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



Distorsión / dispersión

Modificación de la señal por seguir trayectorias diferentes



Reflejos

Generación de señales espurias por barreras detectadas



0 1 2

Asincronía / retraso / jitter

Mala detección de las señales por ocurrir fuera de tiempo


0 1 2


Descargas eléctricas

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

Sobrecargas eléctricas por no tener buenas tierras físicas

Roedores

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

Destrucción de la infraestructura de comunicaciones

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

Categoría– 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

Categoría Orientación Impedancia Atenuación Crosstalk (NEXT) Capacitancia mutua Estándares aplicables Uso típico

1 Voz N/A N/A N/A N/A UL 444 TeléfonoICEA S-80-576 RS-232

2 ISDN 84-113 ohms 4.0 dB/1000 ft @ 256 KHz N/A N/A UL 444 IBM 3270Datos a @ 1 MHz 5.66 dB/1000 ft @ 512 KHz ICEA S-80-576 IBM 3X-AS/400

baja 6.73 dB/1000 ft @ 772 KHz IBM Tipo 3 Token Ring @ 4 Mbpsvelocidad 8.0 dB/1000 ft @ 1 MHz

3 LAN y 100 ohms ±15% 7.8 dB/1000 ft @ 1 MHz 41 dB @ 1 MHz 20 pF/ft max. UL 444 10BaseTDatos a 17 dB/1000 ft @ 4 MHz 32 dB @ 4 MHz ICEA S-80-576 Starlan 10media 30 dB/1000 ft @ 10 MHz 26 dB @ 10 MHz ANSI/EIA/TIA-568

velocidad 40 dB/1000 ft @ 16 MHz 23 dB @ 16 MHz NEMA4 LAN 100 ohms ±15% 6.5 dB/1000 ft @ 1 MHz 56 dB @ 1 MHz 17 pF/ft max. UL 444 10BaseT

13 dB/1000 ft @ 4 MHz 47 dB @ 4 MHz ICEA S-80-576 Token ring @ 16 Mbps22 dB/1000 ft @ 10 MHz 41 dB @ 10 MHz ANSI/EIA/TIA-56827 dB/1000 ft @ 16 MHz 38 dB @ 16 MHz (TSB 36)31 dB/1000 ft @ 20 MHz 36 dB @ 20 MHz NEMA baja pérdida

5 LAN a alta 100 ohms ±15% 6.3 dB/1000 ft @ 1 MHz 62 dB @ 1 MHz 17 pF/ft max. UL 444 10BaseT(4 pares) UTP velocidad 13 dB/1000 ft @ 4 MHz 53 dB @ 4 MHz ICEA S-80-576 Token Ring @ 16 Mbps

20 dB/1000 ft @ 10 MHz 47 dB @ 10 MHz ANSI/EIA/TIA-568 100BaseT25 dB/1000 ft @ 16 MHz 44 dB @ 16 MHz (TSB 36) TP-DDI28 dB/1000 ft @ 20 MHz 42 dB @ 20 MHz NEMA baja pérdida ATM @ 155 Mbps32 dB/1000 ft @ 25 MHz 41 dB @ 25 MHz frecuencia

36 dB/1000 ft @ 31.25 MHz 40 dB @ 31.25 MHz extendida52 dB/1000 ft @ 62.5 MHz 35 dB @ 62.5 MHz67 dB/1000 ft @ 100 MHz 32 dB @ 100 MHz

5 LAN a alta 150 ohms ±10% 3.2 dB/1000 ft @ 1 MHz 58 dB @ 1 MHz 9 pF/ft max. IBM Data Grade Media 10 BaseT(2 pares) STP velocidad 6.7 dB/1000 ft @ 4 MHz 58 dB @ 4 MHz FDDI Token Ring @ 16 Mbps

10.6 dB/1000 ft @ 10 MHz 40 dB @ 16 MHz 100BaseT13.7 dB/1000 ft @ 16 MHz TP-DDI39 dB/1000 ft @ 62.5 MHz ATM @ 155 Mbps

Clasificación IBM de cables por tipo

Tipo Caracterísitcas1 STP de 2 pares2 STP de 2 pares y UTP de 4 pares3 Telefónico (nivel 2)5 Fibra óptica 100/140 o 62.5/1256 Como el Tipo 1 pero más flexible8 STP de 2 pares con cubierta plana9 Como el tipo 1 pero más delgado y más económico

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

IMPEDANCIACARACTERÍSTICA

(ohms)

50

50

53

75

93

110

APLICACION

Ethernet delgado

Ethernet grueso

NO SE DEBE USAR

CATV

IBM 3270

IBM SYSTEM/3XIBM 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 0

- 14

- 28distancia

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 anchode banda de 19,980 Hz

Más del 90% de la energía de la voz humana se encuentra entre3,400 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 lafrecuencia mínima permitida

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

Limitaciones de los canales analógicos

(ancho de banda) x (# de bits por byte)número de armónicas

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)

Limitaciones de los canales digitales

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

Tipos de conversión

Tipo de informa-ción en el equipo

Analógica

Digital

Analógica

Digital

Tipo de informa-ción en el medio

Tipo de conversión

Analógica

Analógica

Digital

Digital

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

8 armónicas

4 armónicas

1 armónica

Propagación de una onda

Características de una onda: AmplitudFrecuenciaFasePeríodoLongitud de ondaVelocidad

Amplitud

1 ciclo

Fase:0 90 180 270 360 90 180 270 360o o o o o o o o o

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

- Por Amplitud

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)

- Por Frecuencia

- Por Fase

•Existen tres tipos de modulación:

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

xx

180 0

90

270

O O

O

O

x x

x x

xx x x

180 0

90

270

O O

O

O

x

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

NRZ

RZ

Manchester

Bi-fase

Reloj

Manchester diferencial

NRZI

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

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 ...

A B C

AAA

BBB

CCC

AAA

BBB

CCC

FDM (Frequency Division Mux)

... CCCCCCCCCCCCCC ...

A B C

AAA

BBB

CCC

AAA

BBB

CCC

... BBBBBBBBBBBBBB ...... AAAAAAAAAAAAA ...

WDM (Wavelength Division Mux y DWDM Dense Wavelength Division Mux)

... CCCCCCCCCCCCCC ...

A B C

AAA

BBB

CCC

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

AAA

B

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

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