

BUS

ANILLO


Mtodos de Acceso al Medio

Contencin Ethernet 802.3. (CSMA/CD)

Token Passing 802.4, 802.5 y FDDI

Polling 100VGAnyLan


Medios Fsicos

Aire Cable Paralelo Par Torcido Coaxial Fibra Optica


Medios Fsicos (Cont)

RJ45 Ensamblaje concable UTP Cat 5

COAXIAL

FIBRAPTICA

CABLEUTP


Coaxial Conductor Interno de Cobre Dielectrico de Polietileno Trenzado Metlico Recubrimiento Externo Alta tolerancia al ruido Alto costo y Dificil Troubleshooting Tipos:

50: transmisin digital en banda base 75: transmisin analgica en banda


Conector BNC y T Para los cables coaxiales se utilizan

conectores BNC en los extremos. En la bifurcaciones se utilizan uniones T.


Comparacin con Modelo OSI


Par Trenzado Consiste en un grupo de

pares de alambres entrelazados

Se trenzan de a pares para disminuir la interferencia entre si

Ventajas: Alta Meabilidad Bajo costo

Desventajas: Suceptible a ruido externo

Tipos: Categoria 3, 4, 5, 5E, etc


Atenuacin Par Trenzado Atenuacin:

Prdida de seal en el cable por caractersticas del conductor

Tabla de Atenuacin en dB por cada 100 Mts a 20C

22-100MHz

6,59,710MHz

Cat5Cat3Frec


Prdidas NEXT Par Trenzado NEXT: Near End Cross Talk. Perdidas por

acoplamiento no deseado de seales en pares vecinos.

Atenuacin por Next en dB por cada 100 Mts a 20C en distancias mayores a 100 mtrs.

32-100MHz

412610MHz

Cat5Cat3Frec


Conector RJ45 Para los cables de 4 pares trenzados se utilizan

conectores RJ45 en los extremos.


METODOS DE ACCESO

CSMA/CD TOKEN PASSING


Mtodos de AccesoCSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access Collision Detection

1. Si el medio est libre hablo.2. Si est ocupado hasta que est libre3. Si hay colisin espero tiempo aleatorio y

reintento(Algoritmo Backoff)


Mtodos de Acceso (cont)

TOKEN PASSING Uso de Token

1. Espero que me llegue el token para hablar.2. Envio un paquete y entrego el token3. Para enviar otro paquete debo esperar el

token.


Modulacin y Codificacin


Modulaciones Modulacin por

amplitud Modulacin de

frecuenciaModulcin de fase

Teorema de Nyquist=> la nica solucin para mejorar el flujo de un medio de ancho de banda limitado es aumentar la cantidad de informacin (bits) por muestra (bauds)


Modulaciones (cont) Una modulacin con 2n estados posibles permite

codificar n bits/bauds V32: 9600 bit/s -> modulacin QAM con 16 estados

(Quadrature Amplitude Modulation) V32bis: 6 bits/bauds (64 estados)

Representacin de la tcnica de codificacin

La eficiencia se mide en bit/s/Hz

Las modulaciones ocupan el mismo ancho de banda, pero tienen una eficiencia de 1 a 6 bit/s/Hz.

La eficiencia mejora, pero puede ser a cambiode complejidad (costo de equipos) y/o sensibilidad al ruido.

Modulacin QAM


Introduccin Comprendiendo Imagen de la constelacin y como se llega

a ella permitir comprender la modulacin QAM y como la seal digital es transmitida.

El hecho de comprender como las imperfecciones afectan la imagen de la constelacin puede ayudarnos a encontrar la causa de los problemas que afectan a la seal.


Bi-Phase Shift Keying (BPSK) BPSK es el mtodo de modulacin ms simple de transmisin

digital. Los datos son transmitidos invirtiendo la fase de la portadora. La amplitud de la portadora permanece constante. Es un mtodo robusto de transmisin pero consume un

significativo ancho de banda.

0

1

-1

A

m

p

l

i

t

u

d

En Fase

180ContraFase

1

0

Dato


Bits y Smbolos Una tasa mayor de bits puede ser lograda agregando una

modulacin de amplitud a la portadora adems de la modulacinen fase.

Teniendo multiples niveles, grupos de bits pueden ser transmitidos.

El grupo de bits que representa a un determinado nivel y fase de denomina Smbolo.

Dos niveles de Amplitud en la modulacin en combinacincon dos fases

hacen 4 posiblesSmbolos.

0

1

-1Am

p

l

i

t

u

d

En Fase

180Contrafase

3

-3

[10]

11

01

00

Smbolo(Grupo de Bits)

Bits


Bits y Smbolos Los bits son agrupados en pares o smbolos y la respectiva fase y

amplitud es transmitida. Una amplitud negativa indica una contrafase de la portadora.

10 01 10 11 00 01

+3 -1 +3 +1 -3 -1

Smbolo

Amplitud


Quadrature Amplitud Modulation (QAM)

La modulacin en cuadratura es un mtodo de basado en la modulacin de amplitud que permite transportar dos canales en la misma frecuencia doblando el ancho de bandade una portadora slo modulada en amplitud.

Una forma de modulacin en cuadratura ha sido usada pormuchos aos en la televisin analgica al usar dos componentes con subportadora de color.

Al modular dos portadoras exactamente en la mismafrecuencia pero desfasadas en 90 se logra una modulacinde amplitud y fase de la portadora.


Modulacin AM y Contrafase Ocho niveles de modulacin son logrados en ambos canales I (en

fase) o Q ( en cuadratura) al usar cuatro niveles en la modulacinde Amplitud y desfazar en 180.

Dos Niveles de Amplitud Modulada(Portadora On/Off)

Datos1 or 0

0 0 0 01 1 1

Portadora Off = 0 Portadora On = 1

000 100001 101

010 110011 111

con 180 de desfasetransmite 8 niveles

Datos000 to 111

180 Portadora en Contrafase

Cuatro Niveles de Amplitud Modulada


Desfase de Portadora

Canal IPortadora

en Fase

Canal QPortadoradesfasada

en 90

+ =


Quadrature Amplitud Modulation (QAM)

Ambos canales (I , Q) son modulados en Amplitud a la mismafrecuencia y el canal Q es desfasado en 90.

Las dos seales son combinadas para hacer la seal 64 QAM. El modulador adems puede desfasar la seal en 180

(Contrafase)


Punto en la Constelacin Al combinar las amplitudes de las componentes I y Q. (Amplitud

negativa corresponde a la portadora en contrafase) en un sistemacartesiano se logra una seal resultante.

Las Amplitudes de los canales I y Q en este sistema cartesianodeterminan la amplitud y la fase de la portadora resultante.

La fase y amplitud de la resultante determinan una ubicacin en este sistema cartesiano y corresponde a un punto de la constelacin.

Canal I

Canal QOscilador local desfasado en 90, modulacin de portadora en fasey amplitud x.

Oscilador local en fase, modulacin de portadoraen contrafase y amplitud x.

Fase de la Portadora

Amplitud de la Portadora

Ubicacin en la constelacin


Cdigo Gray La eleccin del smbolo de cada punto representado en la

constelacin es escogido usando una tcnica conocida comoCdigo Gray.

El cdigo Gray asegura que los smbolos de las puntos adyacentestendrn slo un bit diferente, con lo cual reducen el efecto de cualquier error.

11

0100

10

Localidades adyacentes difieren en slo un bit


Constelaciones 64 QAM y 256 QAM

Agregando ms niveles a los canales I y Q, mayores velocidades de datos sern agregados.

A mayor nmero de niveles, mayor ser el efectodel ruido e interferencia.

64 QAM usa 8 niveles en el eje I y 8 niveles en el eje Q para un total de 64 smbolos en la constelacin.

256 QAM usa 16 niveles en el eje I y 16 nivelesen el eje Q para un total de 256 smbolos en la constelacin.


Amplituden

Cuadratura(Eje Q)

Constelaciones 64 QAM y 256 QAMConstelacin 64 QAM Constelacin 256 QAM

Amplitud en Fase (Eje I) Amplitud en Fase (Eje I)

Amplituden

Cuadratura(Eje Q)

64 posibles combinaciones entreAmplitudes y Fase I o Q

256 posibles combinaciones entreAmplitudes y Fase I o Q

1 3 5 71

3

5

7

-1

-3

-5

-7

-1-3-5-7 3 5 7

3

-3-5-7

-3-5-7 9 11 13 15-9-11-13-15

-9-11-13-15

579111315

-1-1 1

1


Niveles de decisin Cada punto de la constelacin debe est regido por niveles de

decisin. Si el punto cae dentro de estos niveles de decisin, el smbolo que

fu transmitido ser correctamente recibido. Ahora si por efecto del ruido o alguna interferencia el punto cae

en un rea adyacente el receptor interpretar y decodificar el smbolo correspondiente a dicha rea y habr un error

-1

-3

-5

-7

-1-3-5-7

Correcta decodificacin, al caer el punto dentro

de los niveles de decisin

Punto fuera de niveles de decisin implica error en

los datos recibidos


Construccin de la Constelacin Puesto que cada punto representa un smbolo, de este se obtiene

poca informacin referente a problemas que pudieran estarpresentandose.

Por ello si se presenta en la pantalla varios puntos en forma simultnea se obtendr una visualizacin de la forma en queestn distribuidos. Por lo tanto existir una mayor informacin a nivel global de todos los smbolos a travs del tiempo.

1

1

-1

-3

-5

-7

-1-3-5-7

Grupo de puntos


Constelacin sin problemas Ejemplo de constelacin 64 QAM relativamente buena. Los puntos estn razonablemente bien definidos y

posicionados en el cuadrado de la constelacin y dentro de los niveles de decisin, indicando buena ganancia, bajoruido y bajo nivel de errores de demodulacin y transmisin.

Forma de los puntosbien definida dentro de los niveles de decisin.

Puntos bienposicionados y

homogneos en loslmites externos


Sistema con ruido

En esta constelacin se aprecia un nivelsignificativo de ruido.

Los puntos estn esparcidos indicando un alto nivel de ruido en la transmisin, lo que implicaerrores en la demodulacin y decodificacin.

Puntos estn esparcidos, lo que implica gran

probabilidad de caer fuerade los niveles de decisin.


Ruido de fase Si aparece una rotacin en los extremos de la constelacin,

significa que hay un excesivo ruido de fase. El ruido de fase puede ser causado por los headend de los

Down/Up converters. Al haber ruido en la fase, significa que la cuadratura (Desfase en

90 no ser perfecto).

Rotacin


Interferencia Coherente Si la forma de los puntos aparece como un crculo, el problema

corresponde a Interferencia Coherente (un tono est interfiriendola seal).

Ejemplos de interferencia coherente son CTB, CSO, espreas e ingress.

Forma Circular


Interferencia Intermitente Puntos aislados lejos de la forma principal (Cluster) indican que

existe una interferencia intermitente. Ejemplos de interferencias intermitentes son el Ingress y el Laser

clipping.

Puntos aislados


Compresin de Ganancia Si los puntos en los extremos estn empujados hacia adentro,

mientras que los intermedios no son afectados, indica que la sealtiene una compresin de ganancia (se est operando en el iniciode la zona de saturacin de algn componente).

La compresin de ganancia puede ser causada por losamplificadores de RF o FI, Convertidores Up/Down o ecualizadores de FI.

Puntos externosempujados hacia

adentro.


Desbalance I Q El desbalance I Q es causado por diferencias en las ganancias de

los canales I y Q.. La constelacin es mas ancha que alta (o vicerersa). Esto indica que hay problemas con los amplificadores headend de

banda base o los filtros.

Mas alto que

ancho


Anlisis Automtico de Constelacin

El instrumento analiza automticamente la constelacinpara presentar el tipo de problema encontrado.

Minimiza el entrenamiento y elimina el tratar de adivinar la falla.

Encontrando rpidamente el tipo de distorsin se encuentrarpidamente la fuente del problema.

Anlisis de distorsin

Bit Error Rate (BER)


Introduccin

Bit Error Rate (BER) es un importante conceptopara comprender un sistema de transmisindigital, ya que es el mejor indicador de la saluddel sistema..

A transmitir datos a travs del sistema algunosbits pueden no ser recibidos correctamente. Mientras mas bits estn erroneos significa que la seal est cada vez mas afectada.

Es importante conocer que porcin de los bit estn errados, pues con ello se puede determinarel mrgen que tiene el sistema antes de fallar.


Que es BER ? BER se define como la razn entre el nmero de bits

errados sobre el nmero de bits transmitidos.

Bits enviados 1101101101

Bits recibidos 1100101101

BER =# de Bits Errados# de Bits Totales

1

10= 0.1

error

=


Notacin de la BER BER es normalmente desplegada en Notacin Cientfica. Mientras ms negativo es el exponente, mejor es la BER. Una BER mejor que 1.0E-6 es necesaria despus del FEC

para que el sistema funcione.

MejorBER

Decimal Notacin Cientfica1 1.0E+00

0.1 1.0E-010.01 1.0E-020.001 1.0E-03

0.0001 1.0E-040.00001 1.0E-05

0.000001 1.0E-060.0000001 1.0E-07

0.00000001 1.0E-080.000000001 1.0E-09

Decimal Notacin Cientfica0.00001 1.0E-050.000009 9.0E-060.000008 8.0E-060.000007 7.0E-060.000006 6.0E-060.000005 5.0E-060.000004 4.0E-060.000003 3.0E-060.000002 2.0E-060.000001 1.0E-06


Ruido e Intermitencias Errores causados por ruido e intermitencias pueden tener la

misma BER, pero tienen diferentes efectos. Errores diseminados son causados por problemas de ruido. Errores que estn agrupados son causados por problemas de

intermitencias como el Ingress y la Prdida de Conectores.

Errores diseminados 1101101011010011100

Errores agrupados 1111101011101101101Este ejemplo muestra la misma BER,

pero los errores agrupados o en rfagasson mas difciles de corregir.


Pre y Post FEC BER La Correccin de Errores Forward Error Correction (FEC) puede

corregir errores an en el punto posterior a que estos han pasadopor el circuito de decodificacin.

Es importante conocer la tasa de error antes y despus del FEC para saber cual es la carga de trabajo del FEC. Mientras mayor sea la carga de trabajo, mas cerca de fallar estar el sistema.

Pre FEC BER (Antes de la Correccin)

Post FEC BER (Despus de la Correccin)


Segundos Errados Para tener una idea de si los errores son causados por ruido

o problemas de intermitencia, pueden ser medidos en un periodo de un segundo.

Si no aparecen errores en el periodo de un segundo, entonces tenemos un Segundo Libre de Error Error Free Second.

Si en el periodo de un segundo aparecen algunos errores, pero el nmero es pequeo y puede ser manejado por el FEC tenemos un Segundo Errado Error Second.

Si la cantidad de errores es grande y lo suficientementemala como para que en el periodo de un segundo el FEC no pueda manejarlo, tenemos un Segundo SeveramenteErrado Severely Errored Second.

Un Segundo Severamente Errado tiene una BER de 1E-6 mayor a la salida del FEC.


Segundos Errados y SeveramenteErrados

Segundos Errados y Severamente Erradossobre un determinadoperodo de Tiempo.


Data Logging Puesto que los errores pueden ser muy intermitentes, es til ver

como un sistema opera sobre un periodo de tiempo. Data Logging permite grabar el instante en el cual ha ocurrido un

Segundo Errado o un Segundo Severamente Errado

Modulation Error Ratio (MER)


Introduccin Modulation Error Ratio (MER) es para los

sistemas digitales equivalente a la Razn Seal a Ruido o Razn Portadora a Ruido usada en lossistemas analgicos.

Determinar la MER de un sistema digital es unaparte crtica para conocer el mrgen que tiene el sistema antes de fallar.

De manera distinta a los sistemas analgicos, en los cuales se puede ver como las degradacionesen la Razn Portadora a Ruido van afectando la seal, una mala MER no se aprecia sino hastaque el sistema est prximo a fallar.


Comparacin del efecto del ruido entresistemas analgicos y digitales

Efecto del ruido en un sistema analgico (Degradacin gradual de C/N)

El ruido afecta muy poco a los sistemas digitales hasta que este ltimo falla completamente.

34 dB MER 23 dB MER 22.5 dB MER 22 dB MER

45 dB C/N 35 dB C/N 25 dB C/N 20 dB C/NEfecto del ruido en un sistema digital (Degradacin gradual de MER)


Razn Portadora a Ruido (C/N) Analgica

La Razn Portadora a Ruido en un sistema analgico essimplemente una medida entre el peak de la portadora de video y el ruido del canal , sobre un determinado ancho de banda y estexpresado en dB.

Este tipo de medicin puede ser hecha en un canal digital, perolamentablemente no se puede apreciar en una figura, tal como se puede visualizar en los sistemas analgicos.

Medidad C/N Analgica

Seal

Ruido


Modulacin en Cuadratura A diferencia del video analgico, la modulacin QAM no slo usa la

modulacin de amplitud, sino que adems usa la modulacin de fase.

Al mdir slo el nivel de la portadora relativa al nivel de ruido no estmos tomando en cuenta ningn ruido de fase que pudieraestar presente en la seal.

Desfase de la portadoraModulacin Video Analgico AM Modulacin QAM

Amplitud de modulacin

de la portadora

Amplitud de modulacin

de la portadora


Otros Ruidos e Interferencias Adicionalmente a los ruidos de amplitud y fase existen otras

imperfecciones que pueden afectar la calidad de la seal de forma similar.

Como ejemplo de estas perturbaciones que afectan la sealtenemos:

Prdidas de Implementacin debido a limitaciones en el muestreo y los conversores A/D y D/A.

Reflecciones no eliminadas por los ecualizadores. Distorsiones no lineales como laser clipping y

compresin del amplificador.


Efectos del ruido en la Constelacin Puesto que la posicin en la constelacin est definida por la

amplitud y la fase de la portadora, ambas afectarn la constelacin al ser afectadas por el ruido.

El ruido en la Amplitud cambiar la distancia desde el centro y un ruido en la fase cambiar la posicin en forma rotatoria. Otrostipos de ruidos e interferencias afectarn el smbolo en cualquierdireccin.

Amplitudde la

Portadora

Fase de la Portadora

Efectodel ruidode fase

Otros tipos de ruidose interferencias

(Desva el Smboloen cualquierdireccin)

Efecto del ruido de amplitud

Efecto del ruido de amplitud


Modulation Error Ratio (MER) y Error Vector Magnitude (EVM)

Para tomar en cuenta los ruidos de amplitud, fase y otras imperfeccionesse desarrollaron dos nuevos tipos de mediciones, Razn de Error de Modulacin (MER) y Error de Magnitud de Vector (EVM).

MER y EVM pueden ser correlacionadas directamente entre ellas ya queescencialmente miden lo mismo. Slo son realizadas y expresadas de manera distinta.

MER y EVM efectivamente asignan un valor a la dispersin de las muestrasen un punto de la constelacin. Mientras ms disgregadas de la posicinideal estn las muestras ms mala ser la medida de la MER o EVM.

MER y EVM pueden ser consideradas una figura de mrito para la sealQAM que incluye todos los tipos de interferencias, no slo el ruido como el C/N en los sistemas analgicos.

MER es escogida preferiblemente para mediciones en sistemas de TV Cable porque es similar a la medida de C/N Analgica y que es expresadaen dB, concepto ya familiar por la gente que trabaja en la industria del Cable.

MER y EVM son a veces referidas como Seal a Ruido por algunosfabricantes, pero esto no es tcnicamente correcto.


Constelacin La pantalla de constelacin nos d una indicacin visual de que

tan lejos desde su posicin ideal est moviendo el ruido a lasmuestras.

Mientras ms disgregados estn las muestras ms mala ser la MER y EVM.

La forma del Cluster nos d informacin del tipo de problemaexistente.

Constelacin con Buena MER Constelacin con Mala MER


Magnitud del Error RMS

Magnitud Promedio del Smbolo

Razn de Error de Modulacin MER es expresada en dB. MER es definida de la siguiente forma.

Smbolo IdealError de Magnitud RMS

Magnitud Promediode Smbolos

10 log


Que es una Buena MER? Los sistemas 64 QAM requieren una MER mejor que 23 dB

para operar. Es preferible considerar un margen de 3 a 4 dB para posibles degradaciones del sistema.

Los sistemas 256 QAM requieren una MER mejor que 28 dB para operar. Es preferible considerar un margen de 3 a 4 dB para posibles degradaciones del sistema.

La mxima MER que entregan los analizadores porttiles estpicamente de 34 a 35 dB.

MER v/s BER


Introduccin

La mayora de los Analizadores Digitalesmiden Modulation Error Ratio (MER) y Bit Error Rate (BER)

Tanto MER y BER tienen limitaciones Es importante saber porque es se debe

medir ambos parmetros y que tipo de problemas pueden pasar si slo se mide unode ellos


Comparacin entre constelaciones sin error

Todas las constelaciones mostradas tienen una BER perfecta, sin errores porque la pertadora siempre est dentro de los niveles de decisin.

La constelacin de la derecha tiene una MER significativamentemenor con muy poco ruido.

Cuando el punto cae dentro de los niveles de decisin la BER no es una buena medida de calidad, porque esta es perfecta.

1

1

-1

-3

-5

-7

-1-3-5-7 1

1

-1

-3

-5

-7

-1-3-5-7

Buena MER Perfecta BERMala MER Perfecta BER

1

1

-1

-3

-5

-7

-1-3-5-7

Muy Buena MER Perfecta BER


MER v/s BER slo con ruido gaussianoafectando la seal 64 QAM

1,00E-09

1,00E-08

1,00E-07

1,00E-06

1,00E-05

1,00E-04

1,00E-03

1,00E-0235 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21

Sin Errores

MER

BER

Notar que no hay errores en este rango de MER.

En la prctica los errorestienden a ocurrir con altas

MER debido a otras formasde interferencias detrs del

ruido gaussiano


Porque medir BER? Ya que la MER puede calificar la calidad de la seal cuando

no existen errores, entonces Porqu medir la BER? La mayor limitacin de la MER es la incapacidad de efectuar

mediciones que capturen rpidos transientes intermitentes Una seal que tiene muy buena MER, pero con una BER

pobre es que tiene una interferencia intermitenteafectandola.


Interferencias Intermitentes quecausan mala BER y buena MER

Laser Clipping Ocasionalmente se produce una sobrecarga del laser

debido a pulsos de sincronismo analgico de alineacin.

Prdida de Conexin Debido a conexiones corroidas o simplemente perdidas.

Interferencia de Sistema de Barrido Pulsos de barrido del sistema de barrido producen

vacios en el espectro.

Microfona Vibraciones del equipo de conversin digital pueden

causar errores intermitentes.


Troubleshooting midiendo MER y BER

Una forma de determinar si hay problemas de intermitenciaes medir la MER y la BER simultneamente.

Si al MER es alta, pero an se pueden ver errores, entoncesestos son causados probablemente por problemas de intermitencia.


Errores Intermitentes en el Display de Constelacin

Errores Intermitentes son mostrados en la Constelacin comopuntos aislados del racimo principal.

Cuadrante de Constelacin con Interferencias Intermitentes

CODIFICACIN


Codificacin 4b/5b


Transmisin Dplex

Transmisin en slo un sentido

Simplex (SPX)

Transmisin en ambos sentidos, no simultneas

Half duplex (HDX)

Full duplex (FDX)Transmisin en ambos sentidos, simultneas


Transmisin Broadband

z Emplea Tecnologa Anlogaz Transporta mltiples seales portadoras de diferente

frecuenciaz Operan en altos rangos de frecuencia ( 10 - 400

MHz)z Tambin conocida como transmisin en Banda Anchaz Ejemplo : TV Cable

Medio de Transmisin


Transmisin Baseband

z Emplea Tecnologa digitalz Caracterizada por existir slo una seal portadoraz No existe modulacinz Tambin conocida como transmisin en Banda Angostaz Ejemplo : LAN Ethernet

Medio de Transmisin


Codificacin Manchester


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