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Redes (9359). Curso 2010-11

Ingeniería Técnica en Informática de Sistemas (plan 2001)

Pablo Gil Vázquez ([email protected])

Grupo de Innovación Educativa en Automática

© 2010 GITE – IEA

La fuente original de gran parte de las imágenes presentadas en esta lección son cortesía

del texto docente “Redes y Transmisión de Datos” P. Gil, J. Pomares, F. Candelas. Servicio

de Publicaciones Universidad de Alicante.

Redes (9359). Curso 2010-11

Ingeniería Técnica en Informática de Sistemas (plan 2001)

Pablo Gil Vázquez ([email protected])

Grupo de Innovación Educativa en Automática

© 2010 GITE – IEA

BLOQUE I: INTRODUCCIÓN.

Tema 1: Introducción a las redes de computadores.

BLOQUE II. NIVEL FÍSICO.

Tema 2: Transmisión de señales.

Tema 3: Codificación de la información.

Tema 4: Medios de transmisión.

BLOQUE III. NIVEL DE ENLACE.

Tema 5: Diseño del nivel de enlace y control de errores.

Tema 6: Control de flujo en el nivel de enlace.

Tema 7: Protocolos estandarizados del nivel de enlace.

BLOQUE IV. NIVEL DE RED.

Tema 8: Diseño del nivel de red.

Tema 9: Encaminamiento y control de congestión del nivel de red.

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III.Codificación de la información

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Contenidos

1. Señales y tipos de señalización.

2. Banda Base.

3. Banda Modulada.

4. Multiplexación.


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Señales y tipos de señalización

� Señalización: Especifica como se codifica o señala la información

o datos en las señales transmitidas.

� Señal digital:� Es una secuencia de pulsos de tensión discretos y discontinuos.

� Los datos binarios se transmiten codificando cada bit de datos en un pulso de la

señal.

� Tipos de datos y señales.� Datos digitales+señales digitales.

� Ej. Transmisor digital.

� Datos analógicos+señales digitales.

� Ej. CODEC.

� Datos digitales+señales analógicas.

� Ej. MODEM.

� Datos analógicos+señales analógicas.

� Ej. RTB

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Señales digitales: Representan datos mediante una secuencia

de pulsos de tensión.

Señal analógica Señal digital

Dato digital Señal digital

Transmisor

digital

Imagen cortesía de “Comunicaciones y Redes de Computadores” Williams Stallings. Ed. Prentice Hall. 6º Edición.


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Señales analógicas: Representan datos mediante una onda

electromagnética que varía continuamente.

Datos analógicos (ondas

sonoras de voz)

RTB

Señal analógica

Datos digitales (pulsos

de tensión binarios)

MODEM

Señal analógica

(modulada sobre una

frecuencia portadora)


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� Elemento de datos:� Es la unidad más pequeña que representa un elemento de información a

transmitir.

� Elemento de señal:� Es la unidad más pequeña en duración de una señal digital que se transmite.

� Tipos de señalización/codificación:

� Banda Base:� La información a transmitir se envía sin modificar por el medio físico.

� Se usa en distancias cortas y distorsiones pequeñas.

� Tipos: Binaria, Manchester, Manchester diferencial, etc.

� Banda Modulada:� La información es adaptada para poder se transmitida por el medio físico.


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� Elección de la técnica de codificación depende de:

� Del medio físico que se va a utilizar en la transmisión y de las

especificaciones de éste.

� Factores que influyen en el intercambio de datos entre dispositivos

como: Ancho de banda del medio, sincronización entre emisor y

receptor, inmunidad al ruido y a las interferencias en el medio físico.

� Coste de complejidad de implementación de la técnica.

� Necesidad de incorporar mecanismos de detección de errores.

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Contenidos


2. Banda Base.

3. Banda Modulada.

4. Multiplexación.


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Señalización Banda Base

� Tipos de codificación Banda Base:� Binaria.

� Se asigna un valor de tensión a cada valor {0,1}.

� No hay sincronización (difícil detectar cuando empieza y acaba cada bit).

� Tipos de codificación binaria: NRZ y RZ.

� Manchester.

� La información se codifica en transiciones de nivel . Cada transición se presenta en

mitad del intervalo de duración de un bit.

� Hay sincronización. La propia transición sirve como procedimiento de sincronización.

� Manchester diferencial.

� Los valores se asocian a cambios de transición.

� Inicialmente al principio del intervalo hay una transición 0->1 o 1->0.

� Un ‘1’ se representa como un cambio de transición respecto al bit anterior.

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� Tipos de codificación Binaria:� Binaria NRZ (no retorno a cero):

� Se usan dos niveles de tensión distintos. Se transmite nivel alto para 1 y nivel bajo

para 0.

� El nivel de tensión se mantiene constante durante la duración del bit.

� Unipolar {0,+V} ó {–V,0} y Bipolar {-V,+V}

� Binaria RZ (retorno a cero):

� El nivel de tensión se mantiene constante durante la primera mitad del intervalo de

tiempo que dura el bit.

� Puede ser unipolar o bipolar.


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� Ejemplos NRZ Y RZ. ‘0100110’

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� Ejemplos Manchester y Manchester diferencial ‘0100110’


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� Más tipos de codificación Banda Base:� mBnL.

� Tienen como objetivo incrementar el número de bits por baudio, es decir por

elemento de señal.

� Se consigue un aumento en la velocidad de transmisión sin variar el ancho de

banda. Esto es así, porque por cada baudio se están transmitiendo más bits y

por lo tanto la tasa de bits a transmitir por un ciclo de señal.

� m es la longitud en bits del patrón de datos a enviar, B significa dato binario, n

es la longitud en elementos de señal del patrón de señal codificado y L es el

número de niveles de señal. Para implementar estas técnicas, se codifican

bloques de datos de m bits de datos en n elementos de señal.

� Cuando L toma el valor 2 se sustituye por la letra B de binario, cuando toma el

valor 3 por la letra T de ternario o de modo similar, cuando L=4 es sustituido

por la Q de cuaternario.

� En estas técnicas, la asignación entre patrones de señal y patrones de datos

se hace mediante el empleo de una tabla de codificación.

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� Tipos de codificación mBnL:� 2B1Q:

� Se trata de un mecanismo multinivel. Su nombre indica que codifica patrones de m=2 elementos

de datos en un patrón de n=1 elemento de señal. Se emplea en las líneas xDSL

� 8B6T:

� Otro mecanismo multinivel es la codificación 8B6T. Su nombre indica que codifica patrones de

m=8 elementos de datos en un patrón de n=6 elementos de señal. Se emplea en los medios

físicos 100Base-4T de redes LAN.

� MLT-3:

� Es una codificación multilínea que codifica tres niveles de tensión, y emplea más de una línea

para transmitir los datos.

� Esta codificación se emplea para enviar a 100Mbps por un cable de cobre convencional.

� 4B5B:

� Es una codificación de bloques que cambia 4 bits por bloques de 5 elementos de señal.

� Añade información redundante para asegurar el proceso de sincronización y detección de errores.

� HDB3:

� Es una codificación bipolar con sustitución de varios ceros consecutivos por una secuencia

determinada de voltajes


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� Ejemplos 2B1Q y 8B6T

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Contenidos


2. Banda Base.

3. Banda Modulada.

4. Multiplexación.


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Señalización Banda Modulada

� La codificación banda modulada se emplea cuando la información tiene

que ser adaptada para poder ser transmitida por un medio físico. Esto

ocurre cuando los datos a transmitir y el medio que se emplea en la

transmisión no soportan la misma naturaleza de señales.

� Por ejemplo, los datos tienen naturaleza digital, sin embargo el medio

físico sólo soporta señales analógicas.

� Tipos de señales en el proceso de modulación

� Portadora: Es la señal que se va a transmitir y que debe ser modificada para

codificarlos datos que se desea enviar.

� Moduladora: Es la señal que se emplea para modificar algún parámetro de la

portadora, para que esta última pueda ser transmitida. Representa los datos

digitales que se quieren hacer llegar al receptor.

� Modulada: Es la señal que se obtiene después de modificar la portadora. Esta

es la señal que se transmite por el medio físico e incorpora la codificación de los

datos digitales.

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� Modulación analógica:

� Cuando se quiere transmitir por un medio analógico en cuyo caso se requiere de

una señal portadora analógica.

� Modulación digital:

� Cuando se quiere transmitir por un medio digital en cuyo caso se requiere de una

señal portadora digital..

� Según el tipo de señal portadora y moduladora:


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� Modulación ASK.� Modulación analógica en amplitud.

� La amplitud de la señal portadora se modifica en función del valor de la señal

moduladora.

� Los valores binarios se representan mediante dos amplitudes diferentes de la

portadora.

� Ineficaz ya que es sensible a cambios de ganancia.

� Se usa en transmisión de datos digitales por fibras ópticas o en líneas telefónicas

cuando la velocidad es <1200bps.

� Matemáticamente:

)tfn2sin(b)tfn2cos(a2

c)t(u

)tf2sin(V)t(u

1n 0n1n 0nm

pp

∑∑∞

=

∞

=++=

+=

ππ

ϕπ

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� Ejemplo de modulación ASK.


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� Modulación FSK.� Modulación analógica en frecuencia.

� La frecuencia de la señal portadora se modifica en función del valor de la

señal moduladora.

� Menos sensible a errores que ASK.

� Se usa en transmisión de radio frecuencias entre 3-30Mhz, en redes LAN de

cable coaxial y en líneas telefónicas full-duplex con velocidades <1200bps.

� Matemáticamente:

+=

+=>−⋅+⋅=

++=

=+=

=+=

∑∑∞

=

∞

=

'0' si )tf2sin(V)t(u

'1' si )tf2sin(V)t(u)t(u)t(u)t(u)t(u)t(u


c)t(u

'0' si 0)t(u ó '1' si )tf2sin(V)t(u

'1' si 0)t(u ó '0' si )tf2sin(V)t(u

2pM

1pM

2p'm1pmM

1n 0n1n 0nm

2p2p2p

1p1p1p

ϕπ

ϕπ

ππ

ϕπ

ϕπ

MFSK: Modulación de múltiples niveles.

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� Ejemplo de Modulación FSK.


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� Modulación PSK.� Modulación analógica en fase.

� La fase de la señal portadora se modifica en función del valor de la señal

moduladora.

� PSK diferencial: Cambios de fase en la señal modulada uM

+=

+=

++=

==+=

∑∑∞

=

∞

=

=




c)t(u

180y 0con )tf2sin(V)t(u

2pM

1pM

1n 0n1n 0nm

212,1ipp

ϕπ

ϕπ

ππ

ϕϕϕπ

QPSK, QAM: Modulación de múltiples niveles.

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� Ejemplo de Modulación PSK.


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� Modulación QPSK.� Modulación analógica en fase de cuadratura (Quadrature Phase Shift Keying).

También se conoce como 4-PSK.

� Se emplean desplazamientos de fase de la señal portadora correspondientes

a múltiplos de 90º.

� Se puede conseguir una utilización más eficaz del ancho de banda, si cada elemento de señalización representa a más de un bit.

� La fase de la señal portadora se modifica en función del valor de la señal moduladora.

+=

+=

+=

+=

++=

====+=

∑∑∞

=

∞

=

=

'10' si )270tf2sin(V)t(u





c)t(u

270 ,180,90 ,0con )tf2sin(V)t(u

pM

pM

pM

pM

1n 0n1n 0nm

23214..1ipp

π

π

π

π

ππ

ϕϕϕϕϕπ

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� Ejemplo de Modulación QPSK.


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� Modulación QAM.� La modulación QAM (Quadrature Amplitude Modulation) es una variante de la

modulación ASK y PSK. En este tipo de modulación se emplean distintas

amplitudes y desplazamientos de fase de la señal portadora.

� Desplazamiento en fase y tiene en cuenta cambios en la amplitud.

� Se pueden usar 8 ángulos de fase para tener varias amplitudes.

� En un modem a 9.600 bps se utilizan 12 ángulos de fase, cuatro de los cuales tienen dos posibles amplitudes.

� Existen numerosas variaciones posibles en la modulación QAM en función del

número de niveles de señalización que se emplean. De ahí que se haya

diseñado una herramienta gráfica, conocida como ‘Diagrama de Fase’.

� El diagrama de fase se usa para aumentar el número de niveles e indica la codificación de cada cambio de fase y amplitud.

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� Ejemplo de Diagramas de fase.

Modulación 1bit/baudio Modulación QPSK Modulación QAM


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� Comparación de Prestaciones en función del ancho de banda.

Modulación Ancho de Banda

ASK

FSK

PSK

tT VrB ⋅+= )1(

tT VrfB ⋅++∆= )1(2

ttT V�

rV

n

rB ⋅

+=⋅

+= )

log

1()

1(

2

ión señalizacde elementos de nº :�

ión señalizacde elemento por scodificado bits de nº :n

banda de anchoB

ntransmisió de velocidadV

T

t

:

:

cpcp fffff

1)r(0 filtrado r

−=−=∆

<<

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:

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� Modulación PCM.� Modulación digital por código de pulsos.

� Objetivo: Transmitir información analógica a través de medios digitales con

gran ancho de banda.

� Forma: señal de pulsos de igual amplitud, duración y posición en el tiempo.

� Se basa en el teorema de muestreo:

Si una señal se muestrea a intervalos regulares de tiempo con una

frecuencia mayor que el doble de la frecuencia más alta de la señal, las

muestras obtenidas contienen toda la información de la señal original.

� Codificación: Todas las muestras llevan asignado un código digital.


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� Modulación PCM (Pasos).

� Paso 1: Muestrear

� La señal moduladora a intervalos de periodo Tm=1/2B.

� Paso 2: Cuantizar

� La señal moduladora divide su rango de valores en un conjunto discreto

de niveles q, tomando un valor fijo de incremento.

� El valor muestreado se aproxima por el valor cuantificado más cercano.

� Paso 3: Codificar

� Cada nivel se codifica asignándole un código binario de n bits, siendo q=2n

� La señal moduladora se sustituye por los pulsos codificados para cada

nivel, donde Vt=nfm

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� Ejemplo de Modulación PCM: Pasos 1 y 2.

Bf m 2max_ =

señal

medio

B

Bn =max

Frecuencia máxima de

muestreo en el medio

Máximo nº de bits para la

codificación


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� Ejemplo de Modulación PCM: Pasos 2 y 3.

Bf m 2max_ =

señal

medio

B

Bn =max

Frecuencia máxima de

muestreo en el medio

Máximo nº de bits para la

codificación

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� Modulación PCM diferencial.

� Modulación digital por código de pulsos diferenciales.

� Varía del PCM en el modo de realizar la cuantización de la señal

muestreada.

� El tipo de PCM diferencial más conocido es la DM ó modulación

Delta.

� Ventajas:

� Aumenta la velocidad de transmisión.

� Puede emplear medios físicos que tienen limitada su cuantización a un nº

de bits.

� Procedimiento de modulación:

� Se cuantifica la señal.

� Se codifica el incremento entre dos pulsos: ‘1’ si decrece, ‘0’ si crece.


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� Ejemplo de Modulación PCM diferencial.

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� Modulación DM ó modulación delta.

� Ventajas:

� Reduce la información a transmitir.

� Precisa de ancho de banda más pequeños.

� Sencillez de implementación respecto a PCM.

� Inconvenientes:

� Imposibilidad de codificar señales constantes.

� Peor SNR para la misma velocidad de transmisión que PCM.

� Procedimiento de modulación:

� Se cuantifica la señal de entrada analógica aproximándola mediante una

función escalera

� Se codifica el incremento entre dos pulsos como ‘1’

� Se codifica el decremento entre dos pulsos como ‘0’


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� Ejemplo de Modulación DM.

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� Modulación DM ó modulación delta.

Entrada analógica Función escalera

Ruido de sobrecarga

en la pendiente

Ruido de

cuantizaciónescalón

Periodo de

muestreo

Amplitud

de señal

Salida

DM

Tiempo



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� Modulación PCM por pulsos predictivos.

� Se basa en la interpolación de valores anteriores de la señal para

predecir el siguiente valor que tomará.

� Se transmite la codificación de la diferencia entre el valor real y el

predictivo en cada instante de muestreo.

� Ventajas:

� Mayor precisión en la transmisión de señales analógicas que la PCM

diferencial.

� Aprovecha mejor el ancho de banda, ya que utiliza menos bits para

codificar las diferencias.

� Mayor velocidad de transmisión.

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Contenidos


2. Banda Base.

3. Banda Modulada.

4. Multiplexación.


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Multiplexación

� Multiplexación

� Se usa para hacer eficiente la comunicación por líneas de alta

velocidad.

� Se permite que varias fuentes de transmisión compartan una

capacidad de transmisión superior. Es decir, permite establecer

varios canales de datos en un único circuito de datos.

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Multiplexación

� Tipos de multiplexación (I)

� Por división de frecuencias, FDM (Frequency Division Multiplexing)

� Se usa con señales analógicas.

� Se asigna una banda de frecuencias a cada señal a transmitir por el

medio.

� Se emplea cuando el rango de frecuencias del ancho de banda útil del

medio supera el ancho de banda requerido por cada señal que se desea

transmitir.

� Por división de tiempo, TDM (Time Division Multiplexing)

� Se usa con señales digitales o analógicas que transportan datos digitales.

� Se transmiten los datos de diversas fuentes mediante tramas repetitivas.

� Cada trama consta de un conjunto de ranuras temporales (porciones de

tiempo), y se asigna a cada fuente una o más ranuras por trama.


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Multiplexación

� Tipos de multiplexación (II)

� Por longitud de onda, WDM (Wave Division Multiplexing)

� Se usa con señales luminosas sobre un mismo enlace de fibra óptica.

� La técnica es conceptualmente similar a la FDM, consiste en combinar

señales con frecuencias distintas. La diferencia es que en WDM las

frecuencias de las señales son muy altas comparadas con las que se

emplean en FDM.

� Por división de código, CDMA (Code Division Multiple Access)

� Es una técnica de multiplexación que consiste en transmitir varias señales

por un mismo medio compartiendo frecuencias y tiempos, pero usando

codificaciones distintas para cada señal.

� Las codificaciones se llevan a cabo empleando patrones de bits validos o

códigos de línea.

� Se emplea en transmisiones inalámbricas (Wifi 802.11n, GSM, 3G, etc.).

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Multiplexación

� Multiplexación FDM

� El ancho de banda útil del medio supera el ancho de banda

requerido del canal.

� Cada señal se modula con una frecuencia portadora diferente.

� Las frecuencias portadoras están separadas de manera que las

señales no se solapen.

� Reparte el ancho de banda del medio en ventanas de frecuencia

donde introducir espectros a transmitir de forma simultanea

� Asignación de canal, incluso si no hay datos.

� Ejemplo: La radio convencional, televisión por cable, televisión

convencional, ADSL.

nBBB ⋅∆+= )( canalmedio


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Multiplexación

� Multiplexación FDM

Multiplexación en transmisor

Señal FDM

Señal FDM

Señal moduladora en banda

base compuesta

Demultiplexación en Receptor

Señal de banda

base compuesta

Imagen cortesía de “Redes y Transmisión de Datos” P. Gil, J. Pomares, F. Candelas. Servicio de Publicaciones Universidad de Alicante,

variación de la proporcionada en “Comunicaciones y Redes de Computadores” Williams Stallings. Ed. Prentice Hall. 6º Edición (pág. 226).

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Multiplexación

� Multiplexación TDM

� La velocidad de transmisión por el medio excede la velocidad de

las señales digitales a transmitir.

� Mezcla temporal de varias señales digitales.

� El proceso de mezcla puede ser a nivel de bits o en bloques de

octetos.

� Las ranuras temporales se asignan las distintas fuentes de

manera estática (TDM síncrona) o dinámicamente (TDM

estadística).


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Multiplexación

� Multiplexación TDM síncrona

Secuencia TDMSecuencia TDM

modulada

Ranura temporal: puede estar vacía u ocupada



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Multiplexación

� Ejemplo real de trama Multiplexación TDM síncrona.

1 trama = 256 bits; 125 µs

Ranura

temporal 0Ranura

temporal 2

Ranura

temporal 1

Ranura

temporal 31

Ranura

temporal 2

Ranura

temporal 1

Ranura temporal

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Igual al anterior pero usando 31 canales de multiplexación, y PCM de 8000 muestras segundo.

Ejemplo: Se quieren multiplexar 24 canales, sabiendo que por cada canal se envía una trama de 8 bits y

que se necesita 1 bit de limitador F para determinar cada remesa o envío, y que la codificación de las

señales a enviar se realiza por PCM a una velocidad de 8000 muestras segundo.

Canal de delimitación

1 trama = 193 bits; 125 µs




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Multiplexación

� Tipos Multiplexación TDM síncrona

� Misma tasa de datos para los n dispositivos conectados.

� Estrategia: Emplear n ranuras de tiempo. De este modo, se asigna una

ranura a cada dispositivo. Si la duración en tiempo de la trama de datos

que componen los datos entremezclados es T, entonces la duración de

cada ranura de tiempo será de T/n.

� Distinta tasa de datos para los n dispositivos conectados.

� Tasa de datos distinta en los dispositivos, pero la tasa de un dispositivo es

múltiplo de la de otros.

� Estrategia: Asignación de múltiples ranuras o multiplexación

multinivel.

� Tasa de datos distinta en los dispositivos, y esas tasas no correspondan a

valores múltiplos enteros unos de otros.

� Estrategia: Inserción de pulsos también llamada inserción de bits.

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Multiplexación

� Ejemplos de estrategias en TDM síncrona (I)

TDM Síncrono tantas ranuras como dispositivos

TDM Síncrono Multinivel

TDM Síncrono con Múltiples ranuras

Imagen cortesía de “Redes y Transmisión de

Datos” P. Gil, J. Pomares, F. Candelas. Servicio

de Publicaciones Universidad de Alicante,

variación de los ejemplos proporcionados en

“Transmisión de datos y redes de

comunicaciones” Behrouz A. Forouzan. Ed. Mc.

Graw-Hill 4 º Edición (págs. 167-170).


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Multiplexación

� Ejemplos de estrategias en TDM síncrona (II)

TDM Síncrono con Inserción de bits

TDM Síncrono con ranuras vacias

TDM Estadística

Imagen cortesía de “Redes y Transmisión de

Datos” P. Gil, J. Pomares, F. Candelas. Servicio

de Publicaciones Universidad de Alicante,

variación de los ejemplos proporcionados en

“Transmisión de datos y redes de

comunicaciones” Behrouz A. Forouzan. Ed. Mc.

Graw-Hill 4 º Edición (págs. 167-170).

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Multiplexación

� Comparación TDM síncrona & TDM estadística

� En una TDM síncrona se desaprovechan muchas de las ranuras

temporales, asigna incluso sino se transmiten datos.

� La TDM estadística distribuye las ranuras de manera dinámica,

basándose en la demanda.

� La velocidad de la línea multiplexada en TDM estadística es

menor que la suma de las velocidades de las líneas de entrada.

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