Comunicaciones de Datos I

Se estudiará en esta unidad la transferencia de datos entre dos dispositivos que estén directamente conectados; es decir, dos dispositivos enlazados por un único camino y no por una red. Se tratarán por tanto algunos conceptos fundamentales como señal, medio, codificación, fiabilidad y eficiencia.

Probablemente de los libros que tratan sobre "comunicaciones y redes de computadores" uno de los más -si no el que más- pedagógicos y completos es el del mismo nombre escrito por William Stallings. Digo esto porque como sabrán los que hayan visto el título de esta entrada comprobarán que se corresponde, de manera exacta, con la segunda parte de dicho libro, cuya estructura me va a servir de guía para la elaboración de los temas teóricos y como enlace con las prácticas de la asignatura de redes. Es por ello que en esta unidad de los apuntes de redes he agrupado los seis capítulos de la segunda parte, en un resumen de lo más importante y sin entrar a tratar en demasiada profunidad lo expuesto.

Para aquellos que no dispongan de tiempo o dinero para la lectura del mismo o quieran realizar esquemas del libro les recomiendo el resumen que de él ha elaborado Nicolas H. Kosciuk y que pueden descargar desde el siguiente enlace, que a pesar de no ser tan didáctico y pecar a veces de ser demasiado escueto, tampoco pretende ser más que lo que propone y puede ser más que válido para recordar lo leído/estudiado.

A última hora he encontrado también un monográfico sobre comunicaciones elaborado por Arturo David Sosa que se adapta con bastante exactitud a lo que necesitaba para esta unidad y que finalmente he recogido en gran parte.


1.- TRANSMISIÓN DE DATOS


En primer lugar hemos de tener en cuenta que todos los tipos de información considerados -voz, datos, imágenes, vídeo- pueden representarse en forma de señales electromagnéticas. Para transportarlas y dependiendo del medio se podrán emplear señales analógicas o digitales.

Cualquier señal analógica o digital, está formada por una serie de frecuencias constituyentes. Un parámetro clave en la caracterización de la señal es el ancho de banda, definido como el rango de frecuencias contenidas en la señal. Cuanto mayor sea el ancho de banda mayor será la capacidad de transportar información.

1.1 Conceptos y terminología

Los medios de transmisión pueden ser :

•   Guiados si las ondas electromagnéticas van confinadas a lo largo de un camino físico  (dentro de estos punto a punto cuando se proporciona un enlace directo -camino- entre los dos dispositivos y multipunto cuanddo en el medio hay más dispositivos conectados que lo comparten); no guiados si el medio es sin encauzar ( aire , agua , etc..) .
•   Simplex si la seal es unidireccional ; half-duplex si ambas estaciones pueden trasmitir pero no a la vez ; full-duplex si ambas estaciones pueden transmitir a la vez .

Toda señal electromagnética considerada como función del tiempo puede ser tanto analógica como digital. Una señal analógica es aquella en la que la intensidad de la señal varía suavemente con el tiempo, es decir, non presenta saltos ni discontinuidades.

Una señal digital es aquella en la que la intensidad se mantiene constante durante un período de tiempo tras el cual  cambia a otro valor constante -esto en un modelo ideal en el real siempre habrá un pequeño período de transición-.

Las señales periódicas son el tipo de señales más sencillas que se pueden considerar; se caracterizan por contener un patrón que se repite a lo largo del tiempo. La onda seno es una de las señales periódicas por antonomasia y se reprenta por tres parámetros:

• amplitud (A): valor mimo de la señal en el tiempo
• frecuencia (f): raxón (en ciclos por segundo o Hercios (Hz) a la que la señal se repite. También se puede medir mediante periodos (T) cantidad de tiempo transcurrido entre dos reppeticiones consecutivas de la señal, por tanto, T=1/f.
• fase: medida de la posición relativa de la señal dentro de un periodo de la misma.

En la realidad las señales electromagnéticas estarán constituidas por numerosas frecuencias, por ejemplo, en el espectro acústico de la voz humana, se pueden encontrar componentes en frecuencia entre 20 Hz y 20 KHz. Aunque la mayor parte de la energía de la voz está encontrada en las frecuencias bajas, mediante experimentos se ha demostrado que las frecuencias por debajo de 600-700 Hz contribuyen poco a la inteligibilidad de la voz en el oído humano.

Cuando todas las componentes de una señal tienen frecuencias múltiplo de una dada esta se denomina frecuencia fundamental. Usando el análisis de Fourier se puede demostrar que cualquier señal electromagnética se puede componer a partir de la suma de un número suficiente de señales sinusoidales.

A partir de esto definiremos espectro de una señal como el conjunto de las frecuencias que la constituyen y ancho de banda absoluto como el ancho de dicho espectro. La mayor parte de la energía, sin embargo, se concentrará en una banda de frecuencias relativamente estrecho que es lo que se conoce como ancho de banda efectivo o simplemente ancho de banda.

1.2 Transmisión de datos analógicos y digitales

En las comunicaciones estos dos términos se usan con frecuencia como caracterización de los siguientes tres conceptos:

• Datos: entidad que transporta información. Las señales son codificaciones eléctricas o electromagnéticas.
• Señalización: es el acto de propagar la señal a través de un medio adecuado
• Transmisión: es la comunicación de datos, mediante la propagación y el procesamiento de señales.

Los datos analógicos pueden tomar valores en cierto intervalo contínuo (aquella en la que la intensidad de la señal varía suavemente en el tiempo, no presenta saltos o discontinuidades.) Los datos digitales toman valores discretos(aquella en la que la intensidad se mantiene constante durante un determinado intervalo de tiempo, tras lo cual cambia a otro valor constante)

Un dato analógico puede ser la voz, que es un valor de intensidad que varía continuamente. Y un dato digital sería un texto.

El ejemplo más típico de datos digitales son las cadenas de textos o caracteres. Mientras que los textos son más adecuados para los seres humanos, en general no se pueden transmitir o almacenar fácilmente (en forma de caracteres) en los sistemas de procesamiento o comunicación. Tales sistemas están diseñados para datos binarios.

Por esto se han diseñado un buen número de códigos mediante los cuales los caracteres se representan por secuencia de bits. Quizá el primer ejemplo más conocido es el código Morse y actualmente es el código ASCII.

Señales:  En un sistema de comunicaciones, los datos se propagan de un punto a otro mediante señales eléctricas. Una señal analógica es una onda electromagnética que varía contínuamente. Una señal digital es una secuencia de pulsos de tensión que se pueden transmitir a través de un cable; po ejemplo, un nivel de tensión positiva constante puede representar un 1 binario y un nivel de tensión negativa constante puede representar un 0.

Transmisión: Tanto las señales analógicas como digitales se pueden transmitir a través de medios de transmisión que sean adecuados.

Las pasticualridades de cómo se tratan estas señales dependerán del sistema de transmisión en concreto. En la tabla siguiente se especifican con mayor detalles estas particularidades:

Datos y señales

	Datos analógicos	Datos digitales
Señal analógica	Hay dos alternativas: (1) la señal ocupa el mismo espectro que los datos analógicos; (2) los datos analógicos se codifican ocupando una porción distinta del espectro.	Los datos analógicos se codifican usando un codec para generar uina cadena de bits
Señal digital	Los datos digitales se codifican usando un módem para generar una señal analógica	Hay dos alternativas: (1) la señal consiste en dos niveles de tensión que representan dos valores bianrios (2) los datos digitales se codifican para producir una señal digital con las propiedades deseadas

Procesamiento de señales

	Transmisión analógica	Transmisión digital
Señal analógica	Se propaga a través de amplificadores; se trata de igual manera si la señal se usa para representar datos analógicos o digitales	Se supone que la señal analógicarepresenta datos digitales. La señal se propaga a través de repetidores; en cada repetidor, dos datos digitales se obtienen de la señal de entrada y se usan para regenerar una nueva señal analógica de salida.
Señal digital	No se usa	La señal digital representa una cadena de unos o ceros, los cuales pueden representar datos digitales o pueden ser resultado de la codificación de datos analógicos. La señal se propaga a trav

En cuanto a la elección del método de transmisión cada vez se imponen más las tecnologías digitales debido a:

• Tecnología digital: las mejoras tecnológicas han llevado a un abaratamiento de los costes y a sucesivas reducciónes de tamaño. Al contrario la tecnología analógica no ha experimentado un cambio similar.
• Integridad de datos: el uso de repetidores en lugar de amplificadores hace que la señal propagada se corresponda con la enviada de modo más exacto.
• Utilización de la capacidad: para aprovechar los medios se hace necesaria la multiplexación. Esta se realiza más facilmente y con menor costo con técnicas digitales (división en el tiempo) que con técnicas analógicas (división en frecuencia).
• Seguridad y privacidad: se pueden aplicar las técnicas de encriptado a los datos digitales o analógicos que previamente se hayan digitalizado.
• Integración: Con el tratamiento de los datos analógicos y digitales, todas las señales se pueden tratar de una manera similar. Permitiendo de esta manera, la integración de voz, video y datos utilizando una misma infraestructura..

 1.3 Perturbaciones en la transmisión

Se debe aceptar que la señal que se recibe diferirá de la señal transmitida debido a varias adversidades y percances de la transmisión.

Las perturbaciones más significativas son:

• Atenuaión y distorsión de atenuación:  la energía de la señal decae con la distancia en cualquier medio de transmisión.
• Distorsión de retardo: 
  
  
  
  
  Es causada por el hecho de que la velocidad de propagación de la señal en el medio varía con la frecuencia. Para una señal de banda limitada, la velocidad tiende a ser mayor cerca de la frecuencia central y disminuye al acercarse a los extremos de la banda. Esto es llamado distorisón de retardo, ya que la señal recibida está distorsionada debido al retardo variable que sufren sus componentes.
  
  
  
  
  
  
• Ruido: la señal recibida consistirá en la señal transmitida modificada port las distorisones introducidas por el sistema de transmisión, además de las eeñales no deseadas que se insertan entre el emisor y el receptor. A estas últimas se le denomina ruido, que además puede ser: térmico (función de la temperatura), de intermodulación (aparición de señales a frecuencias suma o diferencia de las dos frecuencias originales), diafonía (se trata de un acoplameinto no deseado entre las líneas que trasnportan las señales,p.e. al hablar por teléfono se oyen otras conversaciones por acoplamiento p.e. de cables cercanos) y finalmente el ruido impulsivo (es no contínuo y está constituido por pulsos o picos irregulares de corta duración y de amplitud relativamente grande: tormentas, motores,...)
  

1.4 Capacidad del canal

Es la velocidad a la que se pueden transmitir los datos en un canal o ruta de comunicación de datos.

Conceptos relacionados con la capacidad del canal son:

La velocidad de los datos: que es la velocidad expresada en bits por segundo (bps), a la que sepueden transmitir los datos.

El ancho de banda: es el ancho de banda de la señal transmitida que estará limtada por el transmisor y por la naturaleza del medio de transmisión; se mide en ciclos por segundo o hertzios

El ruido: el nivel medio de ruido a través del camino de transmisión

La tasa de errores: es la razón a la que ocurren los errores, donde se considera un error cuando se recibe un 1 habiendo transmitido un 0 y viceversa. 

2. Medios de transmisión

El medio de transmisión es el camino físico entre el transmisor y el receptor. Se clasifican en guiados y no guiados. En ambos casos, la transmisión se lleva a cabo con ondas electromagnéticas. En los medios guiados las ondas se confinan en un medio sólido, como ser un par trenzado. La atmósfera o el espacio exterior son ejemplos de medios no guiados, que proporcionan un medio de transmitir la señales pero sin confinarlas; este tipo de transmisión se denomina inalámbrica.

2.1 Medios de transmisión guiados

2.1.1 PAR TRENZADO

• Descripción física:

El par trenzado consiste en dos cables de cobre embutidos en un aislante entrecruzados en forma de espiral. Cada par de cables constituye solo un enlace de comunicación. Normalmente, se utilizan haces en los que se encapsulan varios pares mediante una envoltura protectora. El uso del trenzado tiende a reducir las interferencias electromagnéticas (diafonía) entre los pares adyacentes dentro de una misma envoltura.

• Aplicaciones:

Tanto para señales digitales como para señales analógicas el par trenzado es el más utilizado actualmente. En aplicaciones digitales el apr trenzado es el másutilizado, especialmente para conexiones a un conmutador digital, también para la conexión de redes de área local dentro de edificios. La velocidad típca está en los 10Mbps. Aunque actualmente ya se supera ampliamente esa velocidad.

• Características de transmisión:

Los cables de pares trenzados se pueden usar para transmitir tanto señales analógicas como señales digitales. Para señales analógicas se necesitan amplificadores cada 5 o 6 km y para las digitales es cada 2 o 3 km.

El par trenzado tienen una fuerte dependencia de la atenuación con la frecuencia. Sus características principales es su gran susceptibilidad a las interferencoias y al ruido.

Variantes

Pares trenzados apantallados y sin apantallar

El par trenzado teien dos variantes: el apantallado y el sin apantallar.

El par trenzado no apantallado (UTP, "Unshielded twisted Pair") es el medio habitual en telefonía. Y el sin apantallar (STP "Shielded Twisted Pair")es el que se utiliza para las conexiones de redes de computadoras

Categorías 

La especificación 568A Commercial Building Wiring Standard de la asociación Industrias Electrónicas e Industrias de la Telecomunicación (EIA/TIA) especifica el tipo de cable UTP que se utilizará en cada situación y construcción. Dependiendo de la velocidad de transmisión ha sido dividida en diferentes categorías:
Categoría 1: Hilo telefónico trenzado de calidad de voz no adecuado para las transmisiones de datos. Las características de transmisión del medio están especificadas hasta una frecuencia superior a 1MHz.
Categoría 2: Cable par trenzado sin apantallar. Las características de transmisión del medio están especificadas hasta una frecuencia superior de 4 MHz. Este cable consta de 4 pares trenzados de hilo de cobre.
Categoría 3: Velocidad de transmisión típica de 10 Mbps para Ethernet. Con este tipo de cables se implementa las redes Ethernet 10BaseT. Las características de transmisión del medio están especificadas hasta una frecuencia superior de 16 MHz. Este cable consta de cuatro pares trenzados de hilo de cobre con tres entrelazados por pie.
Categoría 4: La velocidad de transmisión llega hasta 20 Mbps. Las características de transmisión del medio están especificadas hasta una frecuencia superior de 20 MHz. Este cable consta de 4 pares trenzados de hilo de cobre.
Categoría 5: Es una mejora de la categoría 4, puede transmitir datos hasta 100Mbps y las características de transmisión del medio están especificadas hasta una frecuencia superior de 100 MHz. Este cable consta de cuatro pares trenzados de hilo de cobre.
Categoría 6: Es una mejora de la categoría anterior, puede transmitir datos hasta 1Gbps y las características de transmisión del medio están especificadas hasta una frecuencia superior a 250 MHz.
Categoría 7. Es una mejor de la categoría 6, puede transmitir datos hasta 10 Gbps y las características de transmisión del medio están especificadas hasta una frecuencia superior a 600 MHz.

2.1.2 CABLE COAXIAL
Descripción física

Al igual que el par trenzado, tiene dos conductores pero está construido de forma diferente para quw pueda operar sobre un rango mayor de frecuencias. Consiste en un conductor cilíndrico externo que rodea a un cable conductor. El conductor interiormantiene a lo largo del eje axial mediante una serie de anillos aislantes regularmente espaciadoso con un material sólido dieléctrico. El conductor exterior se cubre con una cubierta o funda protectora.

Aplicaciones

Debido a si versatilidad, sus aplicaciones m,ás importantes son:

• Distribuicón de TV
• Telefonía a larga distancia
• Conexión con periféricos a corta distancia.
• Redes de área local

2.1.3 Fibra óptica

Descripción física

La fibra óptica es un medio flexible y extremadamente fino, capaz de conducir energía de naturaleza óptica.

Un cable de fibra óptica tiene una forma cilíndrica y está formado por tres secciones concéntricas: el núcleo, el revestimiento y la cubierta. El núcleo es la sección más interna, y está constituido por una o varias fibras de vidrio o plástico. Cada fibra está rodeada por su propio revestimiento, que no es sino su otro cristal con proipiedades ópticas distintas a las del núcleo. . La capa más exterior que envuelve a uno o varios revestimientos es la cubierta.

Aplicaciones

Las características diferenciales de la fibra óptica frente al cable coaxial y al par trenzado.

• Mayor ancho de banda: El ancho de banda, y por tanto la velocidad de transmisión, en las fibras es enorme. Mediante experimentos se ha podido demostrar que se pueden conseguir velocidades de transmisión de 2 Gbps para decenas de kilómetros de distancia.
• Menor tamaño y peso: son apreciablemente más finas que el cable coaxial o que en los pares trenzados embutidos.. La reducción en tamaño lleva a su vez aparejada una reducción en peso que disminuye la infraestructura.
• Atenuación menor: es significativamente menor en las fibras ópticas que en los cables coaxiales y pares trenzados, además es constante en un gran intervalo de frcuencias.
• Mayor separación entre repetidores: cuantos menos repetidores haya el coste será menor y a su vez menos fuentes de error.

Característica de transmisión

La fibra óptica propaga internamente el haz de luz que transporta la señal codificada de cacuerdo con el principio de la reflexión total. Este fenómeno se da en cualqueir medio transparente que tenga un índice de refracción mayro que el medio que lo contenga.
La luz proveniente de la fuente penetra en el núcleo. Los rayos que inciden con ángulos superficiales se reflejan y se propagan dentro del núcleo de la fibra, mientras que para otros ángulos, los rayos son absorbidos por el material que forma revestimiento. Hay dos tipos de transmisión: multimodo y monomodo.
El método de transmisión es : los rayos de luz inciden con una gama de ángulos diferentes posibles en el núcleo del cable , entonces sólo una gama de ángulos conseguirán reflejarse en la capa que recubre el núcleo . Son precisamente esos rayos que inciden en un cierto rango de ángulos los que irán rebotando a lo largo del cable hasta llegar a su destino . A este tipo de propagación se le llama multimodal .

Si se reduce el radio del núcleo , el rango de ángulos disminuye hasta que sólo sea posible la transmisión de un rayo , el rayo axial , y a este método de transmisión se le llama monomodal .
Los inconvenientes del modo multimodal es que debido a que dependiendo al ángulo de incidencia de los rayos , estos tomar´an caminos diferentes y tardarán  más o menos tiempo en llegar al destino , con lo que se puede producir una distorsión ( rayos que salen antes pueden llegar después ) , con lo que se limita la velocidad de transmisión posible .
Hay un tercer modo de transmisi´on que es un paso intermedio entre los anteriormente comentados y que consiste en cambiar el índice de refracción del núcleo . A este modo se le llama multimodo de índice gradual . Los emisores de luz utilizados son : LED ( de bajo coste , con utilización en un amplio rango de temperaturas y con larga vida media ) y ILD ( más caro ,
pero más eficaz y permite una mayor velocidad de transmisión ) .

2.2 Medios de transmisión inalámbricos

 

Se utilizan medios no guiados , principalmente el aire . Se radia energía electromagnética por medio de una antena y luego se recibe esta energía con otra antena .
 

Hay dos configuraciones para la emisión y recepción de esta energía : direccional y omnidireccional . En la direccional , toda la energía se concentra en un haz que es emitido en una cierta dirección , por lo que tanto el emisor como el receptor deben estar alineados . En el método omnidireccional , la energía es dispersada en múltiples direcciones , por lo que varias antenas pueden captarla . Cuanto mayor es la frecuencia de la seal a transmitir , más factible es la transmisión unidireccional .
Por tanto , para enlaces punto a punto se suelen utilizar microondas ( altas frecuencias ) . Para enlaces con varios receptores posibles se utilizan las ondas de radio ( bajas frecuencias ) . Los infrarrojos se utilizan para transmisiones a muy corta distancia ( en una misma habitación ) .
 

2.2.1. Microondas terrestres
Suelen utilizarse antenas parabólicas . Para conexionas a larga distancia , se utilizan conexiones intermedias punto a punto entre antenas parabólicas .
Se suelen utilizar en sustitución del cable coaxial o las fibras ópticas ya que se necesitan menos repetidores y amplificadores , aunque se necesitan antenas alineadas . Se usan para transmisión de televisión y voz .
La principal causa de pérdidas es la atenuación debido a que las pérdidas aumentan con el cuadrado de la distancia ( con cable coaxial y par trenzado son logarítmicas ) . La atenuación aumenta con las lluvias .
Las interferencias es otro inconveniente de las microondas ya que al proliferar estos sistemas , pude haber más solapamientos de seales .

2.2.2. Microondas por satélite
El satélite recibe las seales y las amplifica o retransmite en la dirección adecuada .
Para mantener la alineación del satélite con los receptores y emisores de la tierra , el satélite debe ser geoestacionario .
Se suele utilizar este sistema para :

• Difusión de televisión .
• Transmisión telefónica a larga distancia .
• Redes privadas .

El rango de frecuencias para la recepción del satélite debe ser diferente del rango al que este emite , para que no haya interferencias entre las seales que ascienden y las que descienden .
Debido a que la señal tarda un pequeño intervalo de tiempo desde que sale del emisor en la Tierra hasta que es devuelta al receptor o receptores , ha de tenerse cuidado con el control de errores y de flujo de la señal .
Las diferencias entre las ondas de radio y las microondas son :

• Las microondas son unidireccionales y las ondas de radio omnidireccionales.
• Las microondas son más sensibles a la atenuación producida por la lluvia.
• En las ondas de radio , al poder reflejarse estas ondas en el mar u otros objetos , pueden aparecer múltiples señales ”hermanas”.

2.2.3. Infrarrojos
Los emisores y receptores de infrarrojos deben estar alineados o bien estar en línea tras la posible reflexión de rayo en superficies como las paredes . En infrarrojos no existen problemas de seguridad ni de interferencias ya que estos rayos no pueden atravesar los objetos ( paredes por ejemplo ) . Tampoco es necesario permiso para su utilización ( en microondas y ondas si ).

Si te ha interesado este tema, tal vez te interesen el resto de unidades de la serie redes informáticas.

Enlaces:
Monografía comunicaciones
Wikipedia  
http://html.rincondelvago.com/0001273012.png
http://docente.ucol.mx/al008353/public_html/imagenes/coaxial.jpg
Resumen de Titulo del Libro Stallings Nicol´as H. Kosciuk MSN: nhk@kosciuk.com.ar