Fundamentos de la Transmisión de Datos: Señales, Medios y Técnicas

Fundamentos de la Transmisión de Datos

Datos: entidades que transportan algún significado.

1. Datos analógicos: valores continuos dentro de un intervalo (sonido, video).
2. Datos digitales: valores discretos (texto, enteros).

Señales: representación eléctrica o electromagnética de los datos.

1. Señales continuas (analógicas).
2. Señales discretas (digitales).

Transmisión: comunicación de datos por propagación y procesado de la señal. Medios Guiados (cable) y Medios no guiados.

Conceptos asociados al dominio del tiempo

• Señales continuas o analógicas: Pueden tomar cualquier valor dentro de un rango determinado (en el rango -5,5, puede tomar -4.2, -3.3, -2.1 ,-2.6 ....1, 2..5).
• Señal discreta o digital: Una señal es digital, solo es capaz de tomar un número finito de valores (Ej. 1 y 0).
• Señal periódica: Repite un patrón a lo largo del tiempo. Este tiempo se denomina T (periodo).
• Señal no periódica: No repite un patrón a lo largo del tiempo.

Las señales sinusoidales son las señales continuas fundamentales para la representación de señales electromagnéticas.

Parámetros de una señal periódica

1. A - Amplitud máxima (energía en voltios): Es el valor máximo de la señal en el tiempo.
2. f - Frecuencia: Cantidad de periodos o ciclos en un segundo (ciclos por segundo o Hertzios Hz).
3. T - Periodo
4. Fase: La fase describe la posición de la forma de onda relativa al instante de tiempo 0.

Longitud de onda: es la distancia que una señal simple puede viajar en un periodo. Depende de la frecuencia y del medio.

Velocidad de propagación: La velocidad de propagación de la señal en el medio en que se transmite es siempre una constante. A mayor frecuencia, menor longitud de onda y viceversa.

Ancho de Banda

El ancho de banda de una señal compuesta es la diferencia entre la frecuencia más alta y más baja contenida en una señal. Sea fh la frecuencia alta, fl la frecuencia baja y B el ancho de banda: B = fh - fl

Ancho de Banda Digital

El ancho de banda digital mide la cantidad de información que puede fluir desde un lugar hacia otro en un período de tiempo determinado. El ancho de banda generalmente se mide en kilobits por segundo (kbps) o megabits por segundo (Mbps). Cuando hablamos del ancho de banda coloquialmente nos estamos refiriendo al ancho de banda digital.

Perturbaciones en la transmisión

Atenuación

Cuando una señal viaja a través de un medio, pierde energía para vencer la resistencia del medio. Para compensar esta pérdida se usan amplificadores de señal.

Distorsión de Retardo

Debido a que en medios guiados, la velocidad de propagación de una señal varía con la frecuencia, hay frecuencias que llegan antes que otras dentro de la misma señal y => las diferentes componentes en frecuencia de la señal llegan en instantes diferentes al receptor. Para atenuar este problema se usan técnicas de ecualización.

Ruido

• Térmico: Debido al movimiento aleatorio de electrones en un cable que crea una señal extra no enviada originalmente por el transmisor.
• Inducido por interferencias electromagnéticas:
  • Diafonía o crosstalk: Interferencia entre señales debido al efecto de un cable sobre otro.
  • Impulsivos: pulsos discontinuos de poca duración y de gran amplitud que afectan a la señal. Viene de líneas de potencia, iluminación, etc.

Teoremas de Nyquist y Shannon

Capacidad del canal

Es la velocidad máxima que se puede alcanzar sobre un determinado circuito, es decir, el número máximo de bits que se transmiten en un segundo y viene en función del ancho de banda de la señal y del ruido que presente.

Teorema de Nyquist

Para una línea ideal sin ruido es: HC=2Wlog2n. W- ancho de banda, C- capacidad del canal, N- número de estados posibles de señalización en la línea.

Teorema de Shannon

Para línea no ideal con ruido C=Wlog2 (1+S/N) donde S/N es la relación señal/ruido.

Multiplexación

Transmisión simultánea, a través de un canal físico, de múltiples señales analógicas o digitales. Es una técnica utilizada para combinar en un mismo canal, señales de diferentes emisores y con destino uno o varios receptores.

Multiplexación en la frecuencia (FDM)

Los canales lógicos comparten un único canal físico, es decir, a cada canal lógico se le asigna una banda de frecuencia centrada en una señal portadora sobre la que se modulará el mensaje. Entre dos bandas de frecuencias consecutivas se establecerá una banda de seguridad, con el fin de evitar las interferencias. Cada canal lógico tendrá menor ancho de banda que todo el canal físico.

Multiplexación en el tiempo (TDM)

Los canales lógicos se asignan repartiendo el tiempo de uso del canal físico entre los distintos emisores, estableciendo slots o ranuras temporales. Cada ranura en el tiempo utiliza todo el ancho de banda del canal.

Técnicas combinadas

Combinación de multiplexación de frecuencias y tiempo.

Multiplexación por longitud de onda

Usada sobre fibra óptica.

Tipos de transmisión: simplex, semiduplex, duplex, síncronas o asíncronas, serie, paralelo, analógicas, digitales, banda base y banda ancha.

Medios de transmisión

El medio de transmisión constituye el soporte físico a través del cual emisor y receptor pueden comunicarse en un sistema de transmisión de datos.

Tipos de medios

1. Medios guiados: conducen las ondas a través de un campo físico (cables).
2. Medios no guiados: proporcionan un soporte para que las ondas se transmitan, pero no las dirigen (cómo es el aire, el mar o el vacío).

Par Trenzado

Estructurado

Formado por dos conductores de hilo de cobre. Cada conductor posee un aislamiento de plástico que lo recubre. Se trenzan para reducir las interferencias eléctricas con respecto a los pares cercanos y a otras interferencias procedentes del exterior.

Ejemplos

Red Telefónica (bucle de abonado), Redes de Datos (LAN y DSL)

Conectores

RJ45 – Redes de área local, RJ11 – Líneas telefónicas.

Características

El trenzado hace que el cable sea más resistente mecánicamente. Ambos hilos se ven afectados igualmente por interferencias y ruidos externos -> señales no deseadas se cancelan. La velocidad de transmisión disminuye rápidamente con la distancia (atenuación). Debido a su fácil instalación, velocidad de transmisión y bajo coste son los más utilizados en la actualidad. Principales parámetros que influyen en las características del cable: Grosor, número de vueltas del trenzado, impedancia, material de recubrimiento, protección frente a tracciones.

Blindaje

Es la envoltura metálica que aísla el cable de ruidos e interferencias externas.

Tipos de cables

1. Apantallados: Está protegido de las interferencias eléctricas externas por acción de un conductor eléctrico externo al cable, por ejemplo, una malla metálica. STP (Shielded Twisted Pair), FTP (Foiled Twisted pair), SFTP.
2. No apantallados: UTP (unshielded twisted pair)

Cable Coaxial

Estructura

Un conductor central, recubierto de un material dieléctrico, rodeado a su vez por una hoja exterior de metal semiconductor, malla o una combinación de ambas. Externamente tiene un recubrimiento plástico, que sirve de aislante.

Conectores

BNC (Bayonet, Network, Connector).

Características

Transporta señales con mayor ancho de banda que los pares trenzados. La atenuación con la distancia es menor. La protección contra interferencias externas es mayor. Es económico pero más caro que el par trenzado. Fácilmente instalable, aunque más complicado que el par trenzado.

Tipos

1. Cable coaxial en banda base: Se utilizó para las primeras redes locales, Ethernet IBM, PC-NET.
2. Cable coaxial de banda ancha: Puede transportar entre 50 y 100 canales de televisión. Este tipo de medio es muy utilizado en televisión por cable (CATV, Cable TeleVision).

Fibra Óptica

Consiste en dos cilindros coaxiales de vidrios transparentes y de diámetros muy pequeños. El cilindro interior se denomina núcleo y el exterior se denomina envoltura. El índice de refracción del núcleo es algo mayor que el de la envoltura. La luz emitida debe incidir con un cierto ángulo para que se refracte y transite por la fibra hasta llegar al receptor. Si el ángulo es mayor el rayo se refleja.

Características

Filamento de cristal (silicio), que posee un núcleo central con un índice alto de refracción. Se recubre por un material similar con un índice de refracción menor. Esta estructura se cubre con un material aislante para evitar interferencias de filamentos adyacentes y protección al núcleo.

Ventajas

No se ve afectada ante campos electromagnéticos externos. Alto ancho de banda, permitiendo velocidades de transmisión elevadas (100Gbps). Baja atenuación con la distancia, ideal para largas distancias.

Inconvenientes

Coste de instalación, Fragilidad. La fibra óptica se utiliza para interconectar continentes. En ocasiones estos cables se instalan en el fondo marino.

Monomodo

Si tiene un diámetro pequeño, los rayos de luz viajarán por el mismo camino a lo largo del núcleo. Este tipo de fibra proporciona un alto ancho de banda y velocidad de transmisión. Resulta muy difícil el acoplamiento de transmisores, conectores y otros dispositivos.

Multimodo

Si tiene un núcleo mayor, la luz puede viajar por muchos caminos diferentes entre el punto de entrada y de salida, dependiendo de sus longitudes de onda y del ángulo de inserción. Presenta menores prestaciones que la anterior, pero una mayor facilidad y conexionado. Dos tipos: Índice gradual, Índice escalonado.

Medios inalámbricos

Son medios no guiados que basan su funcionamiento en la radiación de energía electromagnética. Se puede considerar que hay 4 tecnologías: Ondas de radio, Microondas, láser, infrarrojos.

Configuraciones

Existen dos configuraciones para la emisión y recepción de la energía:

• Direccional: Toda la energía se concentra en un haz que es emitido en una dirección por lo que el emisor y receptor se encuentren alineados.
• Omnidireccional: La energía es dispersada en todas las direcciones por lo que varias antenas pueden captarlas.

La frecuencia a la que radia la energía determinará si es más factible un modo de transmisión u otro.

• Para transmisión direccional (punto a punto): Microondas de alta frecuencia, Láser. Los infrarrojos se utilizan a muy corta distancia.
• Para enlaces con varios receptores: Ondas de radio (bajas frecuencias), Microondas de baja frecuencia.

Radio

Las ondas de radio utilizan la banda del espectro extendido comprendido entre los 10 kHz y 1 GHz.

Características

Movilidad, Facilidad de conexión a la red, Facilidad de ampliación, Facilidad de integración con redes de cable.

Ventajas

Las ondas de radio pueden atravesar paredes. Si queremos conectividad en un edificio entero esto es una ventaja.

Inconvenientes

Pero, si queremos solo una habitación será desventaja. Dos comunicaciones de distinta tecnología que utilicen la misma banda (por ej. WI-FI Y Bluetooth) pueden interferirse destructivamente.

Microondas

Son consideradas microondas aquellas que utilizan la banda de frecuencia de 1 a 300 GHz. Las microondas de alta frecuencia son unidireccionales. Transmisor y receptor se tienen que alinear de forma precisa.

Características

Propagación por línea de vista. Las torres de las antenas deben ser muy altas, debido a la curvatura de la Tierra. Las microondas de frecuencia muy alta no penetran las paredes.

Infrarrojos

Se encuentran en la banda entre los 200 GHz y 400 THz. Estas ondas se utilizan para corto alcance porque no puede atravesar paredes. -> Evita interferencias entre dos sistemas que utilicen el mismo medio (nuestro mando de control remoto no interfiere con el del vecino). Su utilización es direccional y en interiores, dado que el sol interfiere con las comunicaciones.

Láser

Es una vía de comunicación inalámbrica.

Características

Uso direccional con emisor y receptor perfectamente alineados. No pueden penetrar paredes.

Ventajas

Pueden utilizarse en exteriores, por lo que es común encontrar su uso para conectar redes de dos edificios que tengan visión directa entre ellos.

Desventajas

Elevado coste de los equipos. La gran influencia de los fenómenos meteorológicos sobre las comunicaciones.

Cableado estructurado

Conceptos básicos

El cableado estructurado es la técnica que permite cambiar, identificar y mover periféricos o equipos de una red con flexibilidad y sencillez. Según esta definición, una solución de cableado estructurado debe tener dos características: modularidad, que sirve para construir arquitecturas de red de mayor tamaño sin incrementar la complejidad del sistema, y flexibilidad, que permite el crecimiento no traumático de la red.

No estructurado

Red pequeña: un concentrador en la pared y cables de distinta longitud, que normalmente van por el suelo -> Esto no es cableado estructurado. Problemas: Tropiezo con los cables, cortes no intencionados, no hay canaletas ->difícil mantenimiento: alargar o empalmar cables canaletas -> introducción de ruidos, rotura de conector canaletas -> cortar cable y añadir conector nuevo canaletas -> cable corto, difícil hacer ampliaciones (añadir más equipos o interconectar redes).

Subsistemas de un cableado estructurado

• Subsistema de campus: Conecta varios edificios dentro de la red de una universidad o empresa.
• Subsistema vertical o troncal: Conecta varias plantas dentro del mismo edificio.
• Subsistema horizontal: Se encarga de las conexiones dentro de la misma planta.
• Área de trabajo: Zona donde están los distintos puestos de trabajo de la red.

Para interconectar todo estos elementos tenemos los armarios de distribución, donde están situados los elementos de interconexión.

Área de Trabajo

Es el punto de conexión entre los dispositivos (ordenadores, impresoras,...) y las rosetas, en las que se encuentran alojados conectores RJ11 (para voz) y RJ45 (para datos). Regla de dimensionamiento: Se puede considerar una densidad máxima que oscila entre cuatro y seis metros cuadrados por puesto en áreas abiertas. En el caso de despachos se deberá tener en cuenta el uso al que está destinados.

Subsistema Horizontal

Se trata del sistema de cableado que, partiendo de los armarios de distribución de planta, llega a las rosetas (puntos de conexión) situadas en la pared y en las que el usuario conecta su terminal (de voz o datos). Las canaletas van desde el armario de distribución de planta hasta cada uno de los puestos de la red. Se pueden dividir en dos tipos: –Canaletas de distribución –Canaletas finales. Armario de Distribución de Planta: contiene todos los elementos de interconexión de la red, hub, switches, routers. Estos se encuentran montados en los armarios en rack. La distancia máxima en un cable horizontal es de 90 m sin incluir el cable que se necesita para conectar el equipo a la toma de red. Si es necesario más hay que añadir más racks.

Subsistema Troncal (Vertical o Backbone)

Se trata del subsistema de cableado que interconecta las plantas del edificio convirtiéndose en la espina dorsal, a partir de la cual se distribuyen las conexiones de cada planta. Este subsistema interconecta los armarios de distribución de cada planta con el armario principal de distribución del edificio. Armario de distribución del edificio: En este punto confluyen todas las conexiones del edificio.

Cableado de Campus

El cableado de Campus siempre constituye una red local por sí mismo. Para ello dispone de equipos específicos de transmisión instalados en todos los edificios que interconecta, y es a estos equipos a los que se deberá conectar la red local del edificio.

Cableado estructurado

Cuartos de comunicaciones, Conectores y tomas de red, Armarios de comunicaciones, Canalizaciones, Herramientas: Cortadoras y peladoras de cable, Crimpadoras, Insertadoras (crimpadoras de impacto), Tester de cable. Creación de cable: estándar EIA/TIA 568B, Define los tipos de cables, distancias, conectores, arquitecturas, terminaciones de cables y características de rendimiento. Dos subestándares: 568A y 568 B. Mezclar el parche terminador 568A con los cables horizontales 568 B que pueden degradar ligeramente la calidad de la señal.

Tipos de transmisión

Comunicaciones Símplex, Semidúplex, Dúplex

Las comunicaciones se pueden agrupar en tres grandes apartados dependiendo del régimen de explotación: comunicación símplex, semidúplex y dúplex.

• Comunicación Símplex: Una comunicación es símplex si están perfectamente definidas las funciones del emisor y el receptor y la transmisión de datos siempre se efectúa exclusivamente en una dirección: de emisor a receptor. La distribución de señales de televisión analógica es un claro ejemplo de comunicación símplex. La estación emisora transmite las señales a los receptores de televisión sin que haya posibilidad de que éstos interactúen con la estación emisora. En este tipo de comunicación se dice que hay un único canal físico y un único canal lógico unidireccional.
• Comunicación Semidúplex: La comunicación es semidúplex o halfduplex si puede ser bidireccional, es decir, emisor y receptor pueden intercambiarse los papeles, pero sin simultaneidad. Cuando el emisor transmite el receptor necesariamente recibe. Posteriormente el receptor puede ejercer como nuevo emisor con la condición de que el antiguo emisor se convierta de nuevo en receptor. Un ejemplo clásico de comunicación semidúplex son las emisiones de radioaficionados donde se emplean códigos vocales (“cambio”) para que se produzca el cambio de los papeles de emisor y receptor. En la comunicación semidúplex hay un solo canal físico y un canal lógico bidireccional.
• Comunicación Dúplex: En los sistemas dúplex, la comunicación es bidireccional y además simultánea. En este tipo hay un canal físico y dos canales lógicos.

Transmisiones síncronas y asíncronas

Sincronismo es un procedimiento mediante el cual el emisor y el receptor se ponen de acuerdo sobre el instante preciso en el que comienza o acaba una información que se ha puesto en el canal. Por tanto, la sincronización requiere la definición común de una base de tiempos sobre la que medir los distintos eventos que ocurren durante la transmisión. Un error de sincronismo implicará la imposibilidad de interpretar correctamente la información a partir de las señales que viajan por el medio.

• Transmisión Asíncrona: Una transmisión es asíncrona cuando el proceso de sincronismo entre el emisor y el receptor se establece en cada palabra de código transmitido. Imaginemos que la línea de transmisión está en reposo cuando tiene el nivel lógico 1. una manera de informar al receptor de que va a llegar un carácter es anteponer a ese carácter un bit de arranque (bit de start) con el valor lógico 0. Cuando este bit llegue al receptor, éste disparará un reloj interno y se quedará esperando por los sucesivos bits que contendrán la información del carácter transmitido. Una vez recibidos todos los bits informativos se añaden uno o más bits de parada (bit de stop) de nivel lógico 1, que repondrán la línea de datos a su estado inicial, dejándola preparada para la transmisión del siguiente carácter. Entre cualesquiera dos caracteres es posible mantener la línea en reposo tanto tiempo como sea necesario.
• Transmisión Síncrona: En las transmisiones síncronas los datos se emiten en intervalos de tiempo específico controlados por un reloj. Esto exige que los dos extremos de la comunicación sincronicen sus relojes con objeto de asegurar una duración del bit constante e igual en ambos extremos. En las transmisiones síncronas se suelen utilizar caracteres especiales para evitar problemas de pérdida de sincronía en los caracteres informativos transmitidos. El carácter especial de sincronía es SYN (0010110).

Transmisiones Serie y Paralelo

• Transmisión en Serie: La información se transmite por una única línea en forma consecutiva uno detrás del otro. En este tipo, de transmisión los bits se transmiten en cadena por la línea de datos a una velocidad constante negociada por el emisor y el receptor. La información le llega al receptor bit a bit. Es la más adecuada en transmisiones a largas distancias. Un ejemplo es la conexión de un ordenador a un módem o del puerto serie de un ordenador personal con el ratón.
• Transmisión en Paralelo: En un instante de tiempo dado se transmiten simultáneamente varios bits. Con canales de igual capacidad, la transmisión paralela es más rápida que la transmisión serie, para una misma tecnología de transmisión en los medios conductores, una transmisión en paralelo será n veces más rápida que su equivalente en serie, donde n es el número de líneas. Sin embargo, la complejidad de un canal paralelo y los condicionamientos eléctricos dificultan el empleo de este tipo de canales en grandes distancias, por lo que suelen utilizarse en ámbitos locales, como en la conexión de un ordenador personal con su impresora.

Transmisiones Analógicas y digitales

• Transmisión Analógica: Si la señal es analógica, capaz de tomar todos los valores dentro de un rango (en el rango -5,5, puede tomar -4.2, -3.3, -2.1 ,-2.6 ....1, 2..5) se dice que la transmisión es analógica.
• Transmisión Digital: Si la señal es digital, solo es capaz de tomar un número finito de valores (Ej. 1 y 0) y por eso se dice que la transmisión es digital. Una señal cualquiera viene definida por tres características: su amplitud que es el valor máximo de la señal en un intervalo; su frecuencia, que determina el intervalo de tiempo en que la señal se repite y su fase, que indica el intervalo de tiempo que va desde el instante inicial al primer punto donde la señal toma el valor 0.