Capa Física. 1 Los Enemigos En esta sección se presentan los enemigos adversos al buen...
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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)
0 1 2
Asincronía / retraso / jitter
Mala detección de las señales por ocurrir fuera de tiempo
Señal de entrada Señal de salida
0 1 2
Canal extendido (medio de transmisión,conectores e interfaces físicas)
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
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