Fundamentos de Transmisión de Datos y Redes: Conceptos Esenciales

Conceptos Fundamentales de Señales

Las señales son la base de la transmisión de información y se clasifican principalmente en dos tipos:

• Señales Continuas: Se corresponden con magnitudes **analógicas** y que toman valores **continuos sin saltos bruscos**.
• Señales Discretas: Utilizadas por los **sistemas digitales** y que presentan un conjunto **reducido y limitado** de valores de amplitud, generalmente 2.

<h3>Parámetros de una Señal Sinusoidal Pura</h3>
<p>La señal continua más típica es la **señal sinusoidal pura**, representada por la función: <code>g<sub>s</sub>(t) = A · sen(wt + φ)</code>.</p>
<dl>
    <dt><strong>A: Amplitud</strong></dt>
    <dd>Es el **valor máximo** que puede alcanzar la señal.</dd>

    <dt><strong>F: Frecuencia</strong></dt>
    <dd>Número de veces que se repite ese patrón en un segundo.</dd>

    <dt><strong><em>Periodo (T)</em></strong></dt>
    <dd>Es el inverso de la frecuencia: <code>T = 1/F</code>.</dd>

    <dt><strong>Frecuencia Angular (w)</strong></dt>
    <dd>Relacionada con la frecuencia por <code>w = 2πF</code>.</dd>

    <dt><strong>Fase (φ)</strong></dt>
    <dd>Produce un **adelanto** (si es +) o **retardo** (si es -) en el tiempo de la señal.</dd>
</dl>

Alteraciones de la Señal

Durante la transmisión, las señales pueden sufrir diversas alteraciones que afectan su calidad:

• Atenuación: Disminución de la **amplitud de la señal** por la distancia.
• Retardo: Distorsión de la señal debido a que la **velocidad de propagación** en las frecuencias centrales del **ancho de banda** es mayor.
• Ruido: Pérdida de la forma de la señal.
  • Ruido Térmico: Debido a la **agitación térmica** de los electrones del medio.
  • Diafonía: **Acoplamiento** entre las líneas que transportan dos señales distintas.
  • Ruido de Intermodulación: Señales de **distinta frecuencia** que comparten medio de transmisión.
  • Ruido Impulsivo: **Perturbaciones** constituidas por impulsos irregulares de **corta duración** y **gran amplitud**.

Capacidad de Transmisión del Medio

La capacidad de un medio para transmitir información se define por varios factores:

• Ancho de Banda: Determina y limita la **velocidad de transmisión**.
• Tasa de Errores: Determina el **ruido aceptable** en una transmisión.
• Capacidad Máxima del Canal (Nyquist): Se calcula como C = W · log2M, donde W es el ancho de banda y M es el número de niveles de señal.

Medios de Transmisión Guiados

Son aquellos que confinan las señales a lo largo de un camino físico:

• Hilos Desnudos: Actualmente **desaparecidos** en la mayoría de las aplicaciones modernas.
• Cables de Pares Trenzados: Constituidos por un conjunto de **conductores metálicos cilíndricos** aislados entre sí y protegidos del exterior por una cubierta común. Pueden ser **Apantallados (STP)** o **Sin Apantallar (UTP)**.
• Cable de Fibra Óptica: Se componen de un **hilo flexible de óxido de silicio** recubierto con otra capa de vidrio con un **índice de refracción menor** y protegido por una cubierta que absorbe la luz.
• Cable Coaxial: Constituido por uno o más **tubos coaxiales**, estando cada tubo formado por dos conductores de cobre. Transportan hasta **10800 circuitos de tipo analógico**.

Tipos de Transmisión de Datos

La forma en que los bits se envían a través de un medio puede ser:

• Paralelo: Los **bits de datos** se transmiten simultáneamente (ej. 8, 16, 32, 64 bits). Se alcanzan **altas velocidades**. Este tipo de transmisión es **vulnerable a interferencias**, por lo que se usa en **distancias cortas**.
• Serie: La transmisión se realiza **bit a bit**. Se consiguen **velocidades más lentas**. Esta transmisión es **más económica** y usa una única línea de datos.

Sincronización en la Transmisión

Para que el receptor interprete correctamente los datos, la transmisión debe estar sincronizada:

• Asíncrona: Utiliza **señales de temporización independientes**. Requiere **bits adicionales** (de inicio y fin) para la sincronización.
• Síncrona: Utiliza una **señal de temporización común**. No necesita bits adicionales de inicio/fin, pero puede requerir una **línea de transmisión adicional** para el reloj.

Modos de Comunicación Punto a Punto

La dirección del flujo de datos entre dos puntos define el modo de comunicación:

• Simplex: La comunicación se realiza en **una única dirección**. Ejemplos: sensores, dispositivos de medida o periféricos de entrada/salida.
• Half Duplex: La comunicación se realiza en **ambas direcciones**, pero en **distintos instantes de tiempo**. Ejemplo: los walkie-talkies.
• Full Duplex: La comunicación se realiza **simultáneamente en ambas direcciones**. Ejemplo: el sistema telefónico.

Codificación de la Información

Codificación Analógica: Modulación

Consiste en **desplazar el ancho de banda** de la señal. Implica el uso de una **onda portadora** que es modificada por una **onda moduladora** para generar una **onda modulada**.

<h3>Codificación Digital: Modulaciones por Desplazamiento</h3>
<p>Transforman datos digitales en señales analógicas para su transmisión:</p>
<ul>
    <li>
        <strong>ASK (Amplitude Shift Keying):</strong>
        <ul>
            <li><strong>Valor 0:</strong> <code>f(t) = 0</code></li>
            <li><strong>Valor 1:</strong> <code>f(t) = A<sub>0</sub>·sen(wt)</code></li>
        </ul>
    </li>
    <li>
        <strong>FSK (Frequency Shift Keying):</strong>
        <ul>
            <li><strong>Valor 0:</strong> <code>f(t) = A<sub>0</sub>·sen(w<sub>1</sub>·t)</code></li>
            <li><strong>Valor 1:</strong> <code>f(t) = A<sub>0</sub>·sen(w<sub>2</sub>·t)</code></li>
        </ul>
    </li>
    <li>
        <strong>PSK (Phase Shift Keying):</strong>
        <ul>
            <li><strong>Valor 0:</strong> <code>f(t) = A<sub>0</sub>·sen(wt + 0º)</code></li>
            <li><strong>Valor 1:</strong> <code>f(t) = A<sub>0</sub>·sen(wt + 180º)</code></li>
        </ul>
    </li>
    <li>
        <strong>QPSK (Quadrature Phase Shift Keying):</strong>
        <ul>
            <li><strong>Valor 00:</strong> <code>A·sen(wt + 45º)</code></li>
            <li><strong>Valor 01:</strong> <code>A·sen(wt + 135º)</code></li>
            <li><strong>Valor 10:</strong> <code>A·sen(wt - 135º)</code></li>
            <li><strong>Valor 11:</strong> <code>A·sen(wt - 45º)</code></li>
        </ul>
        <p>Donde <code>w = 2πf</code> (frecuencia angular).</p>
    </li>
</ul>

Codificación de Línea para Transmisión Digital

Métodos para representar bits digitales como señales eléctricas o lumínicas:

Codificación Polar:

• NRZ (Non Return Zero): Representa los bits directamente con niveles de voltaje.
• NRZI (Non Return Zero Inverted): Representa las **transiciones** (cambios de nivel) en lugar de la información directa.

Codificación Bifase:

• Manchester: Representa cada bit con una **transición en el centro del intervalo**. Si es de bajo a alto, cambia; si es de alto a bajo, mantiene. Es un **código autosincronizado**.

Nota: El código NRZ puede **perder información** en secuencias largas de ceros o unos debido a la falta de transiciones para la sincronización.

Multiplexación

La multiplexación son **procedimientos para compartir el ancho de banda** de un medio de transmisión entre múltiples señales.

Los tipos principales son la **Multiplexación por División de Frecuencia (FDM)** y la **Multiplexación por División de Tiempo (TDM)**.

Involucra dos procesos clave: la **multiplexación** (al principio de la transmisión) y la **demultiplexación** (al final, para separar las señales).

Protocolos y Control de Enlace de Datos

Un protocolo es un **conjunto de reglas formales** mediante las cuales se establece el **formato de los datos**, la **temporización**, la **secuenciación**, el **control de acceso** y el **control de errores**, entre otros.

Se caracteriza por:

• Sintaxis: Define el **formato de los datos**, la **codificación** y los **niveles de señal**.
• Semántica: Se ocupa de la **sincronización**, el **control** y el **tratamiento de errores**.
• Temporización: Controla la **secuencia de datos** y selecciona la **velocidad** con que los datos se van poniendo en la red.