Fundamentos de Transmisión de Datos, Señales y Redes de Comunicación

Introducción a las Señales y Medios de Transmisión

Una señal es una función que depende del tiempo y transmite información. Existen diferentes tipos de señales y conceptos clave en su estudio:

• Señal continua: La intensidad de la señal varía de forma suave (por ejemplo, la voz), sin saltos abruptos.
• Señal discreta: La intensidad es constante durante un intervalo de tiempo y luego salta a otro valor.
• Señal periódica: Un patrón que se repite en el tiempo.
• Conceptos del dominio de frecuencia:
  • Frecuencia fundamental: Frecuencia base de la cual el resto son múltiplos.
  • Armónicos: Múltiplos enteros de la frecuencia fundamental.
  • Espectro: Conjunto de frecuencias que componen una señal.
  • Ancho de Banda Absoluto (AB absoluto): Anchura total del espectro.
  • Ancho de Banda Efectivo: Banda de frecuencias que contiene la mayor parte de la energía de la señal.
• Filtros: Utilizados para eliminar frecuencias específicas de una señal (pasan por bajo, alto, banda, o de sintonía).
• Alteraciones en la transmisión:
  • Ruido: Señal no deseada que se suma a la señal original. Una mejor calidad de señal se obtiene a mayores decibelios (dB). Incluye diafonía, ruido impulsivo y ruido térmico.
  • Atenuación: Pérdida de potencia de la señal debido a la distancia.
  • Distorsión por retardo: Los componentes de frecuencia llegan en diferentes instantes.
• Canal: Medio a través del cual propagamos la señal. La capacidad del canal (v_t) determina la velocidad a la que se pueden transmitir datos en él.
• Transmisión:
  • Datos: Contienen información.
  • Señales: Representación eléctrica de los datos.
  • Transmisión: Comunicación de datos mediante la propagación y procesamiento de señales.
• Tipos de señales:
  • Señales analógicas: Onda electromagnética que varía de forma continua y es amplificable.
  • Señales digitales: Secuencia de pulsos de tensión transmitidos por un cable, regenerados mediante repetidores.
• Ventajas de la transmisión digital: Tecnología más barata, mayor integridad de datos, multiplexación eficiente, mayor seguridad y privacidad, y facilidad de integración.

Medios de Transmisión

• Medios guiados: Par trenzado, fibra óptica, cable coaxial.
• Medios no guiados: Microondas, ondas de radio, infrarrojos.

Comparativa: Fibra Óptica frente a Coaxial/Par Trenzado

La fibra óptica ofrece mayor ancho de banda, menor peso, tamaño y atenuación, aislamiento electromagnético superior y mayor separación entre repetidores.

Técnicas y Modos de Transmisión

• WDM (Multiplexación por División en Longitud de Onda): Divide el ancho de banda del canal en subcanales mediante haces de distinta longitud de onda transmitidos por la misma fibra. Evoluciona a DWDM para mayor cantidad de canales y capacidad.
• Modos de transmisión: Símplex o semidúplex, y dúplex.
• Configuración del medio guiado: Punto a punto y multipunto.

Codificación y Modulación

Aspectos a tener en cuenta al transmitir información: polaridad (codificación de 0s y 1s según el valor de tensión), espectro de la señal, sincronización (necesaria para determinar el inicio y fin de cada bit y sincronizar emisor y receptor), detección de errores, inmunidad al ruido, y coste o complejidad.

Conversión de Datos Digitales a Señales Analógicas

Combina la señal moduladora con una portadora a frecuencia $f_c$ para producir una señal modulada centrada en dicha frecuencia (módems). Técnicas principales:

• ASK (Desplazamiento de Amplitud): Dos valores binarios se representan con dos amplitudes diferentes de la portadora (usado en fibra).
• FSK (Desplazamiento de Frecuencia): Dos valores binarios se representan con dos frecuencias diferentes próximas a la portadora; es más robusta que ASK.
• PSK y DPSK (Desplazamiento de Fase): La fase de la señal portadora se desplaza para representar datos digitales.

Tipos de modulación:

• Directa: Un elemento de señal representa un bit (número de valores modulados igual al número de valores moduladores).
• Multinivel: Un elemento de señal representa más de un bit. Ejemplos: QPSK (desplazamiento múltiple de 90º) y QAM (modulación de amplitud en cuadratura, que combina ASK y DPSK ofreciendo buena resistencia al ruido y mejor aprovechamiento del ancho de banda).
• Baudio ($V_m$): Cambios de señal (elementos) por segundo.

Conversión de Datos Analógicos a Señales Digitales

Consiste en la digitalización de datos (codificación). Requiere el teorema de muestreo: si una señal $s(t)$ se muestrea a intervalos regulares de tiempo con una frecuencia mayor al doble de la frecuencia más alta de la señal, las muestras obtenidas contienen toda la información de la señal original.

Pasos del proceso:

1. Filtro paso bajo.
2. Muestreo: obtención de muestras analógicas (señales PAM).
3. Cuantificación y codificación digital (PCM: Modulación por Codificación de Impulsos).

Conversión de Datos Analógicos a Señales Analógicas

Se realiza por motivos como lograr una transmisión más efectiva que requiera frecuencias mayores, o para utilizar multiplexación en frecuencia (FDM). Técnicas principales: modulación de amplitud (AM), de frecuencia (FM) y de fase (PM).

Transmisión de Datos

En el envío de información entre emisor y receptor es imprescindible mantener el sincronismo y distinguir el final de una unidad de información del inicio de la siguiente.

• Sincronismo a nivel de bloque: Caracteres especiales indican el inicio y fin de un bloque (trama).
• Sincronismo a nivel de carácter: Define el número de bits que forman un carácter.
• Sincronismo a nivel de bit: El objetivo es mantener dos relojes sincronizados. Una solución es el envío de dos señales: información y reloj.
• Transmisión Asíncrona: Envío ininterrumpido de cadenas de bits cortas. Los datos se transmiten carácter a carácter (5-8 bits). Incluye un bit de comienzo, el bit significativo, un bit de paridad y un bit de parada. Sus claves son: emisor y receptor con relojes independientes, sincronización a nivel de carácter, pocos datos e intervalos aleatorios.
• Transmisión Síncrona (por bloques): Envía bloques de bits sin códigos de inicio/fin. El reloj se sincroniza mediante el envío de dos señales (información y reloj), resincronización por transiciones, o mediante códigos de línea que integran la información de sincronización en la señal, eliminando la línea de reloj independiente (reloj implícito en la señal).

Redes de Comunicación

Red Telefónica Básica (RTB)

Antiguamente orientada a la voz y hoy en día también a datos a baja velocidad y con alta tasa de errores. Su estructura incluye:

• Bucle de abonado: Enlace entre el abonado y la red mediante par trenzado.
• Abonado: Dispositivo que se conecta a la red (por ejemplo, el teléfono).
• Enlaces entre centralitas: Transmisión digital mediante coaxial, fibra, microondas o satélite, utilizando multiplexación por ancho de banda.
• Centralitas conmutadoras: Realizan la conmutación de circuitos (implica la existencia de un camino dedicado entre dos estaciones a través de tres fases: establecimiento del circuito, transferencia de datos y desconexión).

Multiplexación y Equipos de Acceso

• Multiplexores digitales: Realizan la conversión analógica/digital y también tareas de codificación.
• Multiplexación por División de Tiempo (TDM):
  • TDM síncrono: Asigna a cada entrada una ranura de tiempo fija.
  • Estadístico: Asigna de forma dinámica las entradas según la información.
• PDH (Jerarquía Digital Plesiócrona): Multiplexación de portadoras en portadoras de orden superior.
• DTE (Equipo Terminal de Datos): Utiliza el medio de transmisión a través de un DCE (Equipo de Terminación del Circuito de Datos), transmitiendo y recibiendo bits uno a uno a través de la red.
• Características de la interfaz DTE-DCE:
  • Mecánicas: Conectores físicos.
  • Eléctricas: Señalización entre ambos equipos.
  • Funcionales: Relacionadas con la conexión física.
  • De procedimiento: Especifican la secuencia de eventos en la transmisión.
• Dispositivos de acceso a la red:
  • RTB tradicional: Módem, xDSL, RDSI.
  • Nuevas tecnologías: HFC, PLC, satélites.
• RDSI (Red Digital de Servicios Integrados): Sus objetivos incluyen la normalización, transparencia, separación de funciones competitivas y tarifas basadas en el precio.