Explorando la Capa Física: Medios de Transmisión y Modulación

Capa Física

La función de la capa física es el envío de bits en un medio físico de transmisión y asegurar que estos se transmitan y reciban libres de errores, es decir, que si de un lado del medio se envía un 1, del otro lado se reciba ese 1. También describe las especificaciones eléctricas y mecánicas asociadas con el medio y los conectores, los tiempos permitidos para enviar o recibir una señal, la impedancia, resistencia y otras medidas eléctricas o electrónicas del medio, así como la forma que este tiene (tamaño, número de patas).

Cualquier medio físico de transporte de la señal está sujeto a ciertas restricciones, en particular, se pierde intensidad en la señal a medida que se difunde.

El ancho de banda de la línea indica la cantidad de frecuencias que soporta la línea, lo cual limita seriamente la capacidad de bits/s que se pueden transmitir.

Medios de Transmisión del Nivel Físico

Los medios de transmisión son el soporte físico que facilita el transporte de la información. La calidad de la transmisión dependerá de sus características:

• Confiabilidad y vulnerabilidad.
• Influencia de las interferencias.
• Economía y facilidad de instalación.
• Topología que soporta.
• Seguridad.

Perturbaciones en las Transmisiones

Las transmisiones a través de señales eléctricas se ven afectadas por una serie de elementos externos que las modifican. Las perturbaciones que se producen en las transmisiones son las siguientes:

1. Atenuación: Es un descenso de la amplitud de la señal transmitida, es decir, el debilitamiento de la señal debido a la impedancia.
2. Interferencia: Es la adición de una señal conocida y no deseada a la señal que se transmite.
3. Eco: Se produce cuando no hay adaptación perfecta en la interfase de las líneas.
4. Ruido: Es la suma de múltiples interferencias de origen desconocido y de naturaleza aleatoria.

Medios Guiados

Cable Coaxial

El cable coaxial consta de un conductor central interno y robusto al que rodea un aislante dieléctrico, una malla exterior compuesta de múltiples fibras y una funda del cable hecha de un material aislante para recubrir y proteger todo el conjunto. Su ancho de banda es de 80 MHz a 400 MHz.

Sus inconvenientes principales son: atenuación, ruido térmico y ruido de intermodulación. Para señales analógicas, se necesita un amplificador cada pocos kilómetros y para señales digitales un repetidor cada kilómetro.

Presenta una relativa simplicidad de instalación y bajo costo. Cada extremo tiene una resistencia de 50 Ohms (terminador). Tasas de 10 a 300 Mbps para cables de hasta 1 Km.

El cable coaxial más usado para la transmisión de datos cuenta con las siguientes características:

• Impedancia de 50 Ohms.
• Longitud máxima de un segmento de cable coaxial delgado: 160 metros.
• Longitud máxima cable coaxial grueso: 500 metros.
• Para conectar un nodo al cable coaxial grueso se requiere un "transceiver" intrusivo.
• Distancia mínima entre dos nodos con cable coaxial delgado: 1 metro.
• El cable coaxial delgado permite conectar estaciones en cadena usando conectores "T".
• Todo segmento debe estar debidamente terminado.

Par Trenzado

Los hilos están trenzados en forma helicoidal para reducir las interferencias electromagnéticas. Existen dos tipos de pares trenzados: los blindados o STP (Shielded Twisted Pair) y los no blindados o UTP (Unshielded Twisted Pair).

Las características del par trenzado no blindado (UTP) son las siguientes:

• No tiene recubrimiento metálico externo, por tanto, es sensible a interferencias externas.
• Es importante guardar la numeración de los pares, ya que de lo contrario el efecto del trenzado no sería eficaz, disminuyendo sensiblemente o incluso impidiendo la capacidad de transmisión.
• Si se trabaja con un cable de cuatro pares, cada par se formaría de la siguiente manera: el par 1 une los hilos 4 y 5, el par 2 une los hilos 1 y 2, el par 3 une los hilos 3 y 6, y el par 4 une los hilos 7 y 8.
• Existen varios niveles, el más recomendable ahora es el nivel 5.
• Desde el nivel 5 soporta la transmisión de audio, video y datos de alta calidad.
• La máxima distancia de un segmento de UTP varía según el equipo.
• A los conectores en ambos extremos del cable UTP se le denomina RJ45.
• Una distancia típica de un segmento punto a punto de UTP es de 100 metros.
• Es un estándar reconocido para realizar cableado estructurado.

Los cables STP están empaquetados en una malla o recubrimiento metálico que reduce las interferencias externas y mejora las características de la transmisión.

Dependiendo del número de trenzas por unidad de longitud, los cables de par trenzado se clasifican en las siguientes categorías o niveles:

• Categoría 1: Hilo telefónico trenzado de calidad de voz, no adecuado para las transmisiones de datos. Velocidad de transmisión inferior a 1 Mbps.
• Categoría 2: Cable de par trenzado sin blindar. Su velocidad de transmisión es de hasta 4 Mbps.
• Categoría 3: Velocidad de transmisión de 10 Mbps. Con este tipo de cables se implantan las redes Ethernet 10 Base T.
• Categoría 4: La velocidad de transmisión llega a 16 Mbps.
• Categoría 5: Puede transmitir datos hasta 1 Gbps. Presenta más vueltas por centímetro y con aislamiento de teflón, para disminuir la diafonía y mejorar la señal.
• Categoría 6: Más de 1 Gbps.

Fibra Óptica

La fibra óptica permite la transmisión de señales luminosas y es insensible a las interferencias electromagnéticas externas. El núcleo es el conductor de la señal luminosa, la cual no puede escapar de él debido a las refracciones internas y totales que se producen, impidiendo tanto el escape de energía hacia el exterior como la adición de nuevas señales externas.

Al conectar una fuente de luz en un extremo de la fibra y un detector en el otro, se genera un sistema de transmisión unidireccional que acepta una señal eléctrica, la convierte y la transmite por pulsos de luz, y después reconvierte la salida a una señal eléctrica en el receptor.

Su rango de frecuencias es todo el espectro visible y parte del infrarrojo.

En el emisor se puede usar un diodo emisor de luz LED (de bajo costo, con utilización en un amplio rango de temperaturas y con larga vida media) o un ILD (láser de semiconductor, más caro, pero más eficaz y permite una mayor velocidad de transmisión).

Los fotodiodos responden hasta en un nanosegundo, lo cual limita la velocidad de la fibra a un gigabit por segundo.

Aún no se dispone comercialmente de multiplexores en frecuencia de 10^6 fibra óptica, pero ya existen en laboratorios. Esto permite pasar 10^6 señales de 1 MHz cada una a la vez por una sola fibra.

Transmisión Inalámbrica

La transmisión inalámbrica se aplica en los usuarios móviles y cuando se necesita unir puntos separados por montañas u otros obstáculos del terreno.

El principio básico de la transmisión inalámbrica consiste en que si un electrón se mueve en el espacio, se generan ondas que viajan incluso en el vacío a la velocidad de la luz, independientemente de su frecuencia.

Las propiedades de las ondas son dependientes de la frecuencia. A frecuencias bajas, pueden cruzar obstáculos, pero el poder se reduce mucho cuando se aleja de la fuente. A frecuencias altas, las ondas tienden a viajar en líneas rectas y rebotar cuando consiguen obstáculos, siendo absorbidas por la lluvia. A cualquier frecuencia, las ondas están sujetas a interferencia de los motores y otros equipos eléctricos.

Enlaces de Radio

Las ondas de radio tienen como principales características que son fáciles de generar, pueden viajar distancias largas y penetran edificios fácilmente. Además, son omnidireccionales, por lo que el transmisor y receptor no deben estar físicamente alineados con cuidado.

La conexión por radio entre dos estaciones se realiza por el envío de una onda electromagnética por el espacio libre.

Las características de un radio

enlace dependen del margen de frecuencia que se utilice, por lo que se distinguen tres tipos de enlaces por radio:

a) Radioenlaces de onda corta.

b) Microondas.

c) Satélites artificiales.

Modulación

El objetivo de la modulación es adecuar la señal a transmitir y el medio físico de modo que en las transmisiones se usen aquellas frecuencias en las que el canal proporciona la mejor respuesta.

1. Modulación con portadora analógica: Este tipo de modulación utiliza una señal portadora senoidal en la que se reconocen las siguientes magnitudes:

- Frecuencia: Número de cortes en función al eje horizontal por unidad de tiempo.

- Amplitud: El valor máximo alcanzado por la función.

- Fase: Desplazamiento de la señal de tiempo.

a) Modulación en amplitud (AM): La amplitud de la portadora está controlada por la señal moduladora. Se utiliza en radio, televisión y teléfono. El receptor usa la amplitud de la señal porque en su parámetro viaja la información.


b) Modulación en frecuencia (FM): Modifica el parámetro de la frecuencia en la señal senoidal portadora, es decir, la información del mensaje reside en la frecuencia. Se utilizan en transmisiones de radio de alta calidad. El receptor analiza la frecuencia que le llega en cada momento en la señal portadora.


c) Modulación en fase (PM): Consiste en controlar la fase de la señal portadora a través de la señal moduladora. La información reside en la fase de la señal portadora.

2. Modulación con señales y portadora digital: Estos tipos de modulación se caracterizan por transmitir un tren de pulsos. Según se controle uno u otro parámetro de los pulsos aparecen los distintos tipos de modulación.

a) Pulsos modulados en amplitud (APM): Cada cierto tiempo se genera un pulso cuya amplitud es proporcional a la amplitud de la señal moduladora.

b) Pulsos modulados en periodo (PPM): Este tipo de modulación trata de ahorrar potencia en la transmisión de un tren de pulsos haciendo que
todos ellos sean de la misma amplitud. La posición de cada pulso con respecto a un origen contiene la información que se transfiere.

c) Modulación por pulsos codificados (PCM): Consiste en la relación existente entre la señal moduladora y grupos de pulsos de igual amplitud, duración y posición en el tiempo.