Los canales de los enlaces entre las máquinas computarizadas que comforman una red, tienen limitaciones por su naturaleza física pero por medios tecnologicos se puede mejorar su eficiencia.

1. MÓDULO – II
LA CAPA FISICA
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2. MODULO 2- CAPA FISICA
CONTENIDO
-Bases Teóricas de Comunicación de Datos
-Medios de Transmisión guiados
-Transmisión Inalámbrica
-Satélites de Comunicaciones
-La Red Telefónica Pública Conmutada
-Sistema Telefónico Móvil
-Television por cable
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3. Bases Teóricas de Comunicación de Datos
CONTENIDO
=> Introducción a la Capa Física
=> Bases Teóricas de la Comunicación de Datos
• Análisis de Fourier
• Señales limitadas por el ancho de banda
• La tasa de envío máxima por un canal
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4. Bases Teóricas de Comunicación de Datos
CONTENIDO
=> Introducción a la Capa Física
=> Bases Teóricas de la Comunicación de Datos
• Análisis de Fourier
• Señales limitadas por el ancho de banda
• La tasa de envío máxima por un canal
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5. Introducción a la Capa Física
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6. Introducción a la Capa Física
•Representa la capa más baja en la jerarquía OSI
•Define las Interfaces: mecánica, eléctrica y la
temporización con la red.
•La capa física interactúa directamente con el
canal de tx, por lo cual, se debe entender su
naturaleza la que limita lo que se puede enviar por
este medio de transmisión.
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7. Bases Teóricas de Comunicación de Datos
CONTENIDO
=> Introducción a la Capa Física
=> Bases Teóricas de la Comunicación de Datos
• Análisis de Fourier
• Señales limitadas por el ancho de banda
• La tasa de envío máxima por un canal
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8. Bases Teóricas de la Comunicación de Datos
La información se puede emitir por un medio de
transmisión al hacer variar en ellos alguna de sus
propiedades físicas Ej.: El voltaje o corriente, la
fase, la frecuencia.
Si se logra representar el valor de este parámetro
(voltaje, corriente…) como una función simple en el
tiempo, f(t) => se puede modelar el
comportamiento de la señal y hacerle un análisis
matemático .
Una herramienta matemática que facilita éste
trabajo es el “Análisis de Fourier”
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9. Bases Teóricas de Comunicación de Datos
CONTENIDO
=> Introducción a la Capa Física
=> Bases Teóricas de la Comunicación de Datos
• Análisis de Fourier
• Señales limitadas por el ancho de banda
• La tasa de envío máxima por un canal
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10. Análisis de Fourier
Fourier demostró que sumando, una cantidad
(≈infinita) de senos y cosenos se puede construir
cualquier función periódica de comportamiento
razonable, g(t), con periodo T. Se representa así:
donde: f = 1/T, es la frecuencia fundamental
an y bn son las amplitudes de seno y coseno
del n-ésimo (término ) armónico.
Esta descomposición se llama Serie de Fourier.
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11. Análisis de Fourier
Donde an, bn y c se definen como:
=> Con Fourier se puede construir el espectro en
frecuencia de cualquier función periódica, g(t), con
periodo T, representados por la amplitud de sus
armónicos (A*n*fo), sobre un valor DC que
representa la constante C.
12
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12. Bases Teóricas de Comunicación de Datos
CONTENIDO
=> Introducción a la Capa Física
=> Bases Teóricas de la Comunicación de Datos
• Análisis de Fourier
• Señales limitadas por el ancho de banda
• La tasa de envío máxima por un canal
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13. Señales limitadas por el ancho de banda
Para observar la relación qué existe entre el
análisis de Fourier con la comunicación de datos,
consideremos el siguiente ejemplo:
La transmisión del carácter ASCII "b", codificado
en un byte de ocho dígitos.
=> El patrón de bits a transmitir es: 01100010
La figura siguiente muestra la representación de
la señal del carácter ASCII "b” en binario.
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14. Señales limitadas por el ancho de banda
En la figura se observa la Señal de Voltaje de Salida
de la máquina transmisora para el carácter “b”.
0 1 1 0 0 0 1 0
Vol
Tiempo
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15. Señales limitadas por el ancho de banda
El análisis de Fourier de esta señal “b” conduce a los
coeficientes:
Se ha demostrado que los valores siguientes son
proporcionales a la energía transmitida, en la
frecuencia correspondiente ~
2 2
an bn
En la figura siguiente se representan estos valores,
para los primeros términos de n.
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16. Señales limitadas por el ancho de banda
A-Señal Conformada por “n” Armónicos
Amplitud rms
2 2
an bn
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Numero de armónico
(a)
B- Señal Recuperada con 1 Armónico
<= 1 armónico
(b)
Figura.(a) Señal binaria y sus amplitudes de raíz cuadrada media de Fourier. (b)
Aproximación de la señal conformada por el 1er armónico
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17. Señales limitadas por el ancho de banda
4 armónicos
2 2
an bn
Señal solo pasa 4 armónicos (c)
C-El canal Recuperada con 4 Armónicos
El canal solo pasa 8 armónicos
8 armónicos
D-Señal Recuperada con 8 Armónicos Número de armónicos
(d)
Figura.(C) Señal binaria resultante si se transmiten 4 armónicos
(D) Señal binaria resultante si se transmiten 8 armónicos
= > A mayor número de armónicos transmitidos la
aproximación es mayor a la señal original ...
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18. Señales limitadas por el ancho de banda
DISTORSIÓN & ATENUACIÓN
• Ningún sistema de transmisión puede enviar
señales sin perder cierta potencia en el
proceso.
• Si todos los componentes de Fourier se
atenuan en la misma proporción, la señal
resultante se reduce en amplitud pero no se
distorsiona (se tendra por Ej. la misma forma cuadrada,
aunque atenuada).
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19. Señales limitadas por el ancho de banda
…DISTORSIÓN & ATENUACIÓN…
• Pero en la práctica los sistemas de transmisión
atenúan, los distintos componentes de Fourier, en
diferente grado => introducen distorsión.
• Las amplitudes se transmiten sin atenuación
desde “0” hasta la frecuencia de corte “fc”.
Todas las señales con frecuencias por encima de
esta frecuencia de corte se atenúan más de 3dB.
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20. Señales limitadas por el ancho de banda
…DISTORSIÓN & ATENUACIÓN…
• En ciertos casos, ésta es una propiedad física
inherente a los medios de transmisión, en otros
casos se introduce artificialmente por medio de
un filtro en el circuito (para limitar el ancho de
banda disponible).
• Como se vio la figura (b) muestra cómo luce la
señal, si el ancho de banda fuera tan bajo que se
transmitieran únicamente las frecuencias más
bajas [es decir, que la función se aproximara con
los primeros términos de la ecuación (2-1)].
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21. Señales limitadas por el ancho de banda
…DISTORSIÓN & ATENUACIÓN
• Y como lucirían las señales para canales de
mayor ancho de banda por donde se podrían
transmitir un mayor número de armónicos. Ver
las figuras (c) y (d)
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22. Señales limitadas por el ancho de banda
BAUDIOS & BPS
La cantidad de cambios de nivel por segundo
de una señal se mide en BAUDS.
Ahora, una línea de b «bauds» no
necesariamente transmite b «bps», porque
cada señal transmitida podría transportar varios
bits de información por impulso de señal
transmitido y en este caso los bps serian
mayores a los Baudios …veamos
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23. Señales limitadas por el ancho de banda
CODIFICACIÓN Y VELOCIDAD DE LA SEÑAL
El tiempo “T “ requerido para transmitir un
carácter por un medio de transmisión depende:
• del método de codificación
• de la velocidad de señalización.
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24. Señales limitadas por el ancho de banda
CODIFICACIÓN:
Si se usaran señales de diferentes niveles de voltajes
tales como: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7 Volts
=> el nivel de cada señal podría servir para representar
caracteres de tres bits (000, 001, 010,…..,111)
=> Número de niveles (n) = 2m
Donde:“m” es el número de bits transmitidos
por cada señal codificada.
Ej: Ocho bits “11010101” podrían representarse
por un solo bit de voltaje de un valor de “213”.
= > la velocidad (b) en bps, sería ocho veces mayor a
la velocidad en bauds.
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25. Señales limitadas por el ancho de banda
BAUDIOS & BPS
Nivel Bits Nivel
7 111 7
6 110 6 CON UN IMPULSO
ENVIADO SE
5 101 5 ESTAN
TRANSMITIENDO
4 100 3 BITS, QUE SE
4 CODIFICAN SEGÚN
3 011 3
SU AMPLITUD
2 010 2
1 001 1
0 000 0 T
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26. Señales limitadas por el ancho de banda
= > Por cada pulso de “n” niveles se puede transmitir
un carácter de “m” bits (n = 2m ).
Niveles de la señal a Tx (n) Carácter transmitido de “m” bits
2 niveles Carácter de 1 bit
4 niveles Carácter de 2 bit
8 niveles Carácter de 3 bit
16 niveles Carácter de 4 bit
32 niveles Carácter de 5 bit
64 niveles Carácter de 6 bit
128 niveles Carácter de 7 bit
256 niveles Carácter de 8 bit
= > Con un código de 256 niveles se puede transmitir un
carácter de 8 bits por pulso enviado Ej. código ASCII
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27. Señales limitadas por el ancho de banda
PREGUNTA:
Si sólo se usan señales binarias => la velocidad en
bauds es igual en bps a…???
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28. Señales limitadas por el ancho de banda
VELOCIDAD DE LA SEÑAL
Si se transmite a una velocidad de “b” bps, el
tiempo “T” que se requiere para enviar 8 bits sería:
T =8 bits/b (segundos) (t = e/v)
como T = 1/fo => fo = b/bits
Donde: fo es la frecuencia de la primera armónica o
frecuencia fundamental
Para el caso de un código de 8 bits, la frecuencia (fo)
sería fo = b/8 .
32
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29. Señales limitadas por el ancho de banda
VELOCIDAD DE LA SEÑAL
Para una línea telefónica común, que tiene una
frecuencia de corte efectiva cercana a los 3Khz.
(establecida en forma artificial en las C.O).
Cual sería el número de armónicos (n) que puede
pasar por este canal:
=> n = ancho de banda (β) / Frec. fundamental (fo).
Para el caso n = 3.000 / fo
Como se vio, una señal de 8 bits transmitida a una
velocidad de b bits/s, fo = b/8, reemplazando
=> n = 3.000 / (b/8) => n = 24.000 / b.
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30. Señales limitadas por el ancho de banda
VELOCIDAD DE LA SEÑAL
Cuantos armónicos de un carácter ASCII se podrán
transmitir por una línea telefónica, a una tasa de 300 bps. ??
=> N armónicos = β/fbyte0 fbyte fo
Tbit = 1 bit/b = 1/300 = 3,33 ms por bit
=> Tbyte = 3,33 ms * 8 = 26,67 ms por byte
=> fbyte = 1 / Tbyte = 1/26,7 ms = 37,5 [Hz]
N armónicos = β/fbyte = 3000 / 37,5
= 80 Armónicos
80 armónicos de un carácter ASCII se pueden
enviar por una línea telefónica a una tasa de 300bps
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31. Señales limitadas por el ancho de banda Figura
VELOCIDAD DE LA SEÑAL
De acuerdo al ejemplo anterior los armónicos de una
señal binaria que se pueden transmitir por una línea
telefónica, a velocidades de 300, 600, 1200, 2400,
4800, 9600, 19200 y 38400 bps, serán:
Cantidad de armónicos que se pueden transmitir por un canal
telefónico a diferentes velocidades (Bps).
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32. Señales limitadas por el ancho de banda
VELOCIDAD DE LA SEÑAL
= > El envío de datos (señales binarias) a velocidades
mayores que 38.4 Kbps no pueden transmitir ni un
armónico por un canal telefónico, aún si el canal de
transmisión se encuentra completamente libre de
ruidos.
En otras palabras, al incrementar la tasa de
transmisión se limita la cantidad de armónicos que
pueden ser transmitidos por el canal, incluso en
canales perfectos.
Sin embargo, existen esquemas de codificación
avanzados que pueden lograr tasas de envío de datos
mucho mayores.
LHDG / 2011B - 47 39

33. Bases Teóricas de Comunicación de Datos
CONTENIDO
=> Introducción a la Capa Física
=> Bases Teóricas de la Comunicación de Datos
• Análisis de Fourier
• Señales limitadas por el ancho de banda
• La tasa de envío máxima por un canal
LHDG / 2011B - 47 40

34. La tasa de envío máxima de un canal
• H. Nyquist determinó la existencia de un
límite fundamental para la velocidad de
transmisión de datos y dedujo una ecuación que
expresa la tasa de datos máxima para un canal
sin ruido, de ancho de banda finito.
• C. Shannon extendió el trabajo de Nyquist al
caso de un canal con ruido aleatorio
(termodinámico).
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35. La tasa de envío máxima de un canal
Nyquist también demostró que si se pasa una señal
arbitraria a través de un canal con un filtro pasa-
bajos, de ancho de banda β, la señal filtrada se
puede reconstruir por completo tomando tan sólo
2*β muestras (exactas) por segundo.
=> es inútil muestrear la línea a una velocidad
mayor que 2*β veces por segundo porque los
componentes de frecuencia más alta, que tal
muestreo podría recuperar, ya se han filtrado o
bloqueado en el canal.
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36. La tasa de envío máxima de un canal
Si la señal tiene “N” niveles discretos,
el teorema de Nyquist establece:
Tasa de datos máxima [bps] = 2*β.log2 N
De acá se deduce que un canal sin ruido de
3 Khz, no puede transmitir señales binarias
a una velocidad mayor de 6.000 bps.
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37. La tasa de envío máxima de un canal
El principal resultado de Shannon fué que la tasa de
datos máxima en un canal ruidoso cuyo ancho de
banda es β [Hz] y cuya relación señal a ruido es
S/N , está dada por:
Tasa de datos máxima [bps] = β log2 (1 + S/N)
44
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38. La tasa de envío máxima de un canal
Con lo cual…
Un canal con ancho de banda de 3000 Hz y una
relación de señal a ruido térmico de 30 dB
(parámetros típicos de la parte analógica de un
sistema telefónico) nunca puede transmitir a mucho
más que: 30.000 bps…
…no importa cuántos niveles de señal se usen, ni qué
tan frecuente o infrecuente sea el muestreo.
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39. La tasa de envío máxima de un canal
El resultado de Shannon se dedujo aplicando
argumentos de la teoría de la información y es
válido para cualquier canal sujeto a ruido gaussiano
(térmico).
Sin embargo, cabe señalar que éste solamente es
un límite superior y que los sistemas reales rara
vez lo alcanzan.
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40. NOTA:
La relación señal a ruido (S/N) presente en un
canal se mide por la relación entre la potencia de la
señal y la potencia del ruido.
Donde: S es la potencia de la señal
N es la potencia del ruido
S/N es la relación señal a ruido
Generalmente, la relación absoluta no se usa;
en cambio, se usa la cantidad 10 Log S/N.
A esta relación se les llama decibeles (dB).
-una relación S/N de 10 son 10 dB,
-una relación S/N de 100 son 20 dB,
-una relación S/N de 1000 son 30 dB … 47
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41. MODULO 2- CAPA FISICA
CONTENIDO
-Bases Teóricas de Comunicación de Datos
-Medios de Transmisión guiados
-Transmisión Inalámbrica
-Satélites de Comunicaciones
-La Red Telefónica Pública Conmutada
-Sistema Telefónico Móvil
-Television por cable
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42. LHDG / 2011B - 47 49