Capa Física

1 Los Enemigos En esta sección se presentan los enemigos adversos al buen funcionamiento de las telecomunicaciones. Los objetivos de conocimiento son los siguientes: Atenuación Interferencia / crosstalk / ruido Distorsión / dispersión Reflejos Asincronía / retraso / jitter Descargas eléctricas Roedores

Atenuación Pérdida de energía en el medio Señal de entrada Señal de salida Canal extendido (medio de transmisión, conectores e interfaces físicas)

Interferencia / crosstalk / ruido Modificación de la información por fuentes externas Señal de entrada Señal de salida Canal extendido (medio de transmisión, conectores e interfaces físicas)

Distorsión / dispersión Modificación de la señal por seguir trayectorias diferentes Señal de entrada Señal de salida Canal extendido (medio de transmisión, conectores e interfaces físicas)

Reflejos Generación de señales espurias por barreras detectadas Señal de entrada Señal de salida Canal extendido (medio de transmisión, conectores e interfaces físicas)

Asincronía / retraso / jitter Mala detección de las señales por ocurrir fuera de tiempo Señal de entrada Señal de salida 0 1 2 0 1 2 Canal extendido (medio de transmisión, conectores e interfaces físicas)

Descargas eléctricas Sobrecargas eléctricas por no tener buenas tierras físicas Si todos los equipos no están debidamente aterrizados puede ocurrir que los equipos se quemen al ocurrir una descarga eléctrica no prevista Si hay conductores metálicos de baja impedancia que conectan diversos edificios, todos ellos deben tener sus tierras físicas igualadas Si se utilizan cables con malla, ésta se debe aterrizar en un solo punto para evitar que se presenten cargas flotantes

Roedores Destrucción de la infraestructura de comunicaciones Los cables, especialmente los conductores de electricidad son susceptibles de ser comidos por diferentes tipos de roedores La generación de señales electromagnética parece incitarlos a comer los cables La instalación de cables con malla anti-roedores o el uso de canaletas y tubos reduce o elimina la probabilidad de destrucción por roedores

2 MEDIOS DE TRANSMISIÓN En esta sección se presentan los diferentes medios de transmisión para propagar las señales de las telecomunicaciones. Los objetivos de conocimiento son los siguientes: Medios de transmisión Cable par trenzado Cable coaxial Cable de fibra óptica Radiofrecuencias Satélite Luz infrarroja Láser

Medios de transmisión Para que la información pase del emisor al receptor se necesita utilizar un medio Existen 6 tipos de medios utilizados en comunicaciones: Cableados Par trenzado Coaxial Fibra óptica Inalámbricos Radiofrecuencias en oficinas Radiofrecuencias terrenas Satélite Luz

Cable par trenzado Son los cables que se utilizaron primero y su calidad era muy pobre para transportar información a alta velocidad Actualmente se producen cables par trenzado que permiten transmitir datos a 1 Gbps Pueden ser blindados (con malla: STP - Shielded twisted Pair) o sin blindaje (sin malla: UTP - Unshielded Twisted Pair) y también existen los FTP que tiene una malla delgada y sus características electromagnéticas son las de los UTP

Enemigos de los cables par trenzado Atenuación Interferencia Reflejos Descargas Roedores

Diferencias entre categoría,nivel y tipo Los cables que cumplen con la norma EIA/TIA/568 de alguna categoría tiene características mejores que los que solo cumplen con las especificaciones del mismo nivel Nivel Los cables que solo cumplen con los requerimientos de nivel pueden tener variaciones importantes en sus características eléctricas Tipo IBM ha denominado ciertos “tipos” a algunos cables con determinadas características, incluidos cables coaxiales y fibras ópticas

Categorías de los cables par trenzado

Clasificación IBM de cables por tipo

Aplicaciones de los cables par trenzado Todo tipo de comunicación de datos, imágenes, voz, audio y video, con la excepción de redes metropolitanas (MAN)

Cable coaxial Se popularizó su uso cuando surgió Ethernet Para Ethernet se utiliza el coaxial grueso (color amarillo) y el coaxial delgado (color gris o negro) Hay muchos cables coaxiales pero solo los que dicen IEEE 802.3 se pueden utilizar para Ethernet

Enemigos del cable coaxial Atenuación Reflejos Asincronía Descargas Roedores

Cables coaxiales TIPO DE CABLE 802.3 y RG 58 802.3, RG 8, RG 11, RG213 Y RG 214 RG 58 RG 59 RG 62 Twinaxial IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA (ohms) 50 53 75 93 110 APLICACION Ethernet delgado Ethernet grueso NO SE DEBE USAR CATV IBM 3270 IBM SYSTEM/3X IBM AS/400

Aplicaciones de los cables coaxiales Redes locales, CATV, terminales IBM, ISDN, conexión a antenas de radio

Cables de fibra óptica Están formadas por una fibra de vidrio central (núcleo) rodeada por otra (revestimiento o clad) con índices de refracción diferentes Las trayectorias de luz que incidan con un ángulo inferior al crítico causarán que el haz de luz se refleje totalmente y no abandone el núcleo Cuando la cubierta es floja se utilizan fibras de kevlar rodeando la fibra óptica para darle resistencia mecánica y evitar que ésta se rompa

Enemigos de la fibra óptica Atenuación Dispersión Reflejos Roedores

Tipos de fibra óptica

Tipos de fibras unimodo Indice escalonado Dispersión desplazada

Power budget El presupuesto de pérdidas es la herramienta para medir las pérdidas a lo largo de un enlace de fibra Las causas de pérdidas en una enlace de fibra óptica son los siguientes: Atenuación en la fibra Conectores Empalmes dBm - 14 - 28 distancia

Fibra óptica vs. cables metálicos

Aplicaciones de la fibra óptica La fibra óptica multimodo índice escalonado ya no se utiliza La fibra óptica multimodo índice gradual se utiliza en redes locales (LAN) con un tramo máximo de 2 Km La fibra óptica unimodo se utiliza en redes de área amplia (WAN) y metropolitanas (MAN) con un tramo máximo de 60 Km

Radiofrecuencias Las ondas de radio se propagan por diferentes medios físicos, como lo son el aire, el vacío y guías de onda Al ser ondas electromagnéticas se propagan en estos dos medios aproximadamente a 300,000Km/seg Existen tres tipos de comunicación por radio: En oficinas Terrenas Satelitales

Enemigos de la comunicación por radio Atenuación Interferencia Distorsión Reflejos Asincronía

Radiofrecuencias en oficina Consiste en antenas emisoras/receptoras colocadas en los equipos de cómputo para conectividad local (LAN) Ventajas No se requiere cableado Movilidad y reubicación Muchas veces no se requiere línea de vista Puesta en marcha muy rápida No requiere asignación de frecuencia Desventajas 800’ de distancia máxima entre estaciones Las paredes atenúan la señal Muchas de ellas operan a menos de 10 Mbps

Comunicación terrena por radio Existen dos opciones de frecuencias: radio y micro-ondas, teniendo mayor alcance estas últimas Ventajas No se requiere cableado Grandes distancias Tasas medias y altas Desventajas Infraestructura costosa Requiere línea de vista (incluyendo la primer zona de Fresnel) Puede requerir asignación de frecuencia La lluvia y el polvo afectan la calidad de la transmisión

Comunicación satelital Se utilizan estaciones terrenas de micro-ondas apuntadas al satélite que las repetirá Ventajas No se requiere cableado Muy grandes distancias No se requiere línea de vista (solo al satélite) Desventajas Infraestructura muy costosa Tiempo de respuesta con retraso de más de medio segundo Tasas bajas Requiere asignación de frecuencia La lluvia y el polvo afectan la calidad de la transmisión

Aplicaciones de la comunicación por radio Se utilizan en todo tipo de comunicaciones aprovechando las ventajas de cada un de las opciones disponibles

Comunicación luminosa Existen 2 opciones: LASER y luz infrarroja La comunicación con LASER es muy costosa y no tiene mucho alcance, se usa principalmente para enlazar edificios a tasas altas La comunicación con luz infrarroja enlaza dispositivos a tasas bajas y con corto alcance, siendo muy económica

3 CAPACIDAD DE LOS CANALES En esta sección se presentan las capacidades de los canales de telecomunicaciones. Los objetivos de conocimiento son los siguientes: Capacidad de un canal Canal extendido Ancho de banda Limitaciones de los canales

Capacidad de un canal La tasa máxima de transmisión de un canal se le denomina su capacidad La capacidad se mide en bits por segundo Muchas veces se le llama ancho de banda a lo que en realidad es su capacidad

Canal extendido Se le llama canal extendido a los siguientes componentes: • Medio de transmisión • Conectores • Interfaz del equipo • Circuitería de acceso al medio En todo análisis de un canal se debe considerar el canal extendido

Ancho de banda Ancho de banda (B): El oído humano registra entre 20,000 Hz y 20 Hz , o sea, un ancho de banda de 19,980 Hz Más del 90% de la energía de la voz humana se encuentra entre 3,400 Hz y 300 Hz , o sea, un ancho de banda de 3,100 Hz Este es el ancho de banda de la red telefónica conmutada (RTC) diferencia entre la frecuencia máxima y la frecuencia mínima permitida

Limitaciones de los canales analógicos Los canales analógicos están limitados por el número de armónicas que pueden ser transmitidas: Capacidad máxima del canal en bps = Para reconstruir la señal original se requieren 8 armónicas como mínimo (ancho de banda) x (# de bits por byte) número de armónicas

Limitaciones de los canales digitales Los canales digitales están limitados por la proporción señal a ruido: Capacidad máxima del canal en bps = 3.32 x (ancho de banda) x log (1+ señal/ruido)

4 MODULACIÓN Y CODIFICACIÓN En esta sección se presentan los causas que obligan a realizar conversiones de las señales al ser transmitidas por los medios de telecomunicaciones. Los objetivos de conocimiento son los siguientes: Tipos de conversión Modulaciones Codificaciones

Requerimientos de conversión de señales Características físicas Emisor y receptor Medio de comunicación Naturaleza de las señales Analógicas Digitales Enemigos específicos Las diferencias de las características físicas entre el medio de transmisión y el ambiente de los equipos emisor y receptor hacen necesario que se realicen ciertos procesos de conversión para optimizar la comunicación

Tipos de conversión Tipo de informa- ción en el equipo Analógica Digital ción en el medio Tipo de conversión Modulación AM, FM, PM Modulación ASK, FSK, PSK Codificación PCM, Delta Codificación NRZ, RZ, NRZI, Manchester, Diferencial, Miller, Bifase, etc.

Modulación Proceso para enviar información analógica por el medio, el cual modifica (modula) una onda senoidal perfecta llamada portadora (carrier) según la información del emisor En el otro extremo del medio debe realizarse la función inversa (demodulación) para entregar la información al receptor

Series de Fourier El matemático Jean Fourier demostró que una función periódica no errática puede ser representada por una serie de funciones senoidales armónicas

Aproximación de una señal Número incremental de armónicas: Señal original 1 armónica 4 armónicas 8 armónicas

Propagación de una onda Características de una onda: Amplitud Frecuencia Fase Período Longitud de onda Velocidad 1 ciclo Amplitud Fase: o o o o o o o o o 0 90 180 270 360 90 180 270 360

Características de una onda Amplitud (A) Frecuencia (f) Fase () Período (T) Longitud de onda () Velocidad (v) Altura máxima de la onda Número de ciclos que ocurren en un segundo Ángulo de la senoide Tiempo que tarda un ciclo Distancia que avanza la onda en un ciclo Velocidad de la onda en el medio, para las ondas electromagnéticas es la velocidad de la luz (c): 300,000 km/seg f : ciclos por segundo (en Hz) T = 1/f (en seg)  = v/f (en mts)

Onda portadora (carrier) La onda portadora se utiliza para enviar información analógica en un medio físico Se utiliza como base para modificarla (modularla) según la información del emisor La onda portadora debe tener una frecuencia de al menos el doble de la frecuencia de la señal original, y típicamente es mucho mayor que la de ésta última

Opciones de modulación Existen tres tipos de modulación: Por Amplitud Por Frecuencia Por Fase Cuando la señal original es analógica, a estas modulaciones se les conoce como: AM (Amplitude Modulation), FM (Frequency Modulation) y PM (Phase Modulation) Cuando la señal original es digital, a estas modualciones se les conoce como: ASK (Amplitude Shift Key), FSK (Frequency Shift Key) y PSK (Phase Shift Key)

Diagramas amplitud-fase Los moduladores/demoduladores (modems) de cómputo utilizan frecuentemente múltiples opciones de ASK y PSK, describiéndose en diagramas amplitud-fase, como los siguientes: x x x 180 0 90 270 O O O x x x x x 180 0 90 270 O O O

Codificación Proceso para enviar información digital por el medio, el cual genera (codifica) un conjunto de valores binarios según la información del emisor En el otro extremo del medio debe realizarse la función inversa (decodificación) para entregar la información al receptor Existen dos tipos de codificación: analógico-digital digital-digital

Codificación analógico-digital Las señales analógicas pueden digitalizarse obteniéndose muestras del valor de su amplitud Las muestras deben realizarse en forma periódica

Postulado de Nyquist El matemático Nyquist demostró que una función analógica puede ser aproximada por muestreos que ocurran al menos al doble de la frecuencia máxima de la señal original Las desviaciones resultantes no son perceptibles, o al menos no impactan en la comunicación, debido a que su frecuencia es mayor que la máxima

PCM (Pulse Code Modulation) La primer codificación que se estandarizó fué la de la voz humana a través de la red telefónica conmutada, a la que se le denominó PCM Al tener 3,100 Hz y una banda de guarda de 900 Hz para separar cada canal, el ancho de banda total es de 4,000 Hz La frecuencia del muestreo es el doble del ancho de banda, o sea, 8,000 Hz Se codifican hasta 256 diferentes valores de amplitud, por lo que se requieren 8 bits para cada valor El canal debe tener una tasa de 8 bits x 8,000 Hz , esto es, la capacidad del canal para digitalizar la voz es de 64,000 bits/seg

Codificación digital-digital Las señales digitales son enviadas a través del medio por diferencia de voltaje o de intensidad luminosa Se utilizan distintos métodos según las características del medio, y las más comunes son: NRZ RZ NRZI Manchester Miller Bi-fase

Desincronización entre emisor y receptor Emisor y receptor tienen cada uno su propio reloj No existen dos relojes idénticos, por lo que tienden a desincronizarse En la comunicación se utilizan ciertos campos que permiten al reloj del receptor resincronizarse con el reloj del emisor Algunos códigos sirven para que los relojes no se desincronicen durante la transmisión de un bloque de información

Tipos de codificación digital-digital Datos 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 Reloj NRZ RZ NRZI Manchester Manchester diferencial Bi-fase

Equipos intermedios de la capa física

5 EQUIPOS INTERMEDIOS DE LA CAPA FÍSICA En esta sección se presentan los diferentes equipos de la capa física de telecomunicaciones. Los objetivos de conocimiento son los siguientes: Repetidores Amplificadores Estrellas pasivas Multiplexores Concentradores de terminales Modems y Codecs CSUs y DSUs Transceivers Transductores Balunes y filtros

Los equipos intermedios de la capa física Repetidores Amplificadores Estrellas pasivas Multiplexores Concentradores de terminales Modems Codecs CSUs DSUs Transceivers Transductores Balunes/filtros

Repetidores Se utilizan en redes locales (LAN) y de área amplia (WAN) Extienden el alcance de la red Operan bit a bit Reconstruyen la señal sin distorsión Repiten por todos los puertos excepto por el inicial No aislan tráfico ni fallas Imponen retraso En Ethernet se utilizan 4 como máximo excepto para 10BaseFB Económicos

Amplificadores Se utilizan en redes de área amplia (WAN) Extienden el alcance de la red Operan en forma simultánea a la señal Amplifican la señal y el ruido Repiten por todos los puertos excepto por el inicial No aíslan tráfico ni fallas No imponen retraso Se utilizan tantos como lo permita el nivel acumulado de ruido Económicos

Estrellas pasivas Multiplican el número de enlaces No requieren alimentación de energía eléctrica Dividen la señal sin distorsión ni retraso Repiten lo que reciben por todos los puertos No aislan tráfico ni fallas La señal se atenúa al ser dividida entre los puertos En Ethernet se utiliza uno como máximo entre equipos activos Son económicos

Estrellas pasivas Multiplican el número de enlaces No requieren alimentación de energía eléctrica Dividen la señal sin distorsión ni retraso Repiten lo que reciben por todos los puertos No aislan tráfico ni fallas La señal se atenúa al ser dividida entre los puertos En Ethernet se utiliza uno como máximo entre equipos activos Son económicos

Multiplexores (Muxes) Permiten transmitir varios canales lógicos por un solo canal físico Hay cinco tipos de muxes: TDM (Time Division Multiplexor) FDM (Frequency Division Multiplexor) WDM (Wavelength Division Multiplexor) DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexor) SDM (Statistical Division Multiplexor)

TDM (Time Division Mux) ... A B C A B C A B C A B C ... CCC CCC BBB BBB AAA AAA A B C

FDM (Frequency Division Mux) ... CCCCCCCCCCCCCC ... A B C AAA BBB CCC ... BBBBBBBBBBBBBB ... ... AAAAAAAAAAAAA ...

WDM (Wavelength Division Mux y DWDM Dense Wavelength Division Mux) ... CCCCCCCCCCCCCC ... A B C AAA BBB CCC ... BBBBBBBBBBBBBB ... ... AAAAAAAAAAAAA ...

STM (Statistical Division Mux) ... A C C C A B C C C A C C ... A B C AAA B CCCCCCC CCCCCCCCC

Concentradores de terminales Realizan labor de multiplexaje para manejar muchas terminales con un solo canal de comunicación

Modems y codecs Convertidores para que la señal viaje en el medio en forma óptima

CSUs y DSUs En muchas ocasiones se combinan en un solo equipo CSU/DSU CSU (Channel Service Unit) Termina el circuito digital del proveedor de servicio Involucra un Codec Realiza funciones de inserción de bits DSU (Data Service Unit) Genera las tramas y canaliza los datos para ser transmitidos por la red digital

Transceivers Envían y reciben las tramas en redes Ethernet Son responsables de detectar las colisiones Son externos o internos (a la tarjeta) que se conecta al equipo

Transductores Cambian la señal para transmitirse en un medio radicalmente diferente Usualmente se utilizan para cambiar de cable metálico a fibra óptica o a la inversa

Balunes y filtros Permiten enlazar cables metálicos con características diferentes Evitan que se produzcan reflejos Permiten el paso de ciertas frecuencias y bloquean el paso de otras