COMUNICACIONES Y REDES INFORMÁTICAS

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1 COMUNICACIONES Y REDES INFORMÁTICAS Pequeña visión general de las redes informáticas así como la transmisión de datos Desarrollo De Productos Electrónicos

2 Sergio Cabeza Barrantes 2

3 Tabla de contenido 1 PARTE I: GENERAL Qué Es Una Red Informática? Configuración De La Línea Modos De Transmisión Diseño Físico: Topologías De Red Topología en anillo Topología en bus Topologia en malla Topología en estrella Topología en árbol Topología celular Topología híbrida Medios De Transmisión Par trenzado Cable Coaxial Fibra Óptica Transmisión Inalámbrica Protocolos Modelo OSI Arquitectura TCP/IP Red Área Local y Red De Área Amplia Red de área local Red de área amplia Modem PARTE II: COMUNICACIÓN DE DATOS Señal Analógica Simple Señal analógica compuesta Señal digital Teorema de Nyquist Teorema de Shannon-Hartley PARTE III: CODIFICACION DE DATOS...24 Sergio Cabeza Barrantes 3

4 3.1 Modulación: Datos Digitales, Señales Analógicas ASK-Modulación por desplazamiento de amplitud FSK-Modulación por desplazamiento de frecuencia PSK-Modulación por desplazamiento de fase QAM-Modulación en amplitud de cuadratura Codificación: Datos Digitales, Señales Digitales Codificación unipolar Codificación polar Codificación Bipolar Digitalización: Datos Analógicos, Señales Digitales REFERENCIAS Páginas WEB Libros Portada...37 Sergio Cabeza Barrantes 4

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6 1 PARTE I: GENERAL 1.1 Qué Es Una Red Informática? Una red de ordenadores o red informática es un conjunto de procedimientos, programas informáticos y conexiones físicas que se establece cuando dos o más ordenadores son conectados entre sí. Mediante esta interconexión, dichos equipos pueden enviar y recibir datos de otros terminales, así como compartir ficheros o impresoras. Para ello, se debe establecer un método por el cual, los datos deben recibirse sin sufrir ninguna modificación desde que fueron enviados. De la misma manera, se deberá establecer diferentes reglas y normas, llamadas protocolos, entre ordenadores para establecer idénticos procedimientos de conexión, comunicación y transferencia de datos entre los ordenadores que manejan lenguajes distintos es decir, que los ordenadores que estén en red con protocolos diferentes nunca podrían establecer una comunicación. Para ello, deberán tener el mismo lenguaje. El proceso de comunicación entre equipos se esquematiza de la siguiente forma: Esquema general del sistema de comunicación En las conexiones entre ordenadores se pueden diferenciar varios componentes. Las conexiones físicas o el hardware de red entre equipos, mediante el cual se establece los materiales que unen los ordenadores, por ejemplo el tipo de conectores a usar, los cables transmisores u otro medio de transmisión. Por otra parte, existen las conexiones lógicas o el software de red por el cual, diferentes programas decretan las normas a seguir para el envío y recibimiento de información. Por último, cabe destacar los medios de transmisión que transportan las señales, ya que deberán ser de unas especificaciones necesarias para poder transmitir toda la información sin ninguna pérdida. Para conectar diferentes ordenadores en una red informática, es necesario determinar una arquitectura de red, mediante la cual se combina los dos tipos de conexiones anteriores, la física y la lógica. Cuando utilizamos una red informática pública para enviar y recibir datos, ya Sergio Cabeza Barrantes 6

7 sea entre dos ordenadores (por ejemplo un correo electrónico) o para navegar en una página web la llamaremos Internet. Sin embargo Intranet también utiliza los mismos protocolos que Internet, pero con la diferencia que en este caso se trata de una red privada de ordenadores. Por último, Extranet la podríamos definir como una red semiprivada que utiliza los protocolos de internet, una infraestructura pública, pero se comunica de forma segura mediante una organización de equipos o servidores. 1.2 Configuración De La Línea La configuración de la línea es la antesala a las topologías. En ella habilitamos el tipo de enlace físico que se establece cuando comunicamos dos o más dispositivos entre sí. Existen dos tipos de configuración de la línea: Punto a punto. Se establece cuando existe un enlace únicamente para dos terminales donde el canal queda reservado para la transmisión de información entre ambos terminales. Configuración Punto a punto Multipunto. A diferencia del Punto a Punto, el multipunto varios dispositivos compartes el canal. Por lo que este no queda espacialmente reservado, si no que la capacidad del canal se reparte entre los equipos. Configuración Multipunto Sergio Cabeza Barrantes 7

8 1.3 Modos De Transmisión Al crear una red informática entre dos dispositivos, deberemos saber cómo es el modo de transmisión, es decir a la dirección del flujo o intercambio de información (señales tanto analógica como digitales) a través de un medio de transmisión o canal. Entonces, la línea de transmisión se podrá dividir en tres clases: Simplex. En este caso, el flujo de información será unidireccional, es decir, los datos solo irán en una sola dirección a través del medio de transmisión, y por tanto, hay solo un emisor y un receptor (un carril de un solo sentido). Half-dúplex o semidúplex. A diferencia del anterior, en el caso del semidúplex el emisor también es receptor, al igual que el receptor es emisor. Pero con un pequeño inconveniente, uno de los dos terminales podrá enviar o recibir datos, pero no podrá realizar las dos acciones al mismo tiempo. Cuando uno envía, el otro solo puede recibir, y viceversa (un carril de dos sentidos). Full-dúplex o dúplex. En este caso, se resuelve el problema anterior, ya que los dos terminales pueden emitir y recibir simultáneamente. Para solucionarlo, se deberá disponer de dos medios de transmisiones diferentes separados, o simplemente dividir la capacidad de un solo canal para poder transmitir en los dos sentido (dos carriles de dos sentidos). 1.4 Diseño Físico: Topologías De Red Cuando estamos hablando de las topologías de las redes telemáticas, nos referimos a la forma física en que está formada por los componentes de estas redes, es decir, a la interconexión entre los ordenadores y equipos que formas las redes informáticas. En función de cómo estén conectados los ordenadores o equipos en una red, podremos distinguir varias topologías: Topología en anillo Este tipo de topología, la red consta de varios equipos unidos entre sí formando un bucle cerrado o anillo. Este tipo de red se le llama emisora, es decir, la información enviada por un ordenador es leída por otro ordenador adyacente, que examinará la dirección de la información. Si la dirección del paquete de información coincide con el destinatario, este último copiará los Sergio Cabeza Barrantes 8

9 datos. Cuando esta información es leída por este segundo nodo (ordenador) y no coincide la dirección, el equipo volverá a mandar la información para que circule por el anillo, para que un tercer ordenador haga el mismo procedimiento, y así sucesivamente hasta que el paquete llegue a su destino. Topología en anillo Topología en bus La topología en bus consiste en la conexión de varios equipos a un medio de transmisión conocido como bus de datos lineal. En este caso, también se trata de una red emisora, ya que todos los ordenadores son receptores cuando un nodo envía un paquete de datos en ambas direcciones, los demás nodos examinaran si la dirección del paquete coincide con la dirección del destinatario. Hasta el momento que lo haya detectado, el nodo emisor sigue enviando información para solucionar posible interferencias si existe otro nodo que emita otra información simultáneamente. El nodo finamente comprobara posteriormente la correcta transmisión de la información. La información viaja a gran velocidad a través del bus y finaliza en extremos de dicho bus. Topología en bus Topologia en malla En la topología en malla, los nodos estas conectados a todos y cada uno de los otros nodos en una red informática. De esta manera, podemos permitirnos mandar datos de un equipo a otro sin necesidad de pasar por ningún otro equipo, o por medio de diferentes caminos. Si fallase un camino, los datos podrían viajar por otro. De esta forma, la topología de malla se convierte en un sistema seguro para enviar datos sin algún camino pudiera sufrir daños. Sergio Cabeza Barrantes 9

10 Topología en malla Topología en estrella La topología en estrella consiste en la conexión de los nodos a un nodo central, punto de conexión entre nodos, router no concentrador. Es decir los nodos radian desde un punto central, el router. Este último tiene como función transmitir la información que manda alguno de los nudos y redirecciona la información hacia el equipo correspondiente, salvo que el punto central funcione como un bus normal, y la información se transmitirá hacia todos los nodos conectados. Topología en estrella Topología en árbol La topología en árbol se puede entender como una derivada de la anterior, la topología de estrella, o una generalización de la topología en bus. Si lo tomamos como lo segundo, podremos decir que esta topología se caracteriza por ser un bus abierto ramificado que comienza en un punto central, el headend (como en la topología en estrella, al que llamábamos router). Adicionalmente, estas ramas pueden volver a ramificarse dando lugar a una estructura en árbol. El modo de transmisión de información, será igual que en la topología en estrella. Existe un problema derivado de la topología en bus ya que si dos ordenadores intentan transmitir a la vez, tendrán el mismo problema en esta topología en esa misma situación. Para solucionar este problema, en este caso se mandaran tramas de información, las cuales llevan un identificador en la cabecera donde se incluye el destino de dicha trama. Sergio Cabeza Barrantes 10

11 Topología en árbol Topología celular La topología celular está referida a redes inalámbricas que utilizan diferentes protocolos de transmisión. Los nodos (inalámbricos) se conectan a un nodo central base para recibir de él la información. Para cada nodo se establecerá un canal correspondiente para su conexión y posteriormente la transmisión de la información. Topología celular Topología híbrida En este tipo de topología se aplicará todas las combinaciones posibles de las topologías anteriores. Topología híbrida Sergio Cabeza Barrantes 11

12 1.5 Medios De Transmisión Los medios de transmisión de datos son los soportes físicos por el cual se apoya las redes informáticas para enviar datos e información y poder comunicarse desde el emisor al receptor. Estos medios se pueden clasificar según su naturaleza en guiados o no guiados. Los medios de transmisión guiados son aquellos en los que la información se transmite mediante una señal a través de un cable físico por el que se propaga dicha señal, por lo que será el propio cable el que limite la calidad de la transmisión. Cabe destacar para los guiados, los medios más utilizados como el par trenzado, el cable coaxial y la fibra óptica. Los medios de transmisión no guiados son aquellos en los que las señales se transmiten a través de una red inalámbrica o antena, como por ejemplo la radiodifusión, las microondas o infrarrojos. A cambio de los medios guiados, los medios no guiados no proporcionan un direccionamiento de la señal, como es el en caso de los cables o fibra óptica Par trenzado El par trenzado consiste en dos cables de cobre aislados independientemente uno por uno embutidos así mismo en un aislante. Dos cables en paralelo forman un antena y por tanto ser capaces de captar interferencias, ruidos o perturbaciones en la señal transmitida, debido a esto, se los cables entrecruzan. utilizado. Este tipo de cable resulta muy económico, y por tanto es el medio de transmisión más En este tipo de transmisión se pueden dar varios tipos, uno de ellos es el UTP. Los UTP son los más simples ya que no tienen pantalla aislante entre los cables y el aislante exterior. Otro tipo es el STP, los cuales son pares trenzados apantallados individualmente, u otra forma de decirlo, los cables de cobre se apantallan por individual antes de abrigarlos con el aislante exterior. Este tipo son los que sufren menos perturbaciones de ruido y perturbaciones exteriores. Por último, tendremos los FTP o pares trenzados apantallados, es decir, los cables de cobre se apantallan conjuntamente antes del aislante. Este tipo de cables se utilizan tanto para transmitir datos analógicos como datos digitales, pero a corta distancia respecto a los otros medios. Sergio Cabeza Barrantes 12

13 1.5.2 Cable Coaxial Otro medio de transmisión es el cable coaxial. A diferencia del par trenzado, este medio de transmisión, aunque también utiliza dos cables, estos están distribuidos de diferente forma. En el interior del cable existe un cable de cobre rodeado por un aislante eléctrico. Enrollado sobre este aislante se encuentra el segundo cable, pero en forma de malla o cubierta. Sobre esta malla se abriga con el aislante exterior. La aplicación más utilizada de este tipo de medio es la transmisión de señales de televisión hasta el domicilio y la telefonía a larga distancia. El cable coaxial resulta muy versátil si se trata de enviar datos, ya que es un medio, que, por motivo de su apantallamiento, sufre menos perturbaciones e interferencias que el par trenzado Fibra Óptica La fibra óptica es un medio de transmisión por el cual la luz se propaga a través de un cristal o plástico cilíndrico con un apantallado periférico reflector y posteriormente con el aislante exterior. Se utiliza haces de luz para la transmisión de información binaria, habitualmente la ausencia de luz se le asigna el valor cero y la presencia de esta el valor uno. diferenciar: Dependiendo de la forma de transmitir los datos por la fibra óptica, se podrá Monomodo: en este caso la luz se transmitirá de forma directa por la fibra, es decir, en línea recta sin ningún tipo de ángulo de reflexión sobre el apantallamiento. Multimodo: a diferencia del monomodo, la luz se transmite a través de la fibra con un ángulo incidente sobre el apantallamiento reflector. Multimodo de índice gradual: en este caso, se produce el mismo proceso que la forma multimodo, pero podremos variar gradualmente el índice de refracción de la fibra, ya que esta aumenta o disminuye gradualmente el índice del centro a los extremos de la fibra. Este tipo de medio de transmisión se utiliza para la transmisión de una mayor cantidad de información a una mayor distancia que los otros medios de transmisión, con una calidad de transmisión excelente sin casi apenas perturbación ni interferencias, salvo cuando han de empalmar dos fibras ópticas diferentes. Sergio Cabeza Barrantes 13

14 1.5.4 Transmisión Inalámbrica Este tipo de transmisiones son las llamadas transmisiones inalámbricas. Se llevan a cabo de antenas, es decir, no necesita ningún tipo de cables para la transmisión de datos. Estas antenas irradian señales con una determinada frecuencia por el espacio (aire). La longitud de onda (que se desarrollará en la Parte II) es la distancia que separa dos picos consecutivos de la onda, es decir, la distancia que ocupa un ciclo de la onda. Dependiendo de la frecuencia de la señal emitida, las señales se podrán diferenciar en ondas de radio, ondas infrarrojas o microondas. Las ondas de radio tienen un rango de frecuencia entre 30MHz y 1GHz, son capaces de atravesar edificios y recorrer largas distancias. Las ondas infrarrojas se utilizan sobre todo para controles remotos y cortas distancias. Las ondas microondas están entre 1 y 10GHZ, no atraviesan bien los edificios y se utilizan para largas distancias. 1.6 Protocolos Como explicamos en el punto 1.1 llamamos protocolo al conjunto de reglas e instrucciones para que dos equipos diferentes tengan idénticos procedimientos de conexión, comunicación y transferencia de datos entre los ordenadores que manejan lenguajes distintos. Hay dos protocolos que son determinantes en el desarrollo de las comunicaciones. El protocolo TCP/IP fue creado para servir de estructura la a comunicación mediante Internet, pero el modelo que describe y estructura toda la arquitectura es el modelo OSI. Seguidamente describiremos la arquitectura TCP/IP y el modelo OSI Modelo OSI El modelo OSI es un modelo orientativo y descriptivo creado por la ISO (Organización Internacional para la Estandarización) para intentar definir las arquitecturas de conexión entre las diferentes redes existentes mediante diversas capas o niveles estructuradas jerárquicamente. Cada capa o nivel realiza una función específica, la cual implementara una función sobre la información sin tener en cuenta el resto de niveles, sobre la información a enviar o recibir. Sobre cada capa existen otras dos adyacentes a ella, una superior y otra inferior, las cuales ofrecen servicios a esta intermedia. La capa superior ofrece servicios a la inferior, y esta última los utiliza de la superior. El último propósito del modelo OSI es el intercambio de datos entre equipos. Para ello, la información debe pasar, con anterioridad a ser transmitida, por los diferentes niveles para Sergio Cabeza Barrantes 14

15 que se le puedan añadir datos de control en la cabecera de la información a enviar. Estos datos de control únicamente serán leídos e interpretados por los niveles homónimos en el equipo receptor de la información, por lo que los niveles inferiores a este, no serán capaces de interpretar la información y por tanto no podrán leerla. Para que exista el lenguaje entre los niveles homónimos, deberán tener el mismo protocolo. Al conjunto de protocolo que utiliza el modelo OSI se le llamará pila de protocolos. El modelo OSI se divide en los siguientes niveles: Nivel físico: el nivel físico es aquel que se encarga de la transmisión y la conexión del equipo con la red, y posteriormente con el equipo receptor. Define los medios físicos e interfaces, así como el medio de transmisión, velocidad de transmisión, modo de transmisión y topología de la red. Nivel de enlace: la capa de enlace se encarga de proporcionar una transmisión adecuada entre emisor y receptor, es decir, que la información enviada sea fiable, es decir, que se mande sin errores a la velocidad de transmisión adecuada para que el receptor pueda recibirlo. Esto se consigue dividiendo la información en tramas, además de las cabeceras. Estas tramas se direccionan mediante estas cabeceras, las cuales tienen la información del receptor. Nivel de red: esta capa es la encargada de realizar la correcta entrega de la información al receptor aunque este esté en diferentes redes. Esta capa es en la que los enrutadores cumplen su función, encaminando y Diferentes capas del modelo OSI direccionando los paquetes de datos. Nivel de transporte: esta capa se encarga de llevar los datos e información al destinatario, aunque estos no se encuentren en la misma red. La información enviada en este caso se llamará segmento. Nivel de sesión: esta capa se encarga de organizar, mantener y sintetizar el orden entre el enlace establecido y la comunicación e intercambio de datos. Esta capa sincroniza ambos equipos para la transmisión y recepción de datos. Sergio Cabeza Barrantes 15

16 Nivel de presentación: esta capa se encarga de presentar la información, de manera que aunque diferentes ordenadores hablan diferentes lenguajes, esta capa sintetiza la información para que los equipos pueden representar este lenguaje adecuadamente y reconocible por el equipo receptor. Nivel de aplicación: Esta capa es la que, aunque indirectamente ya que se hace a través de un programa o aplicación, interactúa con el usuario del equipo. Este nivel implementa servicios como el de transferencia de archivos, servicios World Wide Wide (WWW) o servicios de correo electrónico Arquitectura TCP/IP Internet como ya hemos dicho, se basa en un conjunto de protocolos de red, llamados protocolos TCP/IP. Estos protocolos lo componen el protocolo TCP (Transmission Control Protocol) o protocolo de control de transmisión de datos y el protocolo IP (Internet Protocol) o protocolo de internet. Esta arquitectura es la que se ha impuesto ya que es un claro ejemplo de cómo conectar diferentes redes (LAN y WAN) que trabajan con diferentes lenguajes. Esta familia de protocolos se basan en el modelo OSI descrito en el apartado anterior. Pero a diferencia del modelo OSI, la arquitectura de protocolos TCP/IP solo presenta cinco capas o niveles: nivel de aplicación, nivel de transporte, nivel internet, nivel de red y nivel físico. Habitualmente estos dos últimos se juntan en el nivel de enlace físico. De igual manera y por analogía con el modelo OSI, en la capa de aplicación de la arquitectura TCP/IP podríamos agrupar los niveles de aplicación, de presentación y de sesión del modelo OSI. Analogías de la arquitectura TCP/IP con el modelos OSI Sergio Cabeza Barrantes 16

17 1.7 Red Área Local y Red De Área Amplia Como ya hemos visto en las topologías, una red informática es un conjunto de equipos (nodos) conectados entre sí mediante enlaces físicos para el envío de información a través de ellos para compartir recursos. E n función de lo anterior podremos definir varios tipos de redes según la ubicación en un área geográfica. Podríamos desarrollar diferentes redes como son la red de área persona o PAN (Personal Area Network), una red de are de campus o CAN (Campus Área Network) o una red de área metropolitana o MAN (Metroplotian Area Network), pero por el grado de importancia mundial, ya que son las más extendidas globalmente, explicaremos la red de área local, y la red de área amplia Red de área local Un red de área local o también llamada LAN (Local Area Network) son aéreas generalmente privadas de organismos o usuarios que las administran y que la utilizan para interconectar diferentes dispositivos cercanos, así es, definiremos una red LAN como aquella red en los que los equipos o nodos están próximos entre sí, comúnmente dentro del propio edificio. Las velocidades en este tipo de red oscilan entre 10 y 100 Mbps Los protocolos que se utilizan habitualmente en este tipo de redes son los protocolos de las capas superiores del modelo OSI que veremos más adelante. Las redes LAN. Los estándares para estas redes las impuso la organización de estandarización IEEE, el cual creó un proyecto para este tipo de redes llamado IEEE 802. El IEEE 802 implementa las funciones del nivel físico y de enlace, es decir, define mas una los niveles más bajo del modelo OSI. árbol. Las principales topologías de la red LAN son de bus, en estrella, en anillo, en malla y en Ethernet y CSMA-CD son dos ejemplos de LAN Red de área amplia Una red de área amplia, área extensa o WAN (Wide Area Network) es aquella red que se extiende mucho más allá de las redes LAN, es decir, tienen un campo de comunicación más extenso y disperso. Son redes públicas con acceso frecuentemente mediante cable telefónico. Este tipo de redes WAN implementa los protocolos del modelo OSI, preferentemente los niveles primeros, hasta el tercero, aunque pueden cubrir hasta el nivel segundo. Además, la red WAN utiliza el protocolo PPP (Point-TO-Point Procotol, Protocolo de punto a punto), el cual se utiliza para dotar y autentificar de una IP para notificar al usuario o cliente del servidor. Sergio Cabeza Barrantes 17

18 Las redes WAN contienen una serie de servidores o maquinas encargadas de ejecutar los programas de los usuarios llamados Host. Los Host son equipos u ordenadores conectados a la red que proveen de información y datos, así como servidores web o transferencia de archivos a los demás usuarios conectadas a dicha red. A una red WAN se le puede acoplar una red LAN mediante un router o encaminador. Cada Host esta está conectado a una red LAN en la cual existe un router para enviar la información a la subred. Las topologías más utilizadas en las rede WAN son las de anillo, estrella o celular 1.8 Modem Un modem es aquel dispositivo que convierte las señales recibidas por un equipo determinado para que puedan ser interpretadas o viceversa, convierte la información en señales para poderlas enviar por un determinado medio de transmisión entre diferentes equipos, en otras palabras, el modem hace la función de modulador y demodulador. El equipo tiene unos datos digitales que desea enviarlos mediante una señal analógica, en este caso el modem actuará como modulador. Cuando el modem recibe una señal analógica el modem desmodula la señal para captar los datos recibidos e interpretarlos de forma digital. Estas señales serán transmitidas mediante cables telefónicos como hemos visto en el apartado de medios de transmisión. Este tipo de medios están limitados en cuestión de ancho de banda y velocidad de transmisión, por lo que actúalmente se está implantando cada vez mas ara uso doméstico el cable coaxial y la fibra óptica que solucionan notablemente este problema mediante módems que utilizan otras tecnologías. Función del modem Seguidamente, en el siguiente capítulo (en la Parte II), veremos la conversión de señales analogías y digitales Sergio Cabeza Barrantes 18

19 2 PARTE II: COMUNICACIÓN DE DATOS 2.1 Señal Analógica Simple Una señal analógica simple o también llamada fundamental es la onda que tiene como ecuación la de un movimiento (respecto del tiempo) armónico simple. Es la onda más sencilla que se puede obtener, y corresponde a una función trigonometría Seno o Coseno. Debido a esto, a este tipo de ondas se les llama también sinusoidal o senoidal. Las señales analógicas simples se describen mediante tres características: amplitud, frecuencia y fase o desfase. La amplitud de una onda es el valor de la magnitud que obtiene la señal en un instante concreto. La amplitud máxima, o valor de pico es el valor máximo de la magnitud de la señal en un tiempo concreto. El valor de pico a pico, es el valor máximo entre dos puntos en un tiempo concreto de la onda, es decir, la amplitud máxima entre el valor máxi mo en el ciclo positivo, y el valor máximo en el ciclo negativo. La frecuencia es el numero de ciclos de la onda q se repite en un espacio de tiempo dado. DE la frecuencia podemos definir el periodo, ya que es su inversa. El periodo es el tiempo transcurrido entre dos repeticiones, es decir, entre dos ciclos consecutivos. El ángulo de fase o ángulo de desfase es la medida de ángulos en la que se desplaza la onda de una posición relativa (por ejemplo el eje de coordenadas) dentro de un mismo periodo. Ejemplo de onda armónica simple Sergio Cabeza Barrantes 19

20 Además de estas magnitudes, podemos definir longitud de onda (λ) como la distancia que ocupa un solo ciclo. Siendo la velocidad de propagación de la onda el producto de la longitud de onda por la frecuencia, es decir: c f Donde c es la velocidad de propagación, λ es la longitud de onda, y f la frecuencia 2.2 Señal analógica compuesta En realidad, una señal electromagnética puede estar compuesta por varias señales fundamentales, de amplitud, frecuencia o fase variables. Mediante la teoría matemática, se puede demostrar que estas señales, por complejas que sean, pueden ser descompuestas en una seria de señales más simples fundamentales. A esto se le llama Serie de Fourier, en la cual, la señal compleja, se descompone en una seria de sumas de las señales simples. Serie de Fourier: la suma de señales analógicas simpes da como resultado una compleja Hasta ahora las representaciones que hemos hecho de las señales analógicas han sido un tipo de representación en el dominio del tiempo para el eje X (en función del tiempo) y de la amplitud para el eje Y. Sin embargo, existe otro tipo de representación se las señales de las cuales conocemos la frecuencia, el espectro, donde representamos la relación de la amplitud de la señal para el eje X (como el anterior) y la frecuencia para el eje Y, es decir, en dominio de la frecuencia y la amplitud. Sergio Cabeza Barrantes 20

21 Para una señal de corriente continua, la representación coincidente con el eje Y (amplitud) ya que la frecuencia seria nula. la deberíamos situar Mediante la representación del espectro de las señales fundamentales de la onda, podremos definir un nuevo concepto, el de ancho de banda. El ancho de banda será el rango de anchura de la frecuencia (por tanto medido en Hertzios) del espectro de la señal compuesta, es decir, la diferencia entre la señal con frecuencia más alta y la señal de frecuencia más baja. Espectro de una onda armónica compleja determinada 2.3 Señal digital Una señal digital es aquel tipo de señal generada por una onda electromagnética en la que la misma representa valores discretos que pueden ser interpretados, en lugar de una serie de valores consecutivos dentro de un rango. Estas señale digitales son interpretados por los equipos y sistemas digitales usando la lógica de dos estados, unos y ceros, los cuales simbolizan dos magnitudes o niveles de tensión, alto para el uno, y bajo para el cero, es decir, se aplica un sistema de representación binaria para una serie de valores. Por naturaleza matemática, los cambios entre dos números, no podría ser en un tiempo nulo, ya que hay unas transiciones denominadas flancos de bajada y de subida, respectivamente. Generalmente, salvo las señales de reloj, este tipo de señales son no periódicas o aperiódicas cuya periodicidad no sigue ningún patrón o ciclo. Sergio Cabeza Barrantes 21

22 Para una señal de este tipo deberemos tener en cuenta las siguientes características: Velocidad de transmisión o tasa de bits. (V t )Es el número de bits transmitidos por segundo. Es comparable a la frecuencia en las señales analógicas simples. Se mide en bits por segundo (bps) y sus múltiplos como Kbps o Mbps Velocidad de modulación o tasa de datos. (V m ) Es el número de veces que cambia la señal de valor por segundo. Representa la velocidad a la que cambian los datos. Se mide en Baudios. Intervalo de bit. Es el tiempo necesario para enviar o transmitir un bit. Representa la duración de un bit, por lo tanto se medirá en segundo y sus múltiplos. V m 1 T La velocidad de modulación y la velocidad de transmisión estas relacionadas de la siguiente forma: Vt Vm log 2 M Donde M son los estados posibles de la señal. Este tipo de transmisión se utiliza para distancia relativamente corta. Para una transmisión de señales digitales, una apreciación importante es la rapidez a la que se puede enviar esas señales, dicho de otra manera, las limitaciones que sufren las señales para ser enviadas por un medio de transmisión. Para ello existen dos teoremas para explicar este fenómeno que se desarrollan en los siguientes apartados Teorema de Nyquist Este teorema (referido al ancho de banda) supone un caso en el que el canal por el que se transmiten los datos está exento de ruido y perturbaciones externas, lo cual, la única limitación en la velocidad de transmisión está relacionada solo y únicamente por el ancho de banda de dicho canal. Harry Nyquist (7 de Febrero de de Abril de 1974) publico el teorema conocido como Teorema de Nyquist el cual dice que dado un canal (exento de ruido) la velocidad máxima de transmisión de la señal que se puede conseguir por dicho canal es dos veces el ancho de banda del mismo canal. C 2 Bw Sergio Cabeza Barrantes 22

23 canal. Donde C es la velocidad de transmisión o tasa de bits y BW es el ancho de banda del Cuando hablamos de señales digitales, nos referimos a dos niveles de tensión, sin embargo, como veremos más adelante, se pueden usar señales con más de dos niveles de tensión, es decir cada elemento de la señal puede representar más de dos niveles, por ejemplo si tenemos cuatro niveles de tensión, cada nivel representara do bits de información. Para solucionar el caso de una señal multinivel, Nyquist proporciono la siguiente fórmula: C 2 Bw log 2 M Donde M es el número de niveles posibles Teorema de Shannon-Hartley El teorema de Nyquist establecía un canal exento de ruido ni perturbaciones ni errores. La presencia de ruido corrompe la información transmitida, es decir lo bits. Si la velocidad de transmisión es alta, los bits cada vez estarán más próximos, y por tanto, si se da un rango de ruido, este afectara a más número de bits cuanto mayor sea la velocidad de transmisión, por tanto mayor será la tasa de errores en la transmisión. Ruido se define como cualquier señal electromagnética no deseada que interfiere en la señal y perturba su correcta transmisión. Un parámetro que debemos tener en cuenta es la relación señal-ruido (SNR o S/N) que se define como el cociente entre la potencia de la señal y la potencia de ruido. Se mide en decibelios (db) S N 10log10 Potencia de la señal Potencia del ruido Por lo tanto, una relación S/N alta significara una excelente calidad en la transmisión de la señal. Por el contrario, una relación S/N significará que existen altas perturbaciones de la señal ocasionadas por el ruido que interfiere en la transmisión de los datos. Esto, fue desarrollado por el ingeniero electrónico y matemático Claude Elwood Shannon (30 de Abril de de Febrero de 2001) y el electrónico Ralph Hartley (30 de Noviembre de de mayo de 1970). Se relacionó la relación señal-ruido con la máxima velocidad de transmisión que se puede conseguir en un canal mediante el llamado Teorema de Shannon-Hartley (referida a la capacidad del canal): Sergio Cabeza Barrantes 23

24 C BW log 2(1 S ) N Donde c es la velocidad de transmisión o capacidad del canal, BW el ancho de banda del canal y S/N la relación señal-ruido. 3 PARTE III: CODIFICACION DE DATOS Tanto la información transmitida por señales analógicas o señales digitales pueden ser codificadas mediantes diversas técnicas para convertirlas en otras señales analogías o digitales como se verá a continuación. La elección de una u otra dependerá en términos generales de los distintos medios de comunicación y la disponibilidad de los mismos. Antes de ver las características de cada conversión, debemos señalar el término de señal portadora. Esta señal es modulada (sufre diversos cambios) en función de la información que le aporta otra señal. Dependiendo como de cómo sean los datos, y de cómo serán las señales, tendremos distintas combinaciones: Datos digitales y señales analógicas: Modulación Datos digitales y señales digitales: Codificación Datos analógicos y señales digitales.: Digitalización 3.1 Modulación: Datos Digitales, Señales Analógicas Esta técnica se utiliza para transmitir datos que en un principio son digitales, pero se desea transmitir mediante señales analógicas Como veíamos en el apartado de la señal analógica simple, en dicha señal existen parámetro que pueden ser modificados como son la amplitud, la frecuencia o la fase, por lo que dependiendo de los datos que tengamos a enviar, podremos variar alguna de esas propiedades de la onda. Sergio Cabeza Barrantes 24

25 3.1.1 ASK-Modulación por desplazamiento de amplitud En esta modulación ASK el parámetro que escogeremos para variar será la amplitud. Como los datos a modular son digitales (binarios), contaremos con dos valores, uno para el valor cero y otro para el valor uno. De esta manera, para el valor cero, la onda tendrá una amplitud diferente a la amplitud que tendrá la onda para el valor uno. Modulación ASK La señal modulada en ASK tendrá la misma velocidad de transmisión que la velocidad de modulación ya que en un baudio se transmite un bit. amplitud. Este tipo de señales son muy irascible al ruido, ya que este afecta sobre todo a la El ancho de banda mínimo de una señal digital modulada en ASK será igual a: Bw (1 d) V m Donde d es un parámetro que depende del medio de la línea de tranmision y V m la velocidad de modulación en Baudios. Sergio Cabeza Barrantes 25

26 3.1.2 FSK-Modulación por desplazamiento de frecuencia En esta modulación FSK, los valores digitales, que siguen siendo dos (binario) variaran la frecuencia en la señal portadora, es decir, la señal obtendrá dos valores diferentes. Dependiendo si es un cero, tendrá una frecuencia, y si es un uno, tendrá otra frecuencia diferente. Modulación FSK A diferencia de la anterior, la amplitud de la onda no variará, por lo que las perturbaciones afectaran menos que en ASK, ya que lo único que varía será la frecuencia. Por el contrario, se utiliza más ancho de banda que en la modulación ASK El ancho de banda por tanto será igual a la velocidad de modulación menos la diferencia que existe entre las dos frecuencias utilizadas. Bw ( f2 f1) V m Donde f 1 y f 2 las diferentes frecuencias y V m la velocidad de modulación en Baudios. Sergio Cabeza Barrantes 26

27 3.1.3 PSK-Modulación por desplazamiento de fase En esta modulación PSK el parámetro que varía es la fase de la onda portadora. Para cada valor binario, la onda tendrá diferente fase, por lo que habrá dos fases diferentes, por ejemplo 0 0 y para simplificar. Como la modulación obtiene dos valores diferentes, también se le llama modulación 2-PSK o BPSK (Binasy PSK). En el caso de que utilicemos una modulación con cuatro fases diferentes, la técnica de modulación se llamará 4-PSK o QPSK (0 0 para 00, 90 0 para 01, para 10 y para 11) al igual que si usamos ocho fases diferentes, tendremos una modulación 8-PSK y así sucesivamente. Modulación PSK modulación. El ancho de banda por tanto para este tipo de modulación será igual a la velocidad de Bw V m Donde V m la velocidad de modulación en Baudios Sergio Cabeza Barrantes 27

28 3.1.4 QAM-Modulación en amplitud de cuadratura Este tipo de modulación cambia no solo la amplitud, sino también la fase para los distintos valores que tome. Debido a esto, existe un gran número de combinaciones posibles entre la variación de amplitud y el desplazamiento de fase. Para ello, se han elaborado lo que se denomina las constelaciones QAM. Por las cuales, mediante un eje de coordenadas se representan dichas variables. Se representa como un vector a la amplitud, donde el tamaño del mismo será el valor representado de la amplitud. En el caso de la fase, se representara como el ángulo de inclinación que existe entre el vector que representa a la amplitud y los ejes de coordenadas. Constelación 16-QAM El ancho de banda para una modulación QAM será igual a la velocidad de modulación. Bw V m Donde V m es la velocidad de modulación. 3.2 Codificación: Datos Digitales, Señales Digitales La codificación es el proceso mediante el cual se representa una secuencia de números binarios mediante una señal digital discreta, donde cada pulso toma un valor determinado. Los datos binarios se transmites este sistema. Por ejemplo le podremos dar par aun valor cero, un nivel bajo de tensión, y para un uno binario, un nivel mayor de tensión. Seguidamente se describen los principales tipos de codificaciones. Sergio Cabeza Barrantes 28

29 El mayor problema de la codificación es el sincronismo, ya que la codificación tratará de que los dos equipos que se transmiten los datos, estén lo mas sincronizados posibles. Esto no es posible si existen largas cadenas de datos (ceros o unos), ya que el equipo receptor no es capaz de identificar el inicio y final de cada bit Codificación unipolar La codificación unipolar es aquella en la que la señal tiene el mismo signo. A cada valor de la señal se le asigna un nivel de tensión usando únicamente una polaridad, es decir si todos son positivos o todos negativos. Este tipo de codificación es notable por su sencillez. Codificación unipolar Codificación polar La codificación polar es aquella en la que la señal adquiere dos niveles diferentes de voltaje, pero a diferencia de la anterior, usando dos polaridades diferentes, es decir, se representará la señal mediante un nivel alto de tensión para un signo, y un nivel bajo de tensión para el otro. Sergio Cabeza Barrantes 29

30 NRZ-L En este tipo de codificación, a los valores se le asignan dos niveles de tensión diferente, un nivel de tensión positivo para el cero y un nivel de tensión negativo para el uno. Codificación NRZ-L Este método de codificación no consigue solucionar el problema del sincronismo, ya que nos podemos encontrar con largas cadenas de ceros o unos y la señal será por tanto continua NRZ-I En este caso, a los valores de uno se les representara como la transición entre dos niveles de tensión, mientras que para los valores cero se les representara sin ningún cambio de polaridad. Codificación NRZ-I Sergio Cabeza Barrantes 30

31 Este método de codificación es mejor que el anterior en la cuestión del sincronismo, ya que implementa una mejora reduciendo la componente continua en las cadenas de unos, pero no en las cadenas de ceros RZ En este tipo de codificación se utilizaran dos polaridades, pero tres niveles de tensión, uno positivo, otro negativo y el tercero nulo o cero. Para un valor uno se le representara como el cambio de niveles entre el nivel positivo y el cero, mientras que para el valor cero será el cambio entre el nivel negativo y el cero. Por lo tanto este cambio se llevara a cabo en mitad del bit. sincronismo. La utilización de tres niveles de tensión soluciona notablemente el problema del Manchester En la codificación Manchester se le da más importancia a la transición entre dos niveles o polaridades, ya que utilizaremos una transición entre la polaridad negativa a la positiva para lo unos y una transición inversa a la anterior (de la positiva a la negativa) para los ceros. Codificación RZ Sergio Cabeza Barrantes 31

32 Codificación Manchester Esta codificación soluciona mucho mejor el problema del sincronismo, ya que anula completamente la componente continua que pudiese originar las cadenas de unos o ceros Manchester diferencial La codificación Manchester Diferencial deriva de la codificación Manchester, ya que al igual que esta, también se utiliza un cambio de polaridad para representar un valor. En este caso, los ceros se representaran por una transición al principio de cada bit. Mientras que los unos se representaran simplemente con un cambio de polaridad. Codificación Manchester diferencial Sergio Cabeza Barrantes 32

33 Al igual que en la codificación Manchester, este tipo de codificación anula por completo la componente continua, y soluciona así los problemas de sincronismo Codificación Bipolar Las codificaciones bipolares son aquellas las cuales utilizan tres niveles de tensión (positivo negativo y cero). A diferencia de la codificación RZ, el nivel cero lo asociaremos al valor binario cero, mientras que para representar los unos, será una alternación entre valores negativos y positivos AMI La codificación AMI utiliza claramente la representación mediante tres niveles de tensión. Los ceros se representaran mediante el nivel cero, mientras que lo unos, la polaridad se irá alternando. Codificación AMI En este caso podemos tener problemas de sincronismo para cadenas largas de ceros Sergio Cabeza Barrantes 33

34 HDB3 Para eliminar el problema anterior con las cadenas de ceros y la sincronización, utilizaremos la codificación HDB3. En esta codificación se añade un patrón a la codificación AMI cuando tenemos una cadena de cuatro ceros consecutivos. Este patrón se llama violación, ya que altera el procedimiento de la codificación anterior. Dependiendo de los últimos unos que haya en la última violación, esta se lleva a cabo de manera diferente: de la siguiente manera: Si el número de unos desde la última sustitución impar, la violación se realiza Codificación HDB3 impar En cambio si el numero de unos desde la última sustitución par, la violación de la siguiente manera: Codificación HDB3 par Sergio Cabeza Barrantes 34

35 Codificación HDB3 En esta codificación aplicamos una mejora en la componente continua y el problema del sincronismo ya que acortamos la cadena de ceros a tres por cadena B8ZS Este tipo de codificación también es igual que la codificación AMI, pero en este caso se aplicará un patrón de sustitución cuando exista una cadena consecutiva de ocho ceros. Se puede dar dos situaciones diferentes depende del nivel (polaridad) del uno que hay antes de la cadena de ceros. Si la polaridad es positiva: Si la polaridad es negativa Si la polaridad es negativa: Codificación B8ZS positiva Codificación B8ZS negativa Sergio Cabeza Barrantes 35

36 Codificacion B8ZS 3.3 Digitalización: Datos Analógicos, Señales Digitales La digitalización es el proceso mediante el cual convertimos unos datos analógicos en datos digitales o señales digitales. Para ello nos serviremos de una técnica más utilizada llamada Modulación por codificación de impulsos (PDM, Pulse Code Modulation). La técnica de digitalización PDM se basa en tres pasos fundamentales: Muestreo. Este paso consiste en tomar pequeñas muestras de la señal analógica a intervalos regulares de tiempo. Cuanto más pequeño sea el periodo de muestro mejor saldrá la señal analógica. La frecuencia de muestreo no debe ser igual a la de la señal, ya que nos dará una línea continua. Por esto, deberemos usar el Teorema de Nyquist-Shannon, el cual nos dice que para obtener una señal idéntica a la analógica, la frecuencia de muestro deberá ser al menos del doble de la frecuencia más alta de la señal que queramos muestrear. f f muestreo Una vez muestreada la señal, deberemos continuar con el siguiente procedimiento. Cuantificación. Este proceso consiste en asignar a cada muestra que hemos obtenido en el proceso de muestreo un código binario dependiendo de la escala que escojamos. No podemos tener infinitos valores por lo que si por ejemplo la señal Sergio Cabeza Barrantes 36

37 señal tiene ocho voltios de tensión positivos de máximo, escogeremos una escala de cero a siete, teniendo ocho amplitudes. Codificación. En este último proceso, deberemos obtener un código binario de cada muestra para poderlos enviarlos mediante señales, proceso llamado anteriormente como codificación. En el ejemplo tenemos ocho amplitudes, por lo que necesitaremos tres bits para poder codificar hasta ocho amplitudes. 4 REFERENCIAS 4.1 Páginas WEB Libros Comunicaciones y redes de computadores / William Stallings ;traducción por DATA AND COMPUTER COMMUNICATIONS/6ª Edición Manual imprescindible de Redes Edición 2010 (Sams teach yourself networking in 24 hours)/ Uyless Black / Editorial ANAYA Multimedia; traducción por Vanesa Casanova Fernández Cómo funcionan las redes (How networks work) / Frank Derfler Jr. Les Freed / Editorial Anaya multimedia; traducción por Beatriz Tarancón Álvaro 4.3 Portada Sergio Cabeza Barrantes 37