Fundamentos Esenciales de la Capa Física: Transmisión, Ruido y Codificación de Redes

El Nivel Físico (Capa 1 del Modelo OSI)

El nivel físico se encarga de la transmisión y recepción de un flujo de bits sin procesar a través de un medio de comunicación.

Funciones Principales

• Transmisión de información entre emisor y receptor.
• Especificaciones mecánicas, eléctricas y procedimentales de los elementos físicos (conectores, voltajes, etc.).

Aspectos Clave

• Método de codificación.
• Sincronización entre emisor y receptor.
• Velocidad de la información (tasa de bits).
• Topología física y configuración de la línea.
• Tipo de transmisión (simplex, dúplex, semidúplex).
• Tipos de interfaz.
• Señal a transmitir:
  • Tipo (analógica/digital).
  • Naturaleza.
  • Ancho de banda.
  • Modulación y multiplexación.

Ruido en la Transmisión de Datos

Toda aquella señal no deseada que se inserta en la señal útil durante su propagación entre el emisor y el receptor, degradando la calidad de la comunicación.

Tipos de Ruido

• Ruido Térmico: Generado por la agitación aleatoria de los electrones dentro de un conductor.
• Ruido de Intermodulación: Aparece cuando señales de diferentes frecuencias comparten un medio no lineal, generando nuevas frecuencias que son la suma y la diferencia de las frecuencias originales.
• Diafonía (Crosstalk): Interferencia causada por el acoplamiento no deseado de energía entre diferentes líneas de transmisión adyacentes.
• Ruido Impulsivo: Consiste en pulsos discontinuos de corta duración y alta amplitud, a menudo causados por perturbaciones externas (ej. fallas eléctricas).

Técnicas de Modulación

La modulación es el proceso de variar una o más propiedades de una onda portadora (amplitud, frecuencia o fase) con una señal moduladora para transmitir información.

Modulación Analógica

Incluye:

• AM (Amplitude Modulation): Modulación por Amplitud.
• FM (Frequency Modulation): Modulación por Frecuencia.
• PM (Phase Modulation): Modulación por Fase.

Modulación Digital Básica

Modulación Lineal

ASK (Amplitude Shift Keying)

Modulación por desplazamiento en amplitud.

• Una de las amplitudes es cero.
• Es sensible al ruido.

Modulación Angular

FSK (Frequency Shift Keying)

Modulación por desplazamiento de frecuencia.

• Menos sensible a errores que ASK.
• Habitual en líneas telefónicas de alta calidad.

PSK (Phase Shift Keying)

Modulación por desplazamiento de fase.

Los datos se representan mediante un desplazamiento fijo y predefinido en la fase de la portadora.

DPSK (Differential Phase Shift Keying)

PSK diferencial.

Variación en la cual se toma el ángulo de fase del intervalo anterior como referencia para medir la fase del intervalo siguiente.

Modulación Combinada

QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

Modulación en amplitud por cuadratura.

Combina las técnicas ASK y PSK para aumentar la eficiencia espectral.

QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)

Modulación por desplazamiento de fase en cuadratura.

Permite utilizar el ancho de banda de manera más eficaz al transmitir dos bits por símbolo.

Sincronización en la Transmisión

El proceso de asegurar que el receptor y el emisor operen a la misma velocidad y en el mismo punto de referencia temporal.

Tipos de Sincronismo

Sincronismo de Bit

Determina exactamente dónde comienza y dónde finaliza el tiempo destinado para transmitir cada bit individual.

Sincronismo de Carácter

El receptor determina qué número de bits leídos pertenecen a un mismo carácter o byte.

Sincronismo de Bloque

El receptor determina qué conjunto de caracteres corresponde a una misma unidad de datos o bloque.

Codificación de Línea (Line Coding)

Métodos utilizados para convertir una secuencia de bits de datos en una señal física que se pueda transmitir a través de un medio.

NRZ Unipolar

Nivel positivo para el bit '1', ausencia de nivel (cero voltios) para el bit '0'.

NRZ-L (Non-Return to Zero - Level)

Nivel positivo para el bit '1', nivel negativo para el bit '0'.

NRZI (Non-Return to Zero - Inverted)

La inversión de la señal implica un '1'; la continuidad de la misma implica un '0'.

RZ (Return to Zero)

El bit '1' se representa con una transición de nivel alto a nivel bajo en la mitad del intervalo de duración del bit. El bit '0' se representa mediante la ausencia de transición.

Manchester

La transición sirve como procedimiento de sincronización y de transmisión de datos. Una transición de menor a mayor voltaje implica un '1', y de mayor a menor implica un '0'.

Manchester Diferencial

La transición solo sirve para la sincronización. La transición al principio del intervalo de bit representa un '0'; la ausencia de transición al principio representa un '1'.

Bipolar – AMI (Alternate Mark Inversion)

El bit '0' es una ausencia de señal (cero voltios). El bit '1' es un pulso positivo o negativo, pero siempre con polaridad alternante respecto al '1' anterior.

B8ZS (Bipolar with 8-Zero Substitution)

Si aparecen ocho ceros consecutivos, se codifican de diferente forma (introduciendo violaciones bipolares) dependiendo de la polaridad del pulso '1' anterior, asegurando la sincronización.

Técnicas de Multiplexación

Proceso que permite combinar múltiples señales de información en una sola señal compleja sobre un medio de transmisión compartido.

Multiplexación por División de Tiempo (TDM)

Se divide el tiempo en ranuras o slots consecutivos que se repiten periódicamente, asociando cada slot con un canal de transmisión.

• TDM (Time Division Multiplexing): La reserva de slots es fija. Si algún canal no transmite, su slot se desaprovecha.
• TDMA (Time Division Multiple Access): Acceso múltiple por división de tiempo. Implica una reserva dinámica de slots.

Multiplexación por División de Frecuencia (FDM)

Se divide el ancho de banda total disponible entre las comunicaciones a transmitir simultáneamente. Todas las estaciones pueden transmitir durante todo el tiempo, pero al disponer de menos ancho de banda, deben hacerlo más lentamente.

• FDM (Frequency Division Multiplexing): La reserva de frecuencias es fija.
• FDMA (Frequency Division Multiple Access): Acceso múltiple por división de frecuencia. Implica una reserva de frecuencias variable.

Multiplexación por División de Longitud de Onda (WDM)

Similar a la multiplexación por frecuencia, pero se utiliza específicamente en comunicaciones ópticas (fibra óptica).

• WDM (Wavelength Division Multiplexing): Multiplexación por división en longitud de onda.
• WDMA (Wavelength Division Multiple Access): Acceso múltiple por división en longitud de onda.

Multiplexación por División de Código (CDM)

Se transforma cada señal de origen aplicando fórmulas matemáticas, multiplicándola por un código (llamado chip) que debe ser conocido por origen y destino. El código es distinto para cada estación. Si se multiplica un chip por sí mismo se obtiene el número de estaciones.

Multiplexación Estadística (STDM)

Se calcula el tiempo de uso del canal para cada transmisión basándose en la experiencia de uso del medio compartido, asignando dinámicamente el ancho de banda solo cuando es necesario.

Medios de Transmisión Físicos (Cables)

Par Trenzado

• Longitud Máxima: UTP (No Apantallado) 100 m / STP (Apantallado) 300 m.
• Velocidad Típica: 100 Mbps (o superior, dependiendo de la categoría).
• Costo: Barato.

Cable Coaxial

• Longitud Máxima: Fino (Thinnet) 200 m / Grueso (Thicknet) 500 m.
• Velocidad Típica: 10 Mbps.
• Costo: Medio.

Fibra Óptica

• Longitud Máxima: 2 km a 40 km.
• Velocidad Típica: 10 Gbps hasta 100 Tbps.
• Costo: Alto.

Aspectos Importantes a Considerar

• Instalación y mantenimiento.
• Aislamiento y resistencia a interferencias.
• Diafonía (Crosstalk).
• Velocidad de transmisión y latencia.
• Atenuación (pérdida de señal).