Fundamentos de la Transmisión de Datos y Medios de Red

1. Introducción

En el nivel físico, el orden del envío de la información debe ser el mismo que el de emisión.

2. Tipos de Transmisión

Los datos (0’s y 1’s) se transforman en señales eléctricas, por ejemplo:

• 0: 0V
• 1: +5V

Estas señales pueden sufrir alteraciones durante la transmisión, afectando su calidad al llegar al receptor.

2.1. Transmisión Síncrona y Asíncrona

Para que exista comunicación, es necesaria la sincronización entre emisor y receptor.

Transmisión Síncrona

Requiere sincronización continua entre emisor y receptor usando una señal periódica llamada **reloj**.

Ventajas

• Rápida.
• Resistente al ruido.
• Mayor eficiencia.

Tipos

• Heterosincronizada: Dos cables, uno para el reloj y otro para los datos.
• Autosincronizada: Un solo cable, combina datos y señal de reloj.

Transmisión Asíncrona

• No requiere sincronización continua.
• Usa señales adicionales para indicar:
  • Inicio del dato (**Start**).
  • Fin de la transmisión (**Stop**).
• Ideal para transmisiones de baja velocidad.

2.1.1. Tipos de Sincronismo

Sincronismo de Bit

• Transmisión asíncrona: Antes de transmitir, se acuerda la velocidad. Cada carácter enviado comienza con un bit de inicio (**START**), que sincroniza el reloj del receptor.
• Transmisión síncrona: La señal se envía junto con una señal de reloj.

Sincronismo de Carácter

• Determina cuántos bits forman cada palabra y define los límites entre palabras.
• **Asíncrona**: Usa bits de **START** y **STOP**.
• **Síncrona**: Usa el carácter especial **SYN**.

Sincronismo de Bloque

• Utiliza caracteres especiales (de ASCII) para marcar ciertas posiciones al fragmentar el mensaje.

2.2. Transmisión Serie y Paralelo

• **Serie**: Se usa un solo cable para enviar los datos, uno por uno, de bit en bit.
• **Paralelo**: Se usan múltiples cables, transmitiendo varios bits al mismo tiempo.

2.3. Transmisión Digital y Analógica

• **Señales Analógicas**: Son continuas y pueden tener cualquier valor dentro de un rango.
• **Señales Digitales**: Son discretas, solo toman ciertos valores (como 0 y 1), y son más rápidas y confiables que las analógicas.

2.4. Simplex, Semiduplex, Dúplex

• **Simplex**: La comunicación es solo en un sentido.
• **Semidúplex**: La comunicación puede ir en ambos sentidos, pero no al mismo tiempo.
• **Dúplex**: La comunicación es bidireccional y simultánea.

2.5. Multiplexación

Se trata de compartir el medio de transmisión entre varias comunicaciones.

• TDM (Multiplexación por división de tiempo)
• FDM (Multiplexación por división de frecuencia)

2.6. Tipos de Enlaces

• **Directo**: La señal va directamente de emisor a receptor, solo pasa por amplificadores.
• **Indirecto**: La señal pasa por nodos intermedios, lo que puede cambiar la señal.
• **Punto a punto**: Un enlace entre dos dispositivos.
• **Multipunto**: Varios dispositivos comparten un enlace.

3. Velocidad de Transmisión y Ancho de Banda

Son dos características fundamentales en el estudio de las señales, y determinan en gran parte el uso de ellas.

• **Velocidad de transmisión**:

  Es la cantidad de bits que se pueden enviar por segundo a través de un medio, medida en **bps** (bits por segundo). También se usa el **baudio**, que indica cuántos cambios puede tener la señal por segundo. En transmisiones binarias, los baudios y los bps son iguales.

• **Ancho de banda**:

  Es el rango de frecuencias donde se encuentra la mayor parte de la energía de una señal, medido en **hertzios (Hz)**. Es necesario ajustar las señales al ancho de banda del medio, lo que se logra mediante la **modulación**.

• **Relación entre ancho de banda y velocidad**:

  El ancho de banda limita la velocidad de transmisión, por lo que un mayor ancho de banda permite alcanzar mayores velocidades. Aunque el ancho de banda de un medio no se puede ampliar, se puede modular la señal para aprovechar mejor el espacio disponible y aumentar la velocidad de transmisión.

4. Métodos de Transmisión

4.1. Transmisión Digital o de Banda Base

Se utiliza una señal que sólo puede tomar un rango de valores limitado. Es rápido pero necesita mayor ancho de banda. Los métodos de codificación digital más utilizados son:

• **Códigos NRZ**: La señal no cambia de nivel entre bits.
• **Códigos NRZ-M**: La señal cambia de nivel en cada bit, solo si el bit es 1.
• **Código RZ**: La señal vuelve a 0 en el medio de cada bit.
• Códigos bifase: La señal cambia de nivel en el centro de cada bit.
• Código Miller: La señal cambia de nivel a la mitad de cada bit y al principio si el bit es 1.

5. Transmisión Analógica. Modulación

La **modulación** es un proceso utilizado para adaptar una señal al rango de frecuencias adecuado para ser transmitida a través de un medio de comunicación. Un dispositivo llamado **MÓDEM** se encarga de modular (convertir) y demodular (recuperar) la señal:

• Señal digital – MODULACIÓN – Señal analógica
• Señal analógica – DEMODULACIÓN – Señal digital

• Se utiliza para:
  • Transmitir señales que tienen un ancho de banda diferente al que permite el canal de comunicación.
  • Evitar interferencias al cambiar la frecuencia de la señal.

• Señal moduladora:

  Es la señal original que queremos transmitir, que puede ser digital o analógica.

• Señal portadora:

  Es la señal que se ajusta a las características necesarias para la transmisión, y puede ser analógica o digital.

• Señal modulada:

  Es la señal final que se obtiene después de la modulación, que puede ser también digital o analógica dependiendo de la portadora.

6. Señales y Ruido en los Sistemas de Transmisión

Cuando se transmite una señal a través de un medio, pueden ocurrir varias alteraciones que afectan su calidad, incluso haciendo que la información que llega no coincida con la original. Las principales alteraciones son:

6.1. Atenuación

Es la pérdida de fuerza de la señal a medida que viaja por el medio, como un cable o fibra óptica. La señal se debilita y puede requerir repetidores para restaurarla.

6.2. Reflexión

En las señales eléctricas, cuando un pulso de voltaje encuentra una discontinuidad en el medio de transmisión, puede rebotar y generar interferencia con las señales siguientes.

6.3. Ruido

Son señales no deseadas que alteran la señal principal. El ruido puede cambiar los valores de los bits transmitidos y proviene de diversas fuentes:

• Diafonía: Es el ruido que proviene de otros cables cercanos.
• Ruido térmico: Es causado por el movimiento aleatorio de los electrones en el cable, y suele ser pequeño.
• Ruido de la línea de alimentación: Proviene de la corriente alterna (CA) o la conexión a tierra, y puede afectar la señal si no está bien aislada.
• Interferencia electromagnética (EMI) y de radiofrecuencia (RFI): Son causadas por fuentes externas como motores, luces y sistemas de radio.

6.4. Dispersión

Ocurre cuando la señal se “ensancha” durante su transmisión, lo que puede distorsionarla.

6.5. Colisión

Se da cuando dos bits de diferentes ordenadores se encuentran al mismo tiempo en el medio de transmisión, lo que provoca que las señales se destruyan mutuamente.

Estos problemas pueden afectar la precisión y la calidad de la transmisión de información.

7. Medios de Transmisión

7.1. Medios Guiados

7.1.1. Par sin Trenzar

Dos hilos paralelos de cobre recubiertos de plástico. Usado principalmente para telefonía, tiene baja resistencia a interferencias. Se conecta con RJ11.

7.1.2. Par Trenzado

Cuatro pares de hilos trenzados que reducen interferencias y permiten transmitir señales analógicas y digitales.

7.1.2.1. Cable Par Trenzado Apantallado STP

Cada par tiene un blindaje metálico para reducir interferencias. Requiere conexión a tierra y es más caro y difícil de instalar.

7.1.2.2. Cable Par Trenzado UTP

Hilos aislados sin blindaje, más barato pero menos protegido. Cada par de hilos está trenzado entre sí.

7.1.2.3. Cable Par Trenzado Apantallado ScTP O FTP

Como el UTP pero con un blindaje metálico general que mejora la protección.

Categorías de Cables

• Categoría 5e: Hasta 100 MHz, transmisión de hasta 100 Mbps (Gigabit Ethernet).
• Categoría 6: Hasta 250 MHz, transmisión de hasta 1 Gbps.

7.1.3. Cable Coaxial

Utiliza un conductor central rodeado de un aislante y una capa metálica exterior. Usado en TV, internet y telefonía.

7.1.4. Fibra Óptica

La fibra óptica es un medio de transmisión de señales mediante luz, utilizando una fibra de vidrio. Ofrece alta velocidad, es resistente a interferencias y tiene mayor capacidad que el cable de cobre. Existen diferentes tipos de fibra óptica: multimodo, monomodo y multimodo gradual.

• Multimodo: La luz rebota en el interior del núcleo de la fibra, permitiendo transmitir señales a distancias de hasta 2000 metros.
• Monomodo: La fibra es muy delgada y la luz viaja en línea recta, ideal para largas distancias.
• Multimodo gradual: La luz se propaga de manera gradual, gracias a que el índice de refracción cambia desde el centro hacia el exterior del núcleo.

El núcleo de la fibra está rodeado por un revestimiento de vidrio y una capa plástica protectora. La luz se transmite mediante dos tipos de fuentes:

• Diodos LED: Para distancias cortas.
• Lásers: Para distancias largas.

La conexión se realiza mediante conectores como ST, SC y LC, y los empalmes pueden ser mecánicos o de fusión.

• El kevlar es un material que proporciona mayor protección y amortiguación a las fibras. Para unir cables de fibra óptica, existen tres métodos:
  1. Conectores que se insertan en enchufes.
  2. Empalmes mecánicos, que alinean y sujetan los extremos de las fibras.
  3. Fusión, que funde los extremos para crear una conexión casi sin pérdida de señal.
• Los conectores más comunes son ST, SC y LC, y el método de transmisión utilizado es Simplex.
• Ventajas de la fibra óptica:
  • Mayor capacidad de transmisión que el cobre.
  • Requiere repetidores solo cada 30 km debido a su baja atenuación.
  • No sufre interferencias electromagnéticas.
  • Es delgada, ligera y difícil de intervenir.

7.2. Medios no Guiados

7.2.1. Radio

Las ondas de radio son fáciles de generar, viajan largas distancias y atraviesan edificios. Se usan en comunicaciones interiores y exteriores, ya que no necesitan estar alineadas las antenas de transmisión y recepción. Las ondas de radio más bajas pueden llegar hasta 1000 km y son usadas también por el ejército.

7.2.2. Microondas

Los microondas viajan en línea recta y pueden enfocarse en un haz estrecho, lo que permite transmitir energía de forma más concentrada. Son utilizadas en televisión, telefonía móvil, entre otras. Requieren que las antenas emisoras y receptoras estén alineadas y fueron usadas antes de la fibra óptica.

7.2.3. Infrarrojos

Se usan para comunicaciones de corto alcance, como los controles remotos. Son económicas y fáciles de construir, pero no atraviesan objetos sólidos y son direccionales.

7.2.4. Ondas de Luz (láser)

Se usan para conectar edificios mediante láseres instalados en sus techos. Aunque son fáciles de instalar y no requieren licencia, no pueden atravesar lluvia ni niebla densa. Además, su alineación debe ser precisa.

7.2.5. Satélites de Comunicaciones

Funcionan como grandes repetidores de microondas en el espacio, enviando señales a la Tierra. Hay tres tipos según su órbita:

• GEO (Geoestacionarios): Altos y cubren grandes áreas de la Tierra.
• MEO (Órbita Terrestre Media): Más cercanos, como los satélites GPS, y requieren menos potencia.
• LEO (Órbita Terrestre Baja): Están más cerca de la Tierra, por lo que necesitan muchos satélites para formar un sistema completo.

Estos satélites deben evitar zonas de partículas cargadas cerca de la Tierra que podrían dañarlos.

8. Tarjetas de Red

Una tarjeta de red es un componente del ordenador que permite compartir información con otros dispositivos y la convierte en un formato que el equipo puede procesar. Se conecta a la placa base y proporciona puertos de conexión a la red.

• Cómo recibe los datos:
  1. La información llega como señales eléctricas.
  2. Un procesador en la tarjeta sincroniza y convierte estas señales en bits (datos).
  3. Los bits se procesan y se envían al bus PCI para que la CPU del ordenador los analice.
• Cómo envía los datos:
  1. Los datos que la CPU quiere enviar llegan a la tarjeta de red.
  2. Los datos se almacenan temporalmente en un buffer (memoria de almacenamiento rápido).
  3. Cuando el buffer está lleno, los datos se convierten nuevamente en señales eléctricas y se envían a través de un conector (como RJ-45) a la red.
  4. La tarjeta de red tiene una dirección única llamada MAC para identificar los dispositivos.

• Funciones adicionales de la tarjeta de red:
  • Verifica si el medio de transmisión está libre para enviar datos.
  • Identifica los datos destinados a ella.
  • Enciende los LED indicadores.
  • Utiliza transceptores para crear señales y gestionar la conexión.

8.1. Instalación y Comprobación

Para verificar si la tarjeta funciona correctamente, se puede hacer un “ping” a la dirección IP especial 127.0.0.1 (loopback). Si recibe respuesta, la tarjeta está operativa.

8.2. Encendido Remoto del Ordenador

La función Wake on LAN (WOL) permite encender un ordenador de forma remota. Esto se puede hacer con una placa base moderna que tiene WOL integrado, o con un cable especial para placas más antiguas.

9. Repetidores

Los repetidores son dispositivos que amplifican y regeneran las señales debilitadas en una red. Su función es recoger una señal débil, amplificarla y enviarla de nuevo, permitiendo que la señal llegue más lejos sin perder calidad. Esto es importante porque las señales pueden debilitarse con la distancia, lo que podría causar errores en la transmisión.