Capa física de una red - Datos y señales

En las capas de una arquitectura de red de computadoras, la **capa física** es la responsable del envío de bits por el enlace. En esta capa se realizan las codificaciones, conversiones (digital-digital, digital-analógica...), multiplexaciones y resto de operaciones pertinentes. La comunicación es completamente lógica y depende del medio de transmisión.

## Datos y señales

* **Datos**: entidades de información. Pueden ser analogicos (continuos) o digitales (discretos).
* **Señales**: codificación eléctrica o electromagnética de los datos (analogicas o digitales).
* **Elementos de señal**: cada uno de los estados que puede adoptar la señal (tensiones, frecuencias,...). La cantidad de elementos de señal, B, que se envían por unidad de tiempo es la tasa de baudios, se mide en **baudios** (**Error al representar (error de sintaxis): {\displaystyle Bd ≡ Hz ≡ s-1}**
). La cantidad de bits, R, que se codifican en un elemento de señal son los bits por baudio. La cantidad de bits, C, que se envían por unidad de tiempo es la tasa de bits y es igual a la tasa de baudios por los bits por baudio (

# C
B
⋅
R

{\displaystyle C=B\cdot R}

).

## Tipos de señales

### Señales continuas o analógicas

Su intensidad varía de forma continua a lo largo del tiempo.

### Señales discretas o digitales

Su intensidad sólo toma determinados valores constantes (discretos) a lo largo del tiempo.

## Descomposición de Fourier de señales digitales.

### Señales periódicas

Las señales periódicas se pueden descomponer como suma de una cantidad numerable de senos con distintas frecuencias, amplitudes y fases. A las frecuencias de esos senos se les llama componentes en frecuencia o **armónicos**. Al conjunto de armónicos se le llama **espectro en frecuencia**. El **ancho de banda absoluto** de una señal es la diferencia entre las frecuencias más alta y más baja. El **ancho de banda efectivo** es donde se concentra la mayor parte de la energía.

### Señales aperiódicas

Las señales aperiódicas necesitan una cantidad continua (cantidad infinita no numerable) de senos, no presenta ningún patrón de repetición.

## Canales de transmisión

El **ancho de banda**, H, de un canal es el rango de frecuencias en el que se puede transmitir una señal por él. Si empieza en 0 decimos que es un canal paso-baja y en caso contrario paso-banda.

El **teorema de Nyquist** afirma que la tasa de baudios máxima de un canal paso-baja es

2
⋅
H

{\displaystyle 2\cdot H}

. Las señales se **atenúan** en proporción a la distancia y la frecuencia. La atenuación se mide en decibelios (dB) y es igual a

10
⋅

log

10

⁡
(

p
o
t
e
n
c
i
a

r
e
c
i
b
i
d
a

p
o
t
e
n
c
i
a

e
n
v
i
a
d
a

)

{\displaystyle 10\cdot \log \_{10}({\frac {potencia\ recibida}{potencia\ enviada}})}

. En los canales hay **ruido** de distintos tipos: térmico o blanco, diafonía (afectado por otro canal) o impulsivo o electromagnético.

Cuanto más Signal/Noise Ratio (SNR), definido como **Error al representar (error de sintaxis): {\displaystyle \frac{potencia\ señal}{potencia\ ruido}}**
 o **Error al representar (error de sintaxis): {\displaystyle SNR\_{dB}=10 \cdot \log\_{10}(\frac{potencia\ señal}{potencia\ ruido})}**
, más calidad de señal recibida. La tasa de bits con ruido es

H
⋅

log

2

⁡
(
1
S

/

N
)

{\displaystyle H\cdot \log \_{2}(1+S/N)}

 (teorema de Shanon).

## Transmisión digital

La transmisión digital o transmisión en banda base envía datos digitales en señales digitales.
Se puede usar una **codificación de línea** (cada bit se convierte en señales) o **codificación de bloque** (se transforman bloques de bits en otros bloques con más bits por redundancia y sincronización y estos son los que se envían con codificación de línea).
Hay varios tipos de codificación:

* **Unipolar**: usa voltajes no negativos. NRZ codifica 0s en 0V y 1s en un voltaje positivo.
* **Polar sin retorno a 0**: usa 2 voltajes opuestos. NRZ-L codifica 0s en voltaje positivo y 1s en negativo. NRZ-I codifica 0s manteniendo el voltaje y 1s cambiandolo.
* **Polar con retorno a 0**: usa 3 voltajes (-V,0,+V). RZ codifica 0s en transiciones de -V a 0 y 1s en transiciones de +V a 0.
* **Polar bifase**: a mitad de cada intervalo hay una transición entre -V y +V. Manchester codifica 0s con transiciones de +V a -V y 1s al revés. Manchester diferencial codifica 0s en transiciones al inicio del intervalo y 1s sin transiciones al inicio.
* **Bipolar**: usa 3 voltajes (-V,0,+V). AMI codifica 0s en 0V y 1s alternativamente en -V y +V. Pseudoternaria codifica los 1s y los 0s al revés de AMI.
* **Multinivel**: usa varios voltajes. 2B1Q usa 4 voltajes para codificar 2 bits en cada elemento de señal. 8B6T usa 3 voltajes para codificar 8 bits en 6 elementos de señal. 4D-PAM5 se usan 4 cables con 5 voltajes (uno de ellos por redundancia). (1000BASE-T)
* **Multitransición**: hace transiciones según ciertas reglas. MLT-3 usa 3 voltajes (-V,0,+V), codifica el 0 sin hacer transición y el el 1 hace transiciones -V,0,+V,0,-V,0,...

## Transmisión analógica

La transmisión analógica o en banda ancha envía datos digitales en señales analogicas, para ello hay que modularlos (convertirlos) y luego demodularlos. Las principales técnicas de modulación son por:

* **Amplitud** (AM o ASK): distintas amplitudes codifican distintos datos.
* **Frecuencia** (FM o FSK): distintas frecuencias codifican distintos datos.
* **Fase** (PM o PSK): distintas fases (sen, cos, -sen, -cos) codifican distintos datos.
* **Cuadratura** (QAM): se combinan distintas fases y amplitudes para codificar más datos. La codificación se representa en el plano con el ángulo (fase) y módulo (amplitud) correspondientes.

Se puede multiplexar para enviar distintos flujos de señales a la vez. Se pueden reservar distintos rangos de frecuencias para distintos flujos de señales analógicas (multiplexación FDM) o se pueden turnar las distintas señales digitales (multiplexación TDM).

## Medios de transmisión

Los medios de transmisión se clasifican de la siguiente forma.

### Guiados o por cable (wired)

* **Par trenzado**: dos hilos de cobre aislados entrelazados. Suelen ir 4 pares juntos. Pueden ser apantallados (STP) o no (UTP). Usado en telefonía y Ethernet. Suelen usar conectores RJ-45.
* **Cable coaxial**: hilo de cobre rodeado por otro. Usado en televisión y Ethernet. Mejor pero más caro.
* **Fibra óptica**: hilo de plástico o vidrio envuelto por donde pasa luz. No tiene interferencias, tiene mayor ancho de banda y alcanza mayores distancias. Su funcionamiento está basado en la ley de Snell. Hay dos tipos de fibra óptica: multimodo y monomodo . Está sustituyendo a los demás en todo.

### No guiados o inalámbricos (wireless)

Utilizan señales electromagnéticas.

* **Radiofrecuencia**: (3KHz-1GHz). Usado en radio y televisión.
* **Microondas**: (1GHz-300GHz). Usado en telefonía móvil, satélites y WiFi.
* **Infrarrojos**: (300Hz-400THz). Usado en mandos de electrodomésticos.