Capa Física Especificación de medios de transmisión mecánicos, eléctricos, funcionales y procedurales Transmite Los Datos N=1 Medio físico
Principios básicos Señal analógica vs señal digital La señal analógica utiliza una magnitud con una variación continua. La señal digital emplea valores discretos, predefinidos Módem vs Códec Módem (MODulador-DEModulador): convierte de digital a analógico y viceversa Códec (Codificador-DECodificador): convierte de analógico a digital y viceversa
CO DEC DEM MO Codificador Modulador Demodulador Decodificador g(t) m(t) x(t) m(t) s(t) g(t) Codificación en una señal digital Modulación en una señal analógica x(t) S(f) t f fc Digital o analógica Digital o analógica Analógica Técnicas de codificación y modulación
Teléfono Módem Códec Ejemplo: teléfono RDSI Transmisor digital Ejemplo: tarjeta RDSI para ordenador Datos digitales Señal analógica Señal digital Señal digital Datos digitales Datos analógicos Señal analógica Señal analógica Las señales digitales representan la información como pulsos de voltaje Las señales analógicas representan la información como variaciones continuas del voltaje Datos analógicos y digitales, señales analógicas y digitales
Cambios de fase 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 Señal binaria Modulación en fase Modulación en frecuencia Modulación en amplitud Modulación de una señal digital
0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 NRZ-L NRZI AMI-Bipolar Pseudoternario Manchester Manchester Diferencial Diversos formatos de codificación de señales digitales
Distinción entre bit y baudio Bit (concepto abstracto): unidad básica de almacenamiento de información (0 ó 1) Baudio (concepto físico): veces por segundo que puede modificarse la onda electromagnética para transmitir la información El número de bits por baudio depende del número de valores posibles de la magnitud utilizada para codificar la información. Por ejemplo con dos valores 1 baudio = 1 bit/s Símbolo: 1 símbolo/s = 1 baudio
(Gp:) Constelaciones de algunas modulaciones habituales (Gp:) Amplitud (Gp:) Fase (Gp:) Binaria simple 1 bit/símb. (Gp:) 1 (Gp:) 0 (Gp:) 2B1Q (RDSI) 2 bits/símb. (Gp:) 2,64 V (Gp:) 0,88 V (Gp:) -0,88 V (Gp:) -2,64 V (Gp:) 00 (Gp:) 01 (Gp:) 10 (Gp:) 11 (Gp:) QAM de 32 niveles (Módems V.32 de 9,6 Kb/s) 5 bits/símbolo (Gp:) 11111 (Gp:) 11000 (Gp:) 01101 (Gp:) 00011 (Gp:) 00100 (Gp:) QAM de 4 niveles 2 bits/símb. (Gp:) 01 (Gp:) 00 (Gp:) 10 (Gp:) 11 (Gp:) Portadora
Teorema de Nyquist (1924) El número de baudios transmitidos por un canal nunca puede ser mayor que el doble de su ancho de banda (dos baudios por hertzio). Ej: Canal telefónico: 3 KHz ? 6 Kbaudios Canal TV PAL: 8 MHz ? 16 Mbaudios En señales moduladas el número de baudios ha de ser menor que la anchura del canal (máximo 1 baudio por hertzio).
Limitaciones en el número de bits por símbolo Para enviar varios bits por símbolo hay que poder distinguir mas de dos símbolos diferentes: 2 bits, 4 símbolos 3 bits, 8 símbolos, n bits, 2n símbolos El uso de valores de n elevados requiere canales analógicos de gran calidad, o sea elevada relación señal/ruido
Estándares de módems para RTC
Relación señal/ruido La relación señal/ruido se mide normalmente en decibelios (dB), ejemplos: SR = 30 dB: la potencia de la señal es 103=1000 veces mayor que el ruido SR = 36 dB: la señal es 103,6 = 3981 veces mayor que el ruido SR (en dB) = 10* log10 (SR)
Ley de Shannon (1948) La cantidad de información digital que puede transferirse por un canal analógico está limitada por su ancho de banda (BW) y su relación señal/ruido (SR), según la expresión: Capacidad = BW * log2 (1 + SR) = BW * log10(1+SR)/log10(2) = BW * log10(1+SR)/0,301 Si expresamos SR en dB podemos hacer la aproximación: Capacidad = BW * SR(dB) / 3 Eficiencia = Capacidad / BW = SR (dB) / 3 Regla aproximada: la eficiencia (en bits/Hz) de un canal analógico es un tercio de su relación señal/ruido en dB
Ley de Shannon: Ejemplos Canal telefónico: BW = 3,3 KHz y S/R = 36 dB Capacidad = 3,3 KHz * log2 (3981) = 39,5 Kb/s Eficiencia: 12 bits/Hz Canal TV PAL: BW = 8 MHz y S/R = 46 dB Capacidad = 8 MHz * log2 (39812) = 122,2 Mb/s Eficiencia: 15,3 bits/Hz
Modulaciones utilizadas en redes de televisión por cable QPSK: Quadrature Phase-Shift Keying QAM: Quadrature Amplitude Modulation
Teorema de muestreo de Nyquist El teorema de Nyquist también se aplica a una señal analógica que se codifica En este caso dice que la frecuencia de muestreo ha de ser al menos el doble que el ancho de banda de la señal que se quiere codificar Ejemplo: los CD de audio muestrean la señal 44.100 veces por segundo, por tanto pueden captar frecuencias de hasta 22,05 KHz
Ejemplo del teorema de muestreo de Nyquist: digitalización de una conversación telefónica Muestreo Señal analógica Frecuencia de muestreo 8 KHz (8.000 muestras/s) Ancho de banda: 300 Hz a 3400 Hz Rango capturado= 0-4 KHz
Sumario Principios básicos Medios físicos de transmisión de la información El sistema telefónico. Multiplexación PDH y SONET/SDH RDSI
Medios físicos de transmisión de la información Medios guiados (Ondas electromagnéticas) Cables metálicos (normalmente de cobre) Coaxiales De pares trenzados (apantallados o sin apantallar) Cables de fibra óptica Multimodo Monomodo Medios no guiados (también Ondas electromagnéticas) Enlaces vía radio Enlaces vía satélite
Velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas La velocidad de propagación impone un retardo mínimo en la transmisión de información; además hay que contar el que introducen los equipos
Problemas de la transmisión de señales en cables metálicos Atenuación La señal se reduce con la distancia debido a: Calor (resistencia) Emisión electromagnética al ambiente La pérdida por calor es menor cuanto más grueso es el cable La pérdida por emisión electromagnética es menor cuanto más apantallado está el cable (menos emisión electromagnética) La atenuación aumenta con la frecuencia (aproximadamente proporcional a la raíz cuadrada de ésta)
Atenuación A 10 MHz la potencia de la señal en un cable RG-58 (coaxial fino) se reduce a: la mitad en 75m la cuarta parte en 150m la octava parte en 225m (Gp:) 1/2 = 10-0,3 = 3 dB (Gp:) 1/4 = 10-0,6 = 6 dB (Gp:) 1/8 = 10-0,9 = 9 dB Decimos que la atenuación del cable RG-58 a 10 MHz es de 4 dB/100m (75 * 4/3 = 100)
30 1 3 10 1 0,1 0,3 1 KHz 1 PHz 1 THz 1 GHz 1 MHz Frecuencia Atenuación (dB/Km) Fibra óptica Cable coaxial grueso (? 0,95 cm) Cable de pares trenzados galga AWG 24 (? 0,95 cm) Atenuación en función de la frecuencia de algunos cables típicos
Atenuación en función de la frecuencia para un bucle de abonado típico 3,7 Km 5,5 Km Frecuencia (KHz) 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -20 -120 -100 -80 -60 -40 Atenuación (dB)
Atenuación (en dB/100m) de diversos tipos de cable a varias frecuencias
Problemas de la transmisión de señales en cables metálicos Desfase. Variación de la velocidad de propagación de la señal en función de la frecuencia. Interferencia electromagnética: Externa (motores, emisiones de radio y TV, etc.). Solo es importante en cable no apantallado De señales paralelas: diafonía o crosstalk (efecto de cruce de líneas). La diafonía puede ser: Del extremo cercano o NEXT (Near End Crosstalk): señal inducida en el lado del emisor Del extremo lejano o FEXT (Far End Crosstalk): señal inducida en el lado receptor La diafonía aumenta con la frecuencia
Diafonía o Crosstalk La señal inducida en cables vecinos se propaga en ambas direcciones La señal eléctrica transmitida por un parinduce corrientes en pares vecinos
El NEXT lo produce la señal inducida que vuelve y es percibida en el lado del emisor Near end Crosstalk (NEXT)
El FEXT lo produce la señal inducida que es percibida en el lado receptor. Es mas débil que el NEXT Far end crosstalk (FEXT)
Componentes del Crosstalk: FEXT y NEXT El FEXT y el NEXT aumentan con la frecuencia. El NEXT es más fuerte que el FEXT porque la intensidad de la señal inducida en el extremo cercano es mayor. Si se usa una frecuencia distinta en cada sentido (ej.: ADSL) el NEXT no es problema
Cable coaxial Es el que tiene menor atenuación y menor interferencia. La impedancia puede ser de 50 o 75 ? 50 ?: usado en redes locales Ethernet (10BASE2 y 10BASE5) 75 ?: usado en conexiones WAN y redes CATV (Community Antenna TeleVision)
Cable de pares trenzados La base del bucle de abonado del sistema telefónico. También se utiliza en todos los sistemas de red local modernos Los pares suelen ir trenzados para minimizar interferencias Inadecuado para largas distancias por la atenuación Según el apantallamiento puede ser: UTP (Unshielded Twisted Pair) STP (Shielded Twisted Pair) FTP o ScTP (Foil Twisted Pair o Screened Twisted Pair)
Vista transversal de un cable UTP-5 de cuatro pares Alambre de cobre. Normalmente AWG 24 (? 0,51 mm) Cubierta hecha con material aislante Aislante de cada conductor
Categorías de cables de pares trenzados
Cat. 3 Cat. 5 Cat. 5E Cat. 6 Fibra 1 Mb/s 1 Gb/s 100 Mb/s 10 Mb/s 10 Gb/s T. R. 4 Mb T. R. 16 Mb Eth. F. Eth. FDDI G. Eth. ATM 155. ATM 622. ATM 2,5. Requiere tecnología sofisticada Requiere tecnología sofisticada Requiere tecnología sofisticada (dudoso) Por definir Aplicación de los tipos de cables más habituales
Cable propuesto para categoría 7 (STP: Shielded Twisted Pair)
Atenuación y Diafonía La atenuación se puede compensar con un emisor más potente o un receptor más sensible. Pero la diafonía (especialmente el NEXT) impone una limitación en el uso de estas técnicas A medida que aumenta la frecuencia la atenuación y la diafonía aumentan. Para un cable dado existe una frecuencia a la cual la intensidad de la diafonía es comparable a la de la propia señal; esa es la frecuencia máxima aprovechable de un cable y fija su ancho de banda
Señal recibida = señal atenuada del emisor Ruido = NEXT (principalmente) Transmisor (Salida) Receptor (Entrada) Ordenador Conmutador o hub LAN Señal NEXT Interferencia externa (la consideramos despreciable) Señal Transmisión de la señal en una conexión LAN sobre cable de pares trenzados La relación señal/ruido Receptor (Entrada) Transmisor (Salida)
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