Ud3

UNIDAD 3: El nivel físico. PLANIFICACIÓN Y ADMINISTRACIÓN DE REDES – 1ºPROFESORA: Angélica Fernández Roza.

Unidad 3: El nivel físico

Angélica Fernández Roza 1


1 INTRODUCCIÓN. 2 FUNCIONES Y SERVICIOS DEL NIVEL FÍSICO. 3 DATOS Y SEÑALES. 4 CARACTERÍSTICAS DE LOS MEDIOS DE TRANSMISIÓN.

4.1. Ancho de banda. 4.2. Velocidad de transmisión. 4.3. Capacidad del canal.

5 LIMITACIONES A LA TRANSMISIÓN. 5.1. Atenuación. 5.2. Ruido. 5.3. Distorsión por retardo. 5.4. Teorema de Nyquist. 5.5. Teorema de Shanon.

6 ADAPTACIÓN AL MEDIO DE TRANSMISIÓN. 6.1. Datos digitales en señales digitales. 6.2. Datos digitales en señales analógicas. 6.3. Datos analógicos en señales digitales. 6.4. Datos analógicos en señales analógicas. 6.5. Multiplexación.

7 TIPOS DE TRANSMISIONES. 8 MEDIOS DE TRANSMISIÓN.

8.1. Guiados8.2. No guiados.

9 ESTÁNDARES. 10 CONCLUSIÓN.11 MÓDULOS EN LOS QUE SE APLICA EL TEMA. 12 BIBLIOGRAFÍA.



1 INTRODUCCIÓN.

Este es el tercer tema del bloque dedicado a la Telemática. En el tema anterior, se explicaba como la manera de abordar el problema de construcción de una red de comunicaciones, era dividir las distintas funciones que esta desarrolla en una serie de niveles organizados jerárquicamente para constituir lo que se definió como arquitectura de red. Todos los modelos basados en niveles presentados, OSI, TCP/IP, ATM, Frame Relay, tenían en común un primer nivel cuya función principal era la de transmitir los datos de un punto a otro. Este nivel se conoce como capa física y de los principales aspectos relacionados con él es de lo que se encarga esta unidad. El nivel físico se encargará de todo lo relacionado con soporte físico a través del cual se envían los datos entre emisor y receptor, es decir, del medio de transmisión.

2 FUNCIONES Y SERVICIOS DEL NIVEL FÍSICO.

Lo primero es entender cuáles son las funciones de un nivel físico. El nivel físico se va a encargar de los siguientes aspectos:- Mecánicos: que sería todo lo relativo a conectores. - Eléctricos/electromagnéticos: aspectos eléctricos/electromagnéticos de la transmisión a

través de un medio. - Circuitos: los que forman la interfaz con el medio de transmisión. - Funcionalidad: que hace referencia a los distintos estados por los que pasa la interfaz. - Procedimientos que se utilizan para transmitir señales. - Defectos, limitaciones que sufren las señales. - Qué medios se emplearán para su transmisión. - Capacidad y velocidad que se quiere conseguir con la transmisión. - ¿Es posible que por un mismo medio de transmisión se envíen varias señales

simultáneamente?- Número de pines del conector y la función de cada uno. - ¿Qué voltajes se usarán para representar 0 y 1?

No se ocupará el nivel físico de interpretar los datos que transmite. Sí que serán funciones del nivel físico: el número de pines de los conectores, los tipos, los niveles de corriente, el sistema cableado, etc.

Además, el nivel físico se encargará de otras cuestiones como:- adaptación de los datos al medio,- problemas que se pueden generar durante la transmisión,- dirección en la que pueden circular los datos, - frecuencias, etc.

En cuanto a los servicios, el nivel físico proporciona servicios de acceso al medio al nivel de enlace, haciendo que este sea independiente de los detalles técnicos del medio.

3 DATOS Y SEÑALES.

Para poder enviar los datos a través del medio de transmisión, los datos han de convertirse en señales.

Una señal es la variación en el tiempo de una determinada magnitud física característica del medio de transmisión. Así podemos tener señales eléctricas, si variamos el nivel de tensión, señales electromagnéticas, si enviamos ondas, señales luminosas, variando la intensidad de luz.

Toda señal se puede entender como una función matemática, f(t) que en función de t toma distintos valores que serán los de la magnitud física que varíe. De esta manera podemos entender los dos tipos de señales en función de los valores que pueden tomar:



- señales analógicas, si en un intervalo de tiempo, toman un número infinito de valores, i.e., si son funciones continuas,

- señales digitales, si solamente toman un número finito de valores.

En el caso de tener señales analógicas, estas pueden ser de dos tipos:- señales analógicas periódicas: si se cumple que f(t+T)=f(t), es decir que cada T tiempo, la

función se repite. La porción de función que se repite se llama ciclo y T se llama período. Estas funciones tiene tres propiedades que las caracterizan:*Frecuencia: es el número de ciclos en un segundo. *Amplitud: valor más alto que alcanza la f(t) en un ciclo. *Fase: desplazamiento de la f(t) con respecto al eje y.

- Señales analógicas aperiódicas: todas las demás.

La función periódica f(t)=Asen(2*pi*F*t+p) se llama función elemental.El matemático francés Fourier, concluyó que toda señal analógica periódica no elemental se podía descomponer en suma de funciones elementales de distintas amplitudes, frecuencias y fases. Cada una de ellas se llama armónicos. Además, esto también es cierto para las señales digitales aperiódicas, con la salvedad de que para que la descomposición sea cierta, se necesitan un número infinito de armónicos. Esa descomposición recibe el nombre de Transformada de Fourier (TDF)



La TDF nos va a permitir obtener las frecuencias que forman una señal. Llamaremos ancho de banda de una señal, a la diferencia entre la frecuencia más alta y la frecuencia más baja en la descomposición en armónicos de una señal.

En el caso de las señales digitales, la descomposición tiene infinitos armónicos lo que significa que el ancho de banda es infinito. En realidad se pueden considerar aproximaciones, tomando un número finito de armónicos. Cuantos más armónicos tomemos, mejor será la aproximación. La cuestión es saber cuantos armónicos son suficientes para considerar la aproximación como buena. Las frecuencias más altas están siempre en los primeros términos, disminuyendo según obtenemos más, lo que significa que los términos más significativos serán los primeros.

Por otro lado, los datos, al igual que las señales, pueden ser analógicos o digitales. La naturaleza analógica o digital la proporcionará el tipo de conocimiento a representar.

He comentado que para poder transmitir datos hay que transformarlos en señales. Pues bien, existen todas las combinaciones posibles, es decir, podemos transmitir:

- datos digitales en señales digitales, lo que se denominará, transmisión en banda base, - datos digitales en señales analógicas, es decir, modulación, - datos analógicos en señales digitales,- datos analógicos en señales analógicas.

En el apartado 5 veremos como se realiza. Antes de eso, necesitamos tener algunos conceptos claros.

4 CARACTERÍSTICAS DE LOS MEDIOS DE TRANSMISIÓN.

Con todo lo visto hasta ahora podemos enumerar aspectos que caracterizarán a los medios:

4.1. Ancho de banda.

Acabamos de definir ancho de banda de una señal. Se llamará ancho de banda del medio al rango de frecuencias que acepta un determinado medio. Por ejemplo, el rango de frecuencias de la voz humana va de los 300 Hz a los 3400 Hz. Esto explica la razón por la que los cables de teléfono han de soportar estos anchos de banda.



4.2. Velocidad de transmisión.

En caso de tener una señal digital, la frecuencia no es una característica. Sí lo será el número de bits por segundo que se transmiten. Para poder definirla, primero hay que entender a qué se llama elemento de señal. Una señal digital puede utilizar dos o más niveles de tensión para representar datos digitales. Si solo utilizamos dos, quiere decir que solo podré representar 1 o 0 con cada uno. Sin embargo, si utilizo 4 podré representar 4 valores binarios con cada uno, a saber: 00, 01, 11, 10.

A cada nivel lo llamaré elemento de señal. Se define la velocidad de transmisión como el número de elementos de señal que atraviesan el canal por segundo. Esto se mide en Baudios.

4.3. Capacidad del canal.

Si queremos saber ahora los bits por segundo, no tenemos más que multiplicar los baudios por el número de bits que codifica cada elemento de señal y tendremos la velocidad en bits por segundo (bps) o capacidad del canal. También se hace referencia a este valor como ancho de banda.

Así hay que hacer notar las dos acepciones del término ancho de banda:- rango de frecuencias que soporta el canal y,- velocidad en bps

5 LIMITACIONES A LA TRANSMISIÓN.

A la hora de transmitir señales a través de un medio de transmisión, puede que la señal sufra algún tipo de modificación debido a problemas externos. Algunos de estos pueden ser:

5.1. Atenuación. Consiste en un fenómeno por el cual la potencia de la señal se degrada a medida que avanza en el medio. Se mido como:

A= 10*log 10 (Potencia_señal_entrada/Potencia_seña_salida)

y el resultado se expresa en decibelios (dB).Se suele medir cada 100 m y cada Km ya que es directamente proporcional a la longitud del canal.



Cuando: Potencia Salida=Potencia Entrada log1= 0 NºdB=0

Potencia Salida>Potencia Entrada Nºdb>0 Amplificador

Potencia Salida<Potencia Entrada NºdB<0 Atenuador.

5.2. Ruido.

Cuando la señal se transmite en el medio de transmisión, pueden aparecer otras señales externan que modifiquen la señal enviada. Estas señales ajenas reciben el nombre de ruido. El origen puede ser diverso:

- Ruido térmico: tiene como origen el movimiento de los electrones en el medio. - Diafonía: se produce cuando hay dos conductores próximos transmitiendo señales, de

manera que se producen interferencias entre ambas. - Ruido intermodular: debido a componentes no lineales en la señal. - Picos de tensión en la señal.

5.3. Distorsión por retardo.

En el apartado 3 he explicado al descomposición en armónicos y el concepto de ancho de banda de una señal. Se demuestra, que las frecuencias extremas sufren un mayor retardo en su transmisión que las que tienen valores intermedios. Este fenómeno se conoce como distorsión por retardo.

5.4. Teorema de Nyquist.

Este teorema caracteriza la velocidad en bps para un canal sin ruido. Lo

Vbps=2H*log 2 (V) donde V= nº elementos de señal.

Con esto vemos que la frecuencia y la velocidad están directamente relacionados. Tiene aplicaciones eminentemente teóricas para cálculo de capacidades en canales sin ruido.



5.5. Teorema de Shanon.

En la realidad, la ausencia de ruido es imposible. Por eso Shanon intentó encontrar la relación entre ancho de banda y velocidad máxima de transmisión en bps en un canal con ruido. Llamando V a la velocidad máxima en bps, H al ancho de banda del canal, y S/N la relación señal a ruido en el canal se obtiene que:

Vbps=H*log 2 (1 + S/N)

Lo cual muestra que un canal nunca puede alcanzar velocidades superiores a su ancho de banda. Si un canal tiene un S/N=0, es decir, es un canal totalmente ruidoso, V=0bps, es decir, no se puede transmitir.

6 ADAPTACIÓN AL MEDIO DE TRANSMISIÓN.

Visto lo anterior, tengo todo lo que se necesita para presentar los distintos tipos de adaptación al medio:

6.1. Datos digitales en señal digital.

Existen diversos tipos de codificación:

- Non Return to Zero, NRZ.- NRZ-L- NRZ-I- Bipolar AMI- Pseudoternario. - Manchester. - Manchester diferencial.



6.2. Datos digitales en señal analógica.

Este es el método más frecuentemente usado. Consiste en representar los datos digitales que se quieren enviar, mediante una señal analógica. Esto se consigue variando alguna característica de una onda que se llama onda portadora que será del tipo:f(t)=A sen (2*pi*fr*t+p)- ASK.Consiste en utilizar dos ondas portadoras con distintas amplitudes para representar al 0 y al 1. Esta modulación no es muy recomendable por lo sensible que es al ruido, ya que afecta sobre todo a la amplitud.

- FSK.Consiste en utilizar dos portadoras con distintas frecuencias para enviar el 0 y el 1. Mucho menos sensible al ruido.

- PSKEs la más utilizada pues solo necesita una portadora cuya fase varía entre 0º y 180º para representar 0 o 1, manteniendo constante la amplitud y la fase, así que no tiene los problemas



de sensibilidad al ruido de FSK. Presenta el inconveniente de que se requieren equipos suficientemente sensibles como para distinguir las fases.

- QPSKEn esta modalidad en vez de usar dos fases distintas se usan cuatro, de modo que se pueden codificar en con cada una dos bits. Esto permite conseguir mayores bit rates.

- QAMOtra solución puede ser combinar los métodos ASK y PSK de modo que se obtiene los beneficios de uno y de otro. Así podemos usar dos fases para dos frecuencias distintas, alcanzando mismo bit rate que en QPSK pero teniendo señales más protegidas

- X-QAMCon x me refiero al producto del número de amplitudes a combinar por el número de fases. Así si usamos 16-QAM tendríamos cuatro amplitudes con cuatro fases cada una lo que dá un total de 16 representaciones distintas, lo cual aumenta considerablemente las potenciales velocidades en caso de tener canales con suficiente ancho de banda.

6.3. Datos analógicos en señal digital. Angélica Fernández Roza 10


Uno de los métodos usados es la modulación por codificación de pulsos (PCM) y que se puede representar en cuatro pasos:1. Determinar un intervalo de tiempo para muestrear la señal. 2. Para cada instante de tiempo, determinar el valor de la señal. 3. Representar en binario cada uno de los valores, previamente calcular el número de bits

necesarios. 4. Enviar la señal binaria resultante mediante alguno de los métodos digitales vistos.

6.4. Datos analógicos en señal analógica.

En este caso existirá interés en modificar alguna de las características de las ondas, frecuencia, amplitud o fase, de modo que se modula en una portadora con las características deseadas, la señal analógica que representa los datos analógicos a enviar. - FM, cuando variamos la frecuencia.- AM, cuando queremos variar la amplitud.- PM, cuando queremos una fase distinta.

6.5. Multiplexación.



Otra posible adaptación al medio sería la que debemos hacer cuando queremos enviar varias señales con orígenes o destinos distintos (usuarios, aplicaciones, …) pero tenemos un único medio de transmisión. Esto se consigue multiplexando el canal. Hay dos maneras:- por división de tiempo (TDM), consiste en dividir cada unidad de tiempo en un número fijo de intervalos, tantos como señales queramos enviar, de modo que cada señal se enviara en la ranura de tiempo asignada,- por división de frecuencia (FDM), modulando cada señal sobre portadoras con frecuencias distintas, lo suficientemente alejadas como para evitar diafonías, etc.

7 TIPOS DE TRANSMISIONES.

Los distintos tipos de transmisiones se corresponden con los distintos criterios elegidos. Así podemos tener los siguientes:- Según la naturaleza de la señal: ya se ha visto que podían ser:

o Analógicas. o Digitales.

- Según el número de señales enviadas simultáneamente: o Serie: si sólo se puede enviar una señal cada vez. o Paralelo cuando puedo enviar varias.

- Según la dirección de transmisión: o Simplex: solo se pueden enviar en una dirección. o Semi-dúplex: dos direcciones pero solo una de cada vez. o Full-dúplex: dos direcciones simultáneamente.

- Según el tipo de medio:o Guiada: si el medio de transmisión es un conductor.o No guiada: si la transmisión se realiza por el aire, en este caso se habla de transmisión

inalámbrica. - Según el tipo de sincronización: cuando la comunicación entre dos entidades tiene lugar, tiene

que existir un alto grado de entendimiento y cooperación entre ambas, conociendo el número de bits enviados, la duración de cada uno, la esparación. A eso se le llama estar sincronizado. Existen dos formas de que se produzca esta sincronización:

o Síncrona: ambas entidades están continuamente sincronizadas. Esto se puede conseguir de dos maneras:

Mediante una señal de reloj que se envía por otra línea. Con una señal auto-sincronizada, que se multiplica por una señal de reloj antes

de ponerla en el medio. o Asíncrona: solo se produce la sincronización cada vez q se transmite un carácter o un

byte. Para ello se indica el comienzo del carácter enviando un bit de arranque y un bit de parada para finalizar.

8 MEDIOS DE TRANSMISIÓN.

Los medios de transmisión como ya he comentado al comienzo del tema, es el soporte físico a través del cual se envían los datos a intercambiar entre emisor y receptor. Voy a utilizar la clasificación en guiados y no guiados para presentarlos:

8.1. Guiados.

- Par trenzado. Físicamente está formado por dos hilos de cobre envueltos en una cubierta de PVC y

trenzados helicoidalmente. El trenzado hace disminuir las interferencias entre los dos reduciendo el fenómeno de diafonía descrito anteriormente.

Existen dos tipos:UTP: el par no está protegido.



STP: el par está recubierto por una malla metálica que aumenta la protección ante el ruido, lo que garantiza mayor calidad de la señal.

Además, la EIA ha establecido distintas categorías de pares, que van de la categoría 1 a la 5, que eran los más utilizados hasta hace poco para RTB (red telefónica básica el 1) y para redes Ethernet (el 5) y en los últimos tiempos han aparecido el 5e (5 mejorado) y el 6 y 7.

El UTP categoría 5 puede llegar a alcanzar 100 Mbps para señales de 100 MHz y el 7 hasta 600 Mbps.

En cuanto a la agrupación, los más frecuente son las mangueras con 4 pares, con conectores RJ45, usando 8 pines. Es el tipo de cable utilizado en la redes de área local Ethernet.

- Cable coaxial. Físicamente está formado por un conductor central de cierto grosor según categorías,

rodeado de una cubierta aislante y de un segundo conductor en forma de malla de plata y un plástico que recubre el conjunto.

Existen distintas categorías que se enumeran según un número RG (registro de gobierno).

Así existen los RG11 (para Ethernet de cable grueso), RG58 (Ethernet de cable fino) y RG59 para TV por cable.

Pueden alcanzar hasta 600 Mbps. Los conectores que utilizan son los bayoneta, BNC, aunque también se pueden emplear

los T-BNC o los terminadores BNC.



En cuanto al uso, aparecen en redes de área local, TV, etc.

- Fibra óptica. Físicamente está formado por un grupo de hilos de fibra de vidrio (mangueras de hasta 60)

rodeados de una cubierta y un plástico que rodea al conjunto. El modo de funcionamiento se basa en las propiedades de reflexión de la luz. Se requiere

de un LED que transforma las señales eléctricas en luminosa y que emite el rayo de luz con un cierto ángulo para que en las sucesivas reflexiones con el medio, alcance el otro extremo donde se encuentra un receptor.

Existen dos tipos de fibra: Monomodo: solo se puede transportar una señal cada vez, y esta viaja en línea recta. Multimodo: puede transportar varias señales, lanzadas con distintos grados de

incidencia. El grado puede variar o no al atravesar la cubierta dependiendo de si tiene densidad variable o constante. Así tenemos:

o De índice gradual.o De índice escalonado.

En cuanto a los conectores, pueden ser: SC, ST, MT-RJ.

Las velocidades alcanzables pueden ser de 160 Mbps, aunque algunos autores mencionan experimentos donde se alcanzan los 60 Tbps.



8.2. No guiados.

Los medios no guiados son aquellos en los que las señales transmitidas son ondas electromagnéticas. Estas ondas se clasifican según el ancho de banda, definiéndose de esta manera el espectro Radioeléctrico, cuyo uso está regulado por ley.

Para que estas conexiones tengan lugar, se necesitan antenas, tanto de transmisión como de recepción, que transformen las señales eléctricas en ondas electromagnéticas.

Los tipos que tenemos:

- Microondas: o Terrestres: se trata de las frecuencias más bajas del espectro que requieren

que las antenas emisora y receptora estén alineadas para que tenga lugar la comunicación.

o Vía satélite.: se usan en las comunicaciones terrestres donde las antenas emisoras se comunican con un satélite, que retransmite la señal a la antena receptora.

- Ondas radio. desde las frecuencias más bajas que van de los 30 Mhz al 1 Ghz, usado por ejemplo en la telefonía móvil, al rango de 2 Ghz a 40 Ghz usado para las conexiones LAN inalámbricas de las redes Wifi que sigue el estándar 802.11.

- Infrarrojos. Corresponde a los mayores anchos de banda del espectro y se utilizan en redes LAN. El puerto IrDa que muchos ordenadores o móviles tienen permite la comunicación mediante infrarrojos.

9 ESTÁNDARES.

Como ya aparece en el Tema 61, en un sistema de comunicaciones se pueden distinguir los siguientes elementos:ETD: se trata de cualquier entidad origen o destino de datos. ETC: entidad capaz de recibir o enviar datos a través de un medio de transmisión.



Los ETC más comunes son los módem, que transforman los datos digitales en señales analógicas capaces de ser enviadas a través de la RTB, usando las técnicas de modulación de las que he hablado anteriormente.

Pues bien, existen distintos estándares que regulan la conexión entre:- ETD-ETC por un lado, especificando los tipos de conectores.- ETC, es decir, distintos estándares para módems.

Los organismos que han publicado normas para regular la conexión ETD-ETC han sido la EIA y la ITU. La EIA con sus normas: EIA-232 (también conocida como RS-232), la EIA-422, o la EIA-429. En ella se especifican aspectos eléctricos, funcionales y mecánicos. En cuanto a los mecánicos por ejemplo, RS-232 utiliza conectores DB-25 con 25 pines y la norma especifica las funciones de los que son usados. También existe una versión con conectores de 9 pines, el DB-9.

En cuanto a las normas de la ITU, cabe destacar la X.21 que utiliza el conector DB-15. Las normas de la ITU V.22 es la versión equivalente de la RS-232.

Cabe mencionar la posibilidad de conectar dos equipos digitales sin necesidad de utilizar un DTC, mediante el uso del llamado módem nulo, solución propuesta por la EIA, donde se especifica la funición de los pines en un cable con dos conectores DB-9 en los extremos.

En cuanto a los estándares para módems, los primeros módem en aparecer fueron los módem Bell, regulados por las series 101, 103, etc.

Posteriormente, la ITU propuso la V.32, V.33, V.90 o V.91. En ella se especifican las velocidades en bps que pueden llegar a alcanzar, así como el tipo de modulación utilizada. Así los V.32 y V.33 alcanzaban bit rates de 33.600 Kbps, y con los V.90 y V.91 se alcanzaron los 56 Kbps para envío de datos a través de RTB.

Por último me gustaría mencionar que relacionado con el nivel físico, existen otro grupo de estándares que especifican distintos protocolos de nivel físico. Son los estándares del comité 802 de la IEEE. Estos se encargan de normalizar la capa física de las LAN que se estudian en detalle en el Tema 67. Solo mencionar aquí algunas: 802.3 que regula las redes Ethernet, la 802.5, las Token Ring, 802.11 las Wifi o 802.16 para Wimax.

10 CONCLUSIÓN.



El tema del nivel físico de una arquitectura de red es un tema muy amplio para poder ser cubierto de manera completa en tan poco espacio de tiempo. Aquí he tratado de recorrer todos los aspectos, desde como se manifiestan físicamente los datos, explicando el concepto de señal, entendiendo el aporte de la teoría de Fourier al análisis de señales, hasta aspectos sobre las prestaciones de los distintos tipos de medios.

Este tema debe completarse en algunas partes con el tema 67, donde se analizan en detalle las capas físicas de los distintos tipos de redes de área local existentes.

Por otro lado este tema sirve de base para continuar con el tema 64, en donde se estudia el nivel de enlace, nivel para el cual el nivel físico proporciona servicios de conexión.

11 MODULOS AFECTADOS POR EL TEMA.

Los módulos de ciclos formativos de la familia Informática y Comunicaciones en los que se aplican directamente los contenidos cubiertos por este tema son:

CFGM SISTEMAS MICROINFORMÁTICOS Y EN RED (LOE):

Redes locales, Servicios en red.

CFGS ADMINISTRACIÓN DE SISTEMAS INFORMÁTICOS (LOGSE)

Redes de área local.

12 BIBLIOGRAFÍA

Stallings, William. Comunicaciones y redes de computadores (7ª). Ed. Prentice-Hall. 2000.

Forouzan Behrouz, A. Transmisión de datos y redes de comunicaciones (4ª). Mcgraw-Hill. 2007.

Andrew S. Tanenbaum. Redes de computadores (4ª). Pearson/Prentice-Hall. 2003.


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