Transmisión y Comunicación de Datos

3. Protocolos y arquitectura de protocolos
4. La arquitectura del protocolo TCP/IP
5. El modelo OSI
6. TCP/IP vs. OSI
7. Datos
8. Frecuencia, espectro y ancho de banda
9. Señales
10. Perturbaciones en la transmisión
11. Capacidades de transmisión
12. Conclusiones
13. Referencias

1.INTRODUCCIÓN.

Al intercambio de información entre computadoras se le llama Comunicación entre Computadores y al conjunto de esos computadores que se interconectan se les denomina Red de Computadoras.

El estudio de las comunicaciones contempla la denominada transmisión de señales de tal forma que esta sea eficaz y segura. En este trabajo veremos, entre otras cosas la transmisión y codificación de señales, los medios de transmisión, las interfaces y el control del enlace de datos. Además, en principio debemos considerar algunos puntos importantes:

• No hay grandes diferencias entre el procesamiento de datos (las computadoras) y las comunicaciones de datos (la trasmisión y los sistemas de conmutación).
• No hay diferencias fundamentales entre la transmisión de datos, de voz o de video.
• Las fronteras entre computadoras monoprocesador o multiprocesador, así como entre redes de área local (LAN), metropolitanas y de áreas amplias (WAN) son cada vez más difusas.

El objetivo principal de todo sistema de comunicación es el de intercambiar información entre dos o más entidades. En todos los sistemas de comunicación se tienen los siguientes tres elementos los cuales son básicos y fundamentales:

De forma general tenemos:

O bien:

Y como caso específico tenemos:

Definiremos una Estación de Trabajo o Workstation como cualquier elemento cuya arquitectura permite la comunicación con en el exterior, cabe aclarar que este término solo se aplica a computadoras. En seguida explicaremos los elementos principales que mostramos en las figuras anteriores:

• La Fuente: Este dispositivo es quien genera los datos por transmitir, por ejemplo, teléfonos o computadoras personales.
• El Trasmisor: Es común que los datos generados por la fuente no sean transmitidos de forma directa y como fueron creados, sino que el transmisor transforma y codifica la información, generando señales electromecánicas susceptibles de ser transmitidas a través de algún sistema de transmisión, por ejemplo, un modem que convierte las cadenas de bits generadas por una computadora personal y las transforma en señales analógicas que pueden ser trasmitidas a través de la red de teléfonos.
• El Sistema de Trasmisión: Este puede ser una sencilla línea de transmisión o bien, una compleja red que conecte a la fuente con el destino, esto es, el medio físico por donde se envía la señal.
• El Receptor: Este acepta la señal proveniente del sistema de transmisión y la transforma de forma que pueda ser manejada por el dispositivo de destino, por ejemplo, un modem es capaz de captar la señal analógica en la red o línea de transmisión y la convertirá en una serie de bits.
• Destino: Es el que toma los datos del receptor.

Las tareas claves que debe realizar cualquier sistema de comunicación son las siguientes:

1. Utilización del sistema de transmisión e implementación de la interfaz.
2. Generación de la señal.
3. Sincronización (tiempo necesario en el intercambio de información).
4. Gestión del intercambio de información.
5. Detección y corrección de errores en la transmisión de información.
6. Control del flujo de datos.
7. Direccionamiento, es decir, detectar dónde esta el receptor y dónde el transmisor.
8. Encaminamiento, esto es, definir hacia dónde se dirigirán los datos.
9. Recuperación de datos ante errores en la transmisión.
10. Formato de los mensajes.
11. Seguridad en el proceso de transmisión.
12. Gestión de la red.

2.PROTOCOLOS Y ARQUITECTURA DE PROTOCOLOS.

Para poder establecer comunicación entre dos o más computadoras situadas en sistemas diferentes se necesita definir y utilizar un Protocolo, esto es, un conjunto de reglas que nos indican cómo se de establecer la comunicación entre dichas computadoras. Los puntos que definen un protocolo son:

1. La Sintaxis: Formato de los datos y niveles de la señal.
2. La Semántica: Incluye información de control para la coordinación y manejo de errores.
3. La Temporización: Incluye la sincronización de velocidades y secuenciación.

Todas estas tareas se subdividen en subtareas y a todo esto se le llama Arquitectura de Protocolo, o bien, una Arquitectura de Protocolos es una estructura de capas hardware y software que facilita el intercambio de datos entre diversos sistemas y proporciona aplicaciones distribuidas (por ejemplo, correo electrónico, transferencia de archivos).

En cada capa de la arquitectura se implementa uno o varios protocolos, cada uno de ellos proporciona un conjunto de reglas que reflejan el intercambio de datos entre computadoras. Las tareas típicas realizadas por un protocolo sobre los datos son: encapsulamiento, segmentación, ensamblado, control de conexión, transmisión ordenada, control de flujo y de errores, direccionamiento y multiplexación.

Hay dos arquitecturas que han sido determinantes y básicas en el desarrollo de estándares de comunicación: El conjunto de protocolos TCP/IP y el modelo de referencia OSI.

Lo que sucede cuando se establece comunicación entre dos o más computadoras a través de un protocolo es:

• Especificación del Protocolo: Dos entidades en la misma capa en sistemas diferentes cooperan e interactúan por medio del protocolo el cual se puede especificar con precisión ya que están implicados dos sistemas abiertos diferentes.
• Definición del Servicio: Además del protocolo o protocolos que operan en una capa dada, se necesitan normalizaciones para los servicios que cada capa ofrece a la capa superior contigua, regularmente, la definición de los servicios es equivalente a una descripción funcional que define qué servicios se están proporcionando, pero no cómo se están proporcionando.
• Direccionamiento: Como ya dijimos, cada capa proporciona servicios a las entidades de su capa superior adyacente. Las entidades se especifican mediante un punto de acceso al servicio el cual indica una entidad de transporte que es usuaria del servicio.

3.LA ARQUITECTURA DEL PROTOCOLO TCP/IP.

La agencia de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Defensa de los Estados Unidos de Norteamérica definieron un conjunto de reglas que establecieron cómo conectar computadoras entre sí para lograr el intercambio de información, soportando incluso desastres mayores en la red. Fue así como surgió TCP/IP (Transfer Control Protocol/Internet Protocol) que es la arquitectura más adaptada para la interconexión de sistemas y se denomina globalmente como la familia de protocolos TCP/IP, la cual consiste en un extenso conjunto de protocolos que se han elegido como estándares de internet. Para los años 80s una gran cantidad de instituciones estaban interesadas en conectarse a esta red que se expandió en todo EU.

TCP/IP proporciona los mecanismos básicos para transferir datos –como todos los protocolos-. Se dice que TCP/IP proporciona una comunicación punto a punto (peer-to-peer) entre dos aplicaciones que se encuentran en la misma o en diferentes máquinas. Por su parte, el protocolo de internet (IP) es el protocolo básico de internet.

3.1.Las Capas de TCP/IP.

El protocolo TCP/IP se divide en 5 capas, a saber: La capa de Aplicación, Capa de Origen-Destino, la Capa de Internet, la Capa de Acceso a Internet y por último la Capa Física, en seguida indicamos sus definiciones y funciones.

• La Capa de Aplicación: En esta capa se encuentra toda la lógica necesaria para posibilitar las distintas aplicaciones del usuario.
• La Capa de Origen-Destino: También llamada Capa de Transporte, es la que tiene aquellos procedimientos que garantizan una transmisión segura.
• La Capa de Internet: En las situaciones en las que los dispositivos están conectados a redes diferentes, se necesitarán una serie de procedimientos que permitan que los datos atraviesen esas redes, para ello se hace uso de esta capa, en otras palabras, el objetivo de esta capa es el de comunicar computadoras en redes distintas.
• La Capa de Acceso a la Red: Es la responsable del intercambio de datos entre el sistema final y la red a la cual se esta conectado, el emisor debe proporcionar a la red la dirección de destino. Se encuentra relacionada con el acceso y el encaminamiento de los datos a través de la red.
• La Capa Física: Define la interfaz física entre el dispositivo de transmisión de datos (por ejemplo, la estación del trabajo del computador) y el medio de transmisión o red. Esta capa se encarga de la especificación de las características del medio de transmisión, la naturaleza de las señales, la velocidad de los datos y cuestiones afines.

4.EL MODELO OSI.

El modelo OSI (Open Systems Interconection) se desarrolló por la organización internacional de estandarización ISO (International Standarization Organization)como una arquitectura para comunicaciones entre computadores con el objetivo de ser el marco de referencia en el desarrollo de protocolos estándares OSI. OSI se ha convertido en el modelo estándar para clasificar las funciones de comunicación. Señalemos aquí que OSI se adapta a cualquier protocolo, en cambio TCP/IP es solo el más utilizado y que tiene que ver mucho con la mercadotecnia.

4.1.Las Capas de OSI.

El modelo OSI consiste en siete capas, las cuales son: La Capa de Aplicación, La Capa de Presentación, La Capa de Sesión, La Capa de Transporte, La Capa de Red, La Capa de Enlace de Datos y La Capa Física, ahora explicaremos en que consisten cada una de ellas.

• La Capa de Aplicación: Esta provee el acceso al entorno OSI para los usuarios y los servicios de información distribuida.
• La Capa de Presentación: Proporciona independencia a los procesos de aplicación respecto a las diferencias existentes en las representaciones de los datos.
• La Capa de Sesión: Facilita el control de la comunicación entre las aplicaciones; establece, gestiona y cierra las conexiones entre las aplicaciones cooperadoras (nivel lógico).
• La Capa de Transporte: Ofrece seguridad, transferencia transparente de datos entre los puntos interconectados y además establece los procedimientos de recuperación de errores y control de flujo origen-destino.
• La Capa de Red: Da a las capas superiores independencia en lo que se refiere a las técnicas de conmutación y de transmisión utilizadas para conectar los sistemas, es responsable del establecimiento, mantenimiento y cierre de las conexiones (nivel hardware).
• La Capa de Enlace de Datos: Suministra un servicio de transferencia de datos seguro a través del medio físico enviando bloques de datos, llevando a cabo la sincronización, el control de errores y el de flujo de información que se requiere.
• La Capa Física: Encargada de la transmisión de cadenas de bits no estructuradas sobre el medio físico, se relaciona con las características mecánicas, eléctricas, funcionales y procedimientos para acceder al medio físico.

4.2.Primitivas de Servicios y Parámetros.

Dentro de la arquitectura OSI los servicios entre capas adyacentes se describen en términos de servicios y mediante parámetros involucrados. Una primitiva especifica la función que se va a llevar a cabo y los parámetros se utilizan para pasar datos e información de control. La forma concreta que adopte la primitiva dependerá de su implementación. Para definir las interacciones entre las capas adyacentes de la arquitectura se utilizan cuatro primitivas, a saber:

2. Solicitud: Es una primitiva emitida por el usuario del servicio para invocar algún servicio y pasar los parámetros necesarios para especificar completamente el servicio solicitado.
   1. Indicar que ha sido invocado un procedimiento por el usuario del servicio y para suministrar los parámetros asociados.
   2. Notificar al usuario del servicio sobre una acción indicada por el suministrador.
3. Indicación: Primitiva emitida por el suministrador del servicio para:
4. Respuesta: Primitiva producida por el usuario del servicio para confirmar o completar algún procedimiento invocado mediante una indicación a ese usuario.
5. Confirmación: Primitiva generada por el suministrador del servicio y que es utilizada para confirmar o completar algún procedimiento invocado mediante una solicitud por parte del usuario del servicio.

5.TCP/IP vs. OSI.

El modelo OSI tiene siete niveles que fueron propuestos debido a que IBMÓ tenía un protocolo de siete capas llamado SNA (Systems Network Architecture) y no se pretendía ir contra la corriente peleando contra la preponderancia de IBMÓ . Mientras se planeaba y discutía el modelo OSI ya se estaban trabajando y creando redes usando TCP/IP de forma que cuando ya estaba disponible OSI a la mayoría de las compañías no les interesaba migrar a este modelo.

Algunas críticas que se han hecho al modelo OSI son:

• El conjunto total de la pila de protocolos resultó ser demasiado complejo para entender e implantar.
• Las capas contienen demasiadas actividades redundantes, por ejemplo, el control de errores se integra en casi todas las capas siendo que tener un único control en la capa de aplicación o presentación sería suficiente.
• La gran cantidad de código que fue necesario para implantar el modelo OSI y su consecuente lentitud hizo que la palabra OSI fuera interpretada como "calidad pobre", lo que contrastó con TCP/IP que se implantó exitosamente en el sistema operativo Unix y era gratis.
• OSI tuvo poca aceptación en EU porque la mayoría de la gente pensó que era un estándar implantado por la comunidad europea y todos sabemos que la tecnología o deporte, o casi cualquier otra cosa que no es inventada en los EU es discriminada rápidamente.

Por su parte, TCP/IP también ha recibido críticas, algunas de ellas son las siguientes:

• El modelo no distingue bien entre servicios, interfaces y protocolos, lo cual afecta al diseño de nuevas tecnologías en base a TCP/IP.
• Las capas que le faltan con respecto al modelo OSI ni siquiera se mencionan y eso es lógico porque TCP/IP fue predecesor de OSI.
• No se puede hablar propiamente de un modelo TCP/IP, pero se tienen que hablar de él por su forzado uso nivel mundial.
• Algunos protocolos de TCP/IP fueron creados para solucionar problemas viejos y no se consideraron las necesidades modernas requieren de otros protocolos.

Para finalizar este apartado diremos que el modelo OSI es muy bueno como un marco teórico para describir la funcionalidad de los dispositivos y protocolos que hacen funcionar una red, pero se acepta que las capas de sesión y presentación no son del todo útiles, por lo cual se utiliza un modelo reducido a la capa física, ligado de datos, red, transporte y aplicación.

6.DATOS.

Se define Datos como cualquier entidad que junto con otras al organizarse nos brindan algún tipo de información, por ejemplo, en este documento hay muchos datos, estos datos son las letras que hemos escrito a lo largo de este trabajo, pero si todas estas letras estuvieran en cualquier orden no entenderíamos nada, por ello debemos organizarlas para poder formar palabras, oraciones, párrafos, etc., y así obtener una información a partir de ellas.

Los conceptos de datos analógicos o digitales son bastante sencillos. Los datos analógicos pueden tomar cualquier valor en un intervalo continuo, por ejemplo, el video, la voz, etc., contienen valores cuya intensidad varia con el tiempo. La mayoría de los datos que se capturan con sensores como los termómetros son analógicos. Por su parte los datos digitales toman valores discretos, como pueden ser números enteros, letras, etc.

Un ejemplo muy familiar de datos analógicos son las señales de audio que en forma de ondas de sonido se pueden percibir directamente por nuestros oídos.

Cabe aclarar la diferencia existente entre datos e información, hemos mencionado aquí que los datos bien pueden ser letras como las de este documento, estos son valores que nosotros estamos poniendo en este trabajo mientras que la información como bien dijimos es una organización de estos valores para darles sentido y que nosotros podamos entender que es lo que se nos quiere decir con ellos. Sin embargo, el concepto de información es un tanto ambiguo, hay algunos autores que mencionan que información es la interpretación que nosotros como usuarios le damos a los datos que se organizan, otros solo se limitan al hecho de que simplemente deben ser los datos puramente organizados, el hecho esta en que deben ser la misma cosa, datos organizados para que tengan un sentido y que nosotros podamos darles una interpretación correcta y nos proporcionen alguna utilidad.

6.1.Trasmisión de Datos.

Todos los formatos de información considerados (voz, datos, imágenes, video, etc.) se pueden representar mediante señales electromecánicas. Dependiendo del medio de transmisión y del entorno donde se realicen las comunicaciones, se pueden utilizar señales analógicas o digitales para realizar el transporte de datos. Toda señal esta constituida por una serie de frecuencias constituyentes. Un parámetro clave en la caracterización de la señal es el ancho de banda, el cual definimos como el rango de frecuencias contenidas en una determinada señal. En términos generales, cuanto más grande sea el ancho de banda mayor será su capacidad para transportar información.

El tipo de señales mencionadas aquí se pueden representar de la siguiente forma:

Uno de los problemas principales en el diseño de sistemas de comunicaciones reside en las dificultades para transmitir por las líneas de comunicación o en los defectos en estas mismas, entre los obstáculos más importantes están la atenuación (debilitación de la señal), la distorsión de retardo y los distintos tipos de ruido que existen, en este caso existen diferentes tipos de ruido, entre ellos, el térmico, de intermodulación, diafonía e impulso. Más adelante detallaremos algunos de estos problemas. Las dificultades en la transmisión de señales analógicas causan efectos aleatorios que degradan la calidad de la información transmitida y puede afectar su inteligibilidad; cuando se utilizan señales digitales, los defectos en el envío de datos pueden introducir bits erróneos en la recepción.

El diseñador de un sistema de comunicaciones debe tomar en cuenta cuatro factores determinantes, estos son, el ancho de banda de la señal, la velocidad a la que se transmiten los datos, la cantidad de ruido presente en el proceso de envío de datos y finalmente la porción o tasa de errores que se pueden tolerar. El ancho de banda disponible está limitado por el medio a través del cual se transmite, así como por la necesidad de evitar interferencias con señales cercanas. Debido a que el ancho de banda es un recurso escaso, es conveniente maximizar la velocidad de transmisión para el ancho de banda del cual se dispone. Por su parte la velocidad de transmisión esta limitada por el ancho de banda, la presencia de defectos en las líneas de transmisión como el ruido y otros y por la tasa de errores que se tolera. El éxito en la transmisión de datos depende fundamentalmente de dos factores: la calidad de la señal transmitida y las características del medio de transmisión.

6.2.Terminología Utilizada en la Transmisión de Datos.

La transmisión de datos entre un emisor y un receptor siempre se realiza a través de un medio, estos medios de transmisión se pueden clasificar como guiados y no guiados, en ambos casos, la comunicación se realiza en ondas electromagnéticas.

Los medios guiados son, por ejemplo, los pares trenzados, cables coaxiales, fibras ópticas, etc., la característica principal de ellos es que la transmisión se hace confinando las ondas a lo largo del camino físico. Por el contrario, los medios no guiados transmiten de forma que las ondas electromagnéticas no se confinen, ejemplos de estos medios lo son transmisión vía radio, vía satélite, etc. Se considera que el mejor de los medios guiados es la fibra óptica y en los no guiados en los últimos años ha habido una tendencia hacia el uso del satélite.

El concepto enlace directo hace referencia al camino de transmisión entre dos dispositivos en el que la señal se propaga directamente del emisor al receptor sin ningún otro dispositivo intermedio que no sea u amplificador o repetidor, dichos dispositivos se utilizan para poder incrementar la señal que es enviada y pueden ser empleados tanto para medios guiados como no guiados.

Un medio de transmisión guiado es punto a punto (peer-to-peer) si proporciona un enlace directo entre dos únicos dispositivos que compartan ese medio. En una configuración guiada multipunto el mismo medio es compartido por varios dispositivos.

Un medio de transmisión puede ser:

• Simplex: Se da cuando las señales se transmiten solo en una dirección, por ejemplo, las señales de televisión o de radio.
• Half-Duplex: Cuando dos estaciones transmiten en ambas direcciones pero no lo hacen al mismo tiempo, un ejemplo puede ser el radio comunicador.
• Full-Duplex: Para este tipo de medio ambas estaciones si pueden enviar señales en ambas direcciones y de forma simultánea, como por ejemplo, el teléfono.

6.3.Relación entre Velocidad y Ancho de Banda.

Aunque una forma de onda contenga frecuencias en un rango extenso, por cuestiones prácticas, el sistema de transmisión (transmisor + medio + receptor) solo podrá transferir una banda de frecuencias limitada, lo cual hace que la velocidad de transmisión máxima en el medio este limitada.

6.4.Transmisión de Datos Analógicos y Digitales.

En la transmisión de datos desde una fuente hacia un destino se debe tener en cuanta la naturaleza de los datos, cómo se logra su propagación física y qué procesamiento o ajustes se necesitan a lo largo del camino para asegurar que los datos que se reciban sean los correctos. Para todas estas consideraciones, el punto crucial es el de decidir si se tratan de entidades analógicas o digitales (los términos analógicos y digitales corresponden a continua y discreta, respectivamente). Estos dos términos se aplican regularmente a datos, señalización y transmisión, esto es, en los tres casos, todos pueden ser analógicos o digitales, en los siguientes apartados veremos con un poco más de detalles todos estos conceptos y lo que conlleva cada uno de ellos.

7.FRECUENCIA, ESPECTRO Y ANCHO DE BANDA.

Las señales electromagnéticas desde el punto de vista de la transmisión de datos son funciones del tiempo y se pueden expresar también en función de la frecuencia, es decir, la señal esta constituida por componentes a diferentes frecuencias. Para comprender y caracterizar mejor el funcionamiento de la transmisión de datos el dominio de la frecuencia resulta ser más ilustrativo que el del tiempo, veamos la siguiente figura:

La señal electromagnética considerada como una función del tiempo puede ser tanto discreta como continua, una señal continua es aquella en la que su intensidad varia con el tiempo, esto es, que no se presentan saltos o discontinuidades. Una señal discreta es aquella cuya intensidad se mantiene constante durante un cierto intervalo de tiempo tras el cual la señal cambia a otro valor constante. Veamos las siguientes figuras:

El tipo de señales más sencillas que se puede considerar son las señales periódicas que se caracterizan por tener un patrón que se repite a lo largo del tiempo.

Matemáticamente, una señal s(t) se dice que es periódica si y solo si s(t+T) = s(t), donde a T se le llama periodo de la función, en nuestro caso es el periodo de una señal, algunos ejemplos son:

2. f(t+5)² ¹ f(t)², en este caso T = 5 pero como vemos, esta función no es periódica.
3. f(t+2) ¹ f(t), para este ejemplo T = 2, aunque también vemos que la señal no es periódica.
4. Sen(A+3) = SenA, ya que si revisamos algunas propiedades de las funciones trigonométricas veremos que Sen(A+3) = SenACos(3) + CosASen(3) = SenA(0.99...) + CosASen(0.05) = SenA; por tanto la señal es periódica.

1. Cos(A+p /2) = CosA, de igual forma debemos revisar algunas de las propiedades de las funciones trigonométricas y obtendremos que Cos(A+p /2) = CosACos(p /2) = CosA(1) = CosA; por lo cual podemos decir que esta función si es periódica

   Si de forma general tenemos una función de la forma Sen(at), entonces esta tiene periodo 2p /a ya que:

Sen[a(t+2p /a)] = Sen[at+2p ] = Sen(at);

De la misma forma podemos obtener que el periodo de una función de la forma Cos(at) es también 2p /a.

Ahora veamos la siguiente figura de donde podremos identificar varios de los elementos que componen a una señal que es una función periódica:

Donde A es la Amplitud, Æ es el valor en radianes de la fase de la señal, como ya dijimos anteriormente T es el periodo y la frecuencia f es 1/T, lo que significa que T = 1/f, ambos casos son aproximaciones, veamos algunos ejemplos:

Si contamos con una función de la forma C + A Sen ( a ( t + b ) ) o C + A Cos( a ( t + b ) ) su periodo, como bien dijimos anteriormente, es 2p /a y además su amplitud es A.

Cabe aclarar que no es forzoso graficar o tabular los valores de una función que representa una señal, o en general de cualquier función de la forma coseno o seno para poder obtener su periodo, frecuencia o amplitud, el graficado y/o tabulado de éstas se requiere en ocasiones cuando la función es muy compleja, pero teniendo los casos generales que aquí presentamos es mucho más fácil realizar estos cálculos.

Con mayor formalidad diremos que la onda seno es la señal continua fundamental por excelencia, cualquier onda se representa mediante tres parámetros, los cuales ya hemos mencionado antes y que es importante que resaltemos: la amplitud A, la frecuencia f y la fase Æ . La amplitud es el valor máximo (o la energía) de la señal en el tiempo, normalmente este valor se mide en volts. La frecuencia es la razón (en ciclos por segundo o Hz) a la que la señal se repite, un parámetro equivalente es el periodo T definido como la cantidad de tiempo transcurrido entre dos repetidores consecutivos de la señal, por lo cual T = 1/f y f = 1/T. La fase una medida de la posición relativa de la señal dentro de un periodo de la misma.

La expresión general para una onda senoidal es: s(t) = A· Sen(2p ft + Æ , veamos los siguientes ejemplos:

1. s(t) = 25· Sen( 4p ft + 3/4p ), aquí A = 25; f = 2 y Æ = 3/4p ;
2. s(t) = 15· Sen( 8p ft + 1/2p ), donde A = 15; f = 4 y Æ = 1/2p ;
3. s(t) = 2.5· Sen( 8/145p ft + 1/25p ), donde A = 2.5; f = 4/145 y Æ = 1/25p ;
4. s(t) = 0.75· Sen( 14p ft + 1/25p ), donde A = 0.75; f = 7 y Æ = 1/25p ;

Decimos que la longitud de onda es la distancia que ocupa un punto, en otras palabras, la distancia entre dos puntos de la misma fase. En dos puntos consecutivos suponga que la señal se propaga a una velocidad V, en ese caso la longitud de onda se puede relacionar con el periodo de la señal por medio de la expresión l = VT o bien, como T = 1/f y f = 1/T, entonces, l f = V, frecuentemente V es igual a C, donde C es la velocidad de la luz, esto es, C = 3· 108 m/s , lo cual significa que podemos expresar lo siguiente: l = CT y l f = C.

Se define el espectro de una señal como el conjunto de frecuencias que la constituyen y el ancho de banda absoluto como la anchura de ese espectro. Sin embargo, la mayor parte de la energía de la señal se concentra en una banda de frecuencias la cual se denomina ancho de banda efectivo o simplemente ancho de banda.

8.SEÑALES.

En un sistema de comunicaciones los datos se propagan de un punto a otro mediante señales electromagnéticas. Una señal analógica –como ya lo dijimos con anterioridad- es una onda electromagnética que varia constantemente con el tiempo y que, según sea su espectro, puede propagarse a través de una serie de medios como puede ser un cable coaxial, fibra óptica, etc.

Por su parte, una señal digital, que también ya hemos mencionado antes, es una secuencia de pulsos de tensión que se pueden transmitir a través de un medio conductor, por ejemplo, un nivel de tensión positiva constante representaría un 1 binario y un nivel contante negativo un 0.

8.1.Transmisión de Señales.

Tanto las señales analógicas como las digitales se pueden propagar a través de un medio conductor, este medio determinará como serán tratadas estas señales, en la siguiente tabla observamos los métodos de transmisión de datos y como son tratadas las señales involucradas:

DATOS Y SEÑALES.
	Señal Analógica.	Señal Digital.
Datos Analógicos.	Hay dos alternativas: 1) La señal ocupa el mismo espectro que los datos analógicos y 2) Los datos analógicos se codifican ocupando una porción distinta del espectro.	Los datos analógicos se codifican utilizando un codec para generar una cadena de bits.
Datos Digitales.	Los datos se codifican usando un modem para generar las señales analógicas.	Hay dos opciones: 1) La señal consiste en dos niveles de tensión que representan dos valores binarios y 2) Los datos digitales se codifican para producir una señal digital con las propiedades adecuadas.
PROCESAMIENTO DE SEÑALES.
	Transmisión Analógica.	Transmisión Digital.
Señal Analógica.	Se propaga a través de amplificadores, se trata de igual manera si los datos son analógicas o digitales.	Para este caso se supone que las señales analógicas representan datos digitales, por lo cual la señal se propaga a través de repetidores, en cada uno de ellos los datos digitales se obtienen a partir de la señal de entrada y se usan para generar una nueva señal analógica de salida.
Señal Digital.	No se usa.	Aquí la señal digital representa una cadena de 1s o 0s los cuales pueden representar datos digitales o pueden ser resultado de la codificación de datos analógicos. La señal se propaga a través de repetidores, y en cada uno de ellos se recupera la cadena de bits a partir de la señal que entra y por medio de esta se genera una nueva cadena de salida.

La transmisión analógica es una forma de transmitir las señales analógicas independientemente de su contenido, las señales pueden representar datos analógicos como la voz o digitales como los datos generados por una computadora. En cualquier caso la señal analógica se irá debilitando (atenuándose) con la distancia. Para solucionar esto, el sistema de transmisión analógico incluye amplificadores que "inyectan" energía a la señal. Por desgracia estos amplificadores también dan energía a las señales de ruido. Para conseguir distancias mayores al utilizar amplificadores en cascada, la señal se distorsiona cada vez más. Para datos analógicos como la voz se puede tolerar una pequeña distorsión ya que en este caso los datos siguen siendo inteligibles. Una solución a estos problemas son los llamados filtros que son utilizados para lograr disminuir las señales de ruido que se insertan en la transmisión de nuestros datos.

Sin embargo, para los datos digitales, los amplificadores introducirán errores. La transmisión digital es dependiente del contenido de la señal. Una señal digital solo se puede transmitir a una distancia limitada ya que la atenuación y otros aspectos negativos pueden afectar la integridad de los datos que se transmiten. Para conseguir distancias mayores se utilizan repetidores. Un repetidor recibe la señal de entrada digital, regenera la cadena de bits correspondiente y los retransmite, de esta forma se evita la atenuación.

Para señales analógicas se puede usar la misma técnica anterior si la señal transmitida contiene datos digitales. En este caso el sistema de transmisión tendrá repetidores convenientemente espaciados en lugar de amplificadores. Dichos repetidores recuperan los datos digitales a partir de la señal analógica y genera una nueva señal analógica limpia, así el ruido no es acumulativo.

Uno de los problemas a resolver es el mejor método para transmitir. A pesar de que los métodos de transmisión analógicos han absorbido grandes inversiones, la industria de las telecomunicaciones y los usuarios han optado por la transmisión digital (esto s más por moda que por prestaciones). Tanto las comunicaciones a larga distancia como los servicios de comunicación a distancias muy cortas se están orientando gradualmente a la tecnología digital, y aún más, de la misma manera se esta introduciendo la señalización digital en todos los sistemas donde sea factible. Algunas de las razones que justifican esto son:

• Tecnología Digital: Las mejoras en la tecnología a gran escala (LSI) y muy gran escala se han traducido en una disminución continua tanto en costo como en el tamaño de la circuitería digital y, por supuesto, dejando más beneficios para quienes la utilizan. El instrumental analógico no ha experimentado una reducción similar.
• Integridad de los Datos: Al usar repetidores en vez de amplificadores, el ruido y otros aspectos negativos no son acumulativos. Por tanto, al usar tecnología digital es posible transmitir datos conservando su integridad a distancias mayores utilizando incluso líneas de calidad inferior.
• Utilización de la Capacidad: En términos económicos, el tendido de líneas de transmisión de banda ancha ha llegado a ser factible incluso para medios tales como canales vía satélite y fibra óptica.

9.PERTURBACIONES EN LA TRANSMISIÓN.

En cualquier sistema de comunicaciones se debe considerar el hecho de que la señal que se recibe diferirá de la señal transmitida debido a varias adversidades y dificultades en el proceso de transmisión de datos. En las señales analógicas, estas dificultades producen alteraciones aleatorias que degradan la calidad de las mismas. En el caso de las señales digitales se pueden producir bits erróneos, por ejemplo, un 1 se puede transformar en 0 y viceversa.

Aunque hay muchas, las perturbaciones más significativas son:

• La atenuación.
• La distorsión de retardo.
• El ruido.

En seguida las discutiremos de forma somera.

9.1.Atenuación.

La energía de la señal decae con la distancia en cualquier medio de trasmisión. En medios guiados esta reducción de la energía es, generalmente, logarítmica, y por lo tanto se expresa típicamente como un número constante en decibelios por unidad de longitud. En medos no guiados, la atenuación es un función más compleja de la distancia y dependiente a su vez de las condiciones atmosféricas. Se pueden establecer tres condiciones respecto a la atenuación:

1. La señal recibida debe tener suficiente energía para que la circuitería electrónica en el receptor pueda detectar e interpretar la señal adecuadamente.
2. Para que la señal sea percibida sin errores se debe conservar un nivel de energía suficientemente mayor que el ruido.
3. La atenuación es una función frecuente de la frecuencia.

Los dos primeros problemas se resuelven controlando la energía de la señal, para lo cual se utilizan amplificadores o repetidores. En un enlace punto a punto, la energía en el transmisor debe ser lo suficientemente elevada para que sea recibida con claridad, pero no tan elevada, ya que esto podría saturar la circuitería del transmisor, lo que generaría una señal distorsionada.

A partir de cierta distancia, la atenuación es inaceptable, lo que requiere la utilización de repetidores o amplificadores que revitalicen la señal periódicamente. Este tipo de problemas son aún más complejos en líneas multipunto en las que la distancia entre el transmisor y el receptor es variable.

El tercer problema es especialmente relevante para el caso de las señales analógicas. Debido a que la atenuación varía en función de la frecuencia, la señal recibida esta distorsionada, reduciéndose así, la inteligibilidad. Para resolver este problema existen técnicas para ecualizar la atenuación en una banda de frecuencias. En las líneas telefónicas esto se realiza normalmente usando bobinas de carga que cambian las propiedades eléctricas de la línea dando lugar a un suavizado de los efectos de atenuación. Otra aproximación alternativa es la utilización de amplificadores que energicen más las frecuencias altas que las bajas. La distorsión por atenuación es un problema mucho menor para las señales digitales. Como ya se ha mencionado, la energía de la señal digital decae rápidamente con la frecuencia, la mayor parte de sus componentes están concentrados entorno a la frecuencia fundamental o a la velocidad de transmisión (en bits por segundo o bps) de la señal.

Veamos ahora como se calcula la atenuación que se produce en la transmisión de una señal y la amplificación necesaria para evitar este problema:

Atenuación = 10· log10· (PST/PSR)dB;

Amplificación = 10· log10· (PSR/PST)dB;

Donde PST = Potencia de la Señal Transmitida y PSR = Potencia de la Señal recibida. Ambos cálculos se dan en decibelios, veamos un ejemplo.

• Ejemplo: Calcule la atenuación que sufrirá una señal que se transmite con una potencia de 1000W y se recibe con 895W, así como la amplificación necesaria para subsanar el problema.

Solución: Tenemos que PST = 1000W y PSR = 895W, entonces:

Atenuación = 10· log10· (1000/895)dB = 10· log10· (1.117318436)dB = 10· (0.048176964)dB =

0.481769646dB y ;

Amplificación = 10· log10· (895/1000)dB = 10· log10· (0.895)dB = 10· (-0.048176964)dB =

-0.481769646dB;

Por tanto la Atenuación es de 0.481769646dB y la Amplificación necesaria es de -0.481769646dB (es un valor negativo ya que nos indica que en ese nivel se disminuye la atenuación).

9.2.Distorsión de Retardo.

La distorsión de retardo es un fenómeno peculiar de los medios guiados, significa que al enviar determinada señal una parte de ella se transmita más rápido que otra parte o partes de la misma causando efectos negativos en el envío de información. Esta distorsión es causada por el hecho de que la velocidad de propagación de la señal varía con la frecuencia, para una señal de banda limitada, la velocidad tiende a ser mayor en la frecuencia central y disminuye al acercarse a los extremos de la banda. Por tanto, las distintas componentes en frecuencia de la señal llegarán al receptor en instantes diferentes de tiempo, dando lugar a desplazamientos en fases entre las diferentes frecuencias.

El efecto es llamado distorsión de retardo, ya que la señal recibida esta distorsionada debido al retardo variable que sufren sus componentes. La distorsión de retardo es particularmente crítica en la transmisión de datos digitales, por ejemplo, si se está transmitiendo una secuencia de bits, utilizando una señal analógica o digital, debido a la distorsión de retardo, algunas componentes de la señal en un bit se desplaza hacia otras posiciones provocando interferencia entre símbolos. Este hecho es el factor que limita principalmente la velocidad de transmisión máxima en un canal de transmisión.

9.3.Ruido.

En cualquier dato transmitido, la señal recibida consistirá en la señal transmitida modificada debido a las distorsiones introducidas por el sistema de comunicación y a las señales no deseadas que se insertarán entre algún punto entre el emisor y el receptor. A estas últimas señales no deseadas se les denomina ruido, es decir, el ruido es toda aquella señal que se inserta entre el receptor y el emisor y que no es deseada. El ruido es el factor de mayor importancia cuando se limitan las prestaciones del sistema de transmisión.

El ruido se puede clasificar en cuatro categorías:

1. Ruido Térmico: Es producido por la agitación térmica de electrones dentro del medio conductor.
2. Ruido de Intermodulación: Consiste en que cuando distintas frecuencias comparten el mismo medio de transmisión provocan entre sí señales de ruido.
3. Diafonía: Se produce cuando hay un acoplamiento entre líneas que transportan las señales.
4. Ruido Impulsivo: Se trata de impulsos discontinuos de poca duración y de gran amplitud que afectan a la señal.

El ruido térmico está presente en todos los medios electrónicos utilizados para transmitir señales, como su nombre lo indica, es función de la temperatura y está uniformemente distribuido en el espectro de frecuencias y por ello en ocasiones se le denomina ruido blanco.

El ruido térmico no se puede eliminar y por esa razón impone un límite superior en las prestaciones de los sistemas de comunicaciones. La cantidad de ruido térmico en un ancho de banda de 1Hz en cualquier dispositivo o conductor es:

No = KT vatios/Hz;

Donde:

• No = Densidad de potencia del ruido, en vatios por 1Hz de ancho de banda.
• K = Contante de Boltzmanz = 1.3803· 10-23 J/°K.
• T = Temperatura en grados Kelvin (°K).

Veamos un ejemplo:

Ejemplo: A temperatura ambiente T = 290°K la densidad de potencia del ruido térmico es:

Solución: No = (1.3803· 10-23 J/°K)(290°K)(vatios/Hz) = 4.00287 · 10-21 vatios/Hz;

Por tanto la densidad del ruido térmico es 4.00287 · 10-21 vatios/Hz.

Se supone que si el ruido es independiente de la frecuencia, entonces, el ruido térmico presente en un ancho de banda de B Hz se puede expresar en vatios como:

N = KTB vatios;

O en dB-vatios así:

N = 10· log10K + 10· log10T + 10· log10B = -228.6 dB-vatios + 10· log10T dB-vatios + 10· log10B dB-vatios;

Veamos un ejemplo:

Ejemplo: Un receptor a una temperatura ambiente de 98°K y 10 MHz de ancho de banda tiene un nivel de ruido térmico de:

N = -228.6dB-vatios + 10· log1098dB-vatios + 10· log1010 000 000 dB-vatios = -228.6dB-vatios + 19.9122dB-vatios + 70dB-vatios = -138.6878 db-vatios;

Por tanto el nivel de ruido térmico es -138.6878 db-vatios;

Cuando señales de distintas frecuencias comparten el mismo medio de transmisión puede producirse el denominado ruido de intermodulación. El efecto que causa este ruido es la aparición de señales a frecuencias que sean suma o diferencia de las dos originales o múltiplos de estas, por ejemplo, la mezcla de las señales de frecuencias f1 y f2 pueden producir energía a frecuencias f1 + f2, estas componentes podían interferir con algunas otras.

El ruido de intermodulación se produce cuando hay alguna falta de linealidad en el transmisor, receptor o en el propio sistema de transmisión. Normalmente estos sistemas se comportan de forma lineal, es decir, la salida es igual a la entrada multiplicada por una constante. En los sistemas no lineales la salida es una función más compleja que la entrada. Estas componentes pueden aparecer debido al funcionamiento incorrecto de los sistemas o por el uso excesivo de energía en la señal. Bajo estas circunstancias aparecen términos o diferencias, es decir, ruido de intermodulación.

En el caso de la diafonía podemos decir que ésta la hemos podido experimentar la mayoría de las personas cuando hacemos uso del teléfono, se trata en realidad de un acoplamiento no deseado en las líneas que transportan las señales. Esto puede ocurrir por el acoplamiento eléctrico entre pares de cables cercanos o en raras ocasiones en líneas de cable coaxial que transportan varias señales. La diafonía también puede aparecer cuando varias señales no deseadas se captan en las antenas de microondas, aunque estas se caracterizan por ser direccionables, la energía de las microondas se dispersa durante la transmisión. Normalmente la diafonía es del mismo orden de magnitud o inferior que el ruido térmico.

Los ruidos antes descritos son de magnitud constante y razonablemente predecibles. Así pues, es posible diseñar un sistema de transmisión que les haga frente. Por el contrario, el ruido impulsivo es no-continuo y esta constituido por pulsos ópticos, irregulares de corta duración y de amplitud relativamente grande; se genera por una gran diversidad de causas, por ejemplo, por perturbaciones electromagnéticas exteriores producidas por tormentas atmosféricas o fallos y defectos en los sistemas de comunicación.

Generalmente el ruido impulsivo no tiene mucha trascendencia para os datos analógicos, por ejemplo, la transmisión de voz se puede perturbar mediante "chasquidos" o "crujidos" cortos sin ninguna pérdida de inteligibilidad. Sin embargo, el ruido impulsivo es una de las fuentes principales de errores en la transmisión de datos digitales ya que los bits pueden corromperse con alguno de estos "chasquidos" o "crujidos".

10.CAPACIDADES DE TRANSMISIÓN.

Se ha visto que hay una gran variedad de efectos nocivos que distorsionan o corrompen las señales de las que hemos hablado. Para los datos digitales, la cuestión a resolver es en qué medida éstos defectos limitan la velocidad con la que se pueden transmitir los datos en un canal o ruta de comunicación de datos.

Hay cuatro conceptos relacionados con la capacidad, que son:

1. La velocidad de transmisión de los datos es la velocidad expresada en bits por segundo (bps) a ala que se pueden transmitir los datos.
2. El ancho de banda de la señal transmitida que estará limitada por el medio de transmisión y el propio transmisor, se mide en ciclos por segundo o Hz.
3. El nivel medio de ruido a través del camino de transmisión.
4. La tasa de errores, se considera que ha habido un error cuando se recibe un 1 habiendo enviado un 0 o viceversa.

El problema es que los servicios de comunicación son por lo general caros y, normalmente, cuanto mayor es el ancho de banda requerido por el servicio, mayor es el costo. Es más, todos los canales de transmisión de interés práctico están limitados en banda. Las limitaciones surgen de las propiedades físicas de los medios de transmisión o por las limitaciones que se imponen deliberadamente en el transmisor para prevenir interferencias con otras fuentes. Por consiguiente, es deseable hacer un uso tan eficiente como sea posible dado un ancho de banda limitado. Para los datos digitales, esto significa que, para un ancho de banda determinado sería deseable conseguir la mayor velocidad de datos posible superando la tasa de errores permitida. El mayor inconveniente para conseguir este objetivo es la existencia de ruido.

10.1.Ancho de Banda de Nyquist.

Para comenzar, considérese el caso de un canal excento de ruido. En este entorno, la limitación de la velocidad de datos está impuesta por el canal de transmisión. Nyquist formalizó esta limitación afirmando que si la velocidad de transmisión de la señal es 2· B (el doble del ancho de banda), entonces, una señal con frecuencia no superior a B es suficiente para transportar a esta velocidad de transmisión y viceversa, dado un ancho de banda de B, la velocidad mayor de transmisión de la señal se que se puede conseguir es 2· B. Esta limitación esta dada por el efecto de distorsión de retardo.

La formulación de Nyquist para el caso de señales multinivel es: C = 2· B· log2M bps; donde M es el número de señales discretas a niveles de tensión. Veamos un ejemplo:

Ejemplo: Calcular la capacidad del canal si la velocidad de transmisión es igual a 1200 bps con 5 niveles de señal.

Solución: C = 2(1200)log25 = (2400)( ln5 / ln2 ) = 5572.62 bps.

Recordemos que logxy = lny / lnx.

Si las señales a transmitir son binarias (dos niveles de tensión) la velocidad de transmisión de datos que se puede conseguir con BHz es de 2· Bbps, esto es que porque, si en la formulación de Nyquist M = 2, entonces tenemos:

C = 2· B· log22 bps = 2· B(ln2/ln2)bps = 2· B bps, los logaritmos son eliminados.

Por tanto, para un ancho de banda dato, la velocidad de transmisión de datos se puede incrementar considerando un número de señales mayor diferentes. Sin embargo, esto supone una dificultad más en el receptor, este, en lugar de tener que distinguir una entre dos señales, deberá distinguir entre M señales posibles. El ruido y otras dificultades en la línea de transmisión limitarán el valor de M.

10.2.Fórmula para la Capacidad de Shannon.

La fórmula de Nyquist implica que al duplicar el ancho de banda se duplica la velocidad de transmisión, si todo lo demás se mantiene inalterado. Ahora se establece una relación entre la velocidad de transmisión, el ruido y la tasa de errores.

La presencia de ruido puede corromper uno o más bits, si se aumenta la velocidad de transmisión el bit se hace más corto de tal manera que dado un patrón de ruido, este afectará a un mayor número de bits. Así pues, dado un nivel de ruido, cuanto mayor es la velocidad de transmisión, mayor es la tasa de errores.

Todos estos conceptos se pueden relacionar con la fórmula desarrollada por el matemático Claude Shannon. Como se ha comentado, cuanto mayor es la velocidad de transmisión, mayor es el daño que puede causar el ruido. Dado un nivel de ruido, es de esperarse que incrementado la energía de la señal se mejoraría la recepción de datos en presencia de ruido. Un parámetro fundamental en el desarrollo de este razonamiento es la relación señal-ruido (SNR) que se define como el cociente entre la potencia de la señal y la potencia del ruido presente en un punto determinado en el medio de transmisión. Generalmente este cociente se mide en el receptor, ya que es aquí donde se realiza el procesado de la señal y la eliminación del ruido no deseado. Por cuestiones de comodidad el SNR se mide en decibelios (dB), la fórmula es:

SNRdB = 10log10(Potencia de la Señal / Potencia del Ruido);

Esta expresión muestra, en decibelios, cuanto excede la señal al nivel del ruido. Un SNR alto significa una señal de alta calidad y la necesidad de un número reducido de repetidores. La relación señal-ruido es importante en la transmisión de datos digitales ya que determina la máxima velocidad de transmisión que se puede conseguir. Una de las conclusiones de Shannon es que la velocidad máxima en bps de un determinado canal se verifica con la ecuación:

C = Blog2( 1 + SNR ) bps;

Donde C es la capacidad del canal y b es el ancho de banda en Hz. La fórmula de Shannon muestra el máximo nivel teórico que se puede conseguir. Sin embargo, en la práctica se consiguen razones de bits mucho menores. Esto se debe al hecho de que la fórmula anterior supone ruido blanco, además, no se ha tomado en cuenta el ruido impulsivo, la atenuación o la distorsión de retardo. La capacidad tal como se ha calculado en la fórmula precedente se denomina capacidad libre de errores, para finalizar veamos el siguiente ejemplo.

Ejemplo: Si la potencia de la señal es de 290W y la potencia del ruido de 54W con un ancho de banda de 1520Hz, calcular la capacidad del canal de transmisión.

Solución: Primero calculamos el SNR y posteriormente C.

SNR = 10· log10( 290 / 54 ) = 7.3dB; entonces,

C = ( 1520Hz )log2( 1 + 7.3 )bps = ( 1520 )( ln8.3 / ln2 )bps = 4640.729231 bps.

Por tanto la capacidad del canal de transmisión es de 4640.729231 bps.

11.CONCLUSIONES.

En el presente trabajo hemos abarcado los más importantes conceptos involucrados en la transmisión y comunicación de datos, vimos conceptos que nos dan una idea muy general del cómo es posible comunicar dos sistemas del mismo o de diferente tipo así como los problemas que se nos presentan cuando se realiza un proceso de envío de datos a través de un medio de transmisión.

Todo lo que se refiere a la transmisión y comunicación de datos a escala mundial y a redes en los últimos años ha adquirido una espectacular importancia, es una de las áreas de donde podemos encontrar cada vez más mejoras y cosas interesantes, es por ello que se hace imprescindible conocer el funcionamiento, por lo menos básico, de todo lo que implica comunicarnos a través de sistemas electrónicos, además, todos estos temas, representan una de las mayores oportunidades para las personas que les interesan las comunicaciones y cuestiones afines.

12.REFERENCIAS.

2. Halsall Fred. (2001) Comunicación de Datos, Redes de Computadoras y Sistemas Abiertos, Prentice Hall, México.
3. Purcell Edwin J., Varberg Dale, Rigdon Steven E. (2001) Cálculo, Prentice Hall, México.
4. Levine Guillermo. (2001) Computación y Programación Moderna, Pearson Educación, México.
5. Galicia Hernández Yalú. (2004) Notas de Programación de Sistemas, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Facultad de Ciencias de la Computación, México.

Luis Antonio Fernández Aldana

Estudiante del Séptimo Cuatrimestre de Ingeniería en Ciencias de la Computación.

Benemérita Universidad Autónoma de Puebla.

Facultad de Ciencias de la Computación.

5 / Agosto / 2005.

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