Telemática Tercer semestre

Fundamentos de redes Unidad 1. Conceptos generales

Telemática

Tercer semestre

Fundamentos de redes

Unidad 1. Conceptos generales

Clave

22142314 / 21142314

Universidad Abierta y a Distancia de México


1. CONCEPTOS GENERALES 3

Presentación 3

Consideraciones específicas de la unidad 4

Propósitos 4

Competencia específica 5

Logros 5

1.1. Características de transmisión. 6

1.1.1 Historia de las redes 6

1.2. Tipos de cableado 8

1.2.1. Cable coaxial 9

1.2.2. Cable par de trenzado 10

1.2.3. Cable de fibra óptica 11

1.3. Señales y ruidos 13

1.3.1. Atenuación 14

1.3.2. Ruido 15

1.4. Conociendo a Nyquist y Shannon 16

1.4.1. Límite de Nyquist 17

1.4.2. Análisis de límite de Nyquist 18

1.4.3. Teorema de Shannon 20

1.4.4. Señalización 21

Cierre de la unidad 22

Saber más 23

Fuentes de consulta 23


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1. Conceptos generales

Presentación

En esta unidad estudiarás los aspectos teóricos y prácticos de la transmisión de señales, así como los

factores que pueden afectar la interferencia y/o atenuaciones conocidas como ruido.

Asimismo, identificarás los tipos de cableado más comunes para la inter conectividad de redes, conocerás

y aplicarás el límite de Nyquist y el teorema de Shannon para obtener el mejor estudio y desarrollo de la

transmisión de señales en las redes.

Al final de la unidad comprenderás la importancia de la estructura del cableado y el factor común de las

señales y las transmisiones, sabrás distinguir los tipos de medios, señales y ruidos que afectan a la

transmisión de señales en las redes.

Figura 1.Inteligencia en Redes (2016). Imagen tomada de http://www.rr64.net/


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Consideraciones específicas de la unidad

Para que puedas desarrollar la competencia específica de la unidad es necesario que profundices en los

temas propuestos en las fuentes de consulta complementarías que tu docente en línea te proponga,

asimismo, que realices todas las actividades de aprendizaje, ya que éstas te proporcionan elementos para

que lo aprendido lo pongas en práctica en tu contexto laboral, así como en tu vida diaria.

Propósitos

1. Identificar los diferentes tipos de transmisión de datos, así como los aspectos que los caracterizan.

2. Identificar las características de atenuación de señal de los diversos cables con base en las necesidades de conectividad en una red.

3. Identificar los diferentes tipos de ruidos que afectan las tramas de la comunicación de datos.

4. Aplicar los criterios de Nyquist y el teorema de Shannon para la resolución de una serie de planteamientos.

5. Calcular la capacidad de señal para configurar una línea telefónica por fibra óptica y señal emitida por un cable coaxial.


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Competencia específica

Identifica los tipos de transmisión, las capacidades de cableado para dar soluciones a errores de interferencia o perturbación mediante la implementación de los parámetros del límite de Nyquist y el teorema Shannon.

Logros

• Comprender los tipos de transmisión de datos y los usos más comunes

• Identifica el uso de los tipos de cables más adecuados ante las necesidades de conectividad en una red

• Identificar los tipos de ruido y de qué manera pueden afectar las tramas de las comunicaciones de datos.

• Saber interpretar mediciones y niveles de ruido a través del criterio y teorema Nyquist – Shannon.

• Calcular la capacidad de señal para configurar una línea telefónica por fibra óptica y señal emitida por un cable coaxial.


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1.1. Características de transmisión.

Un canal de comunicación está constituido físicamente por uno o más medios de transmisión, por lo tanto

los parámetros de un canal dependerán directamente de las características de los medios de transmisión

que lo conforman. Dentro de ello, existen dos grupos de medios de transmisión: los guiados y no guiados;

entre los medios guiados se encuentra el par trenzado, cable coaxial y la fibra óptica. Entre los medios no

guiados se encuentran las ondas de radio, los microondas, los enlaces satelitales, enlaces infrarrojos, entre

otros. (Carlos Valdivia, 2016).

El término 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 interpuesto, siempre y

cuando, no sea un amplificador o repetidor, éstos últimos tienen la peculiaridad de uso para incrementar

la energía de la señal. En otros términos, se determina que se puede aplicar tanto a medios guiados como

no guiados. (Carlos Valdivia, 2016).

Un medio de transmisión punto a punto proporciona un enlace directo entre los dos únicos dispositivos

que comparten el medio, en una configuración guiada multipunto, el mismo medio es compartido por más

de dos dispositivos, ante ello, se puede mantener una transmisión de tipo simplex, half-duplex o full-

duplex.

En la transmisión simplex, las señales se transmiten en una única dirección; siendo una estación la emisora

y otra la receptora. En el tipo half-duplex, ambas estaciones pueden transmitir, sin embargo, debe haber

una espera ya que no pueden transmitir simultáneamente.

Por último en el caso de full-dúplex, el medio transporta señales en ambos sentidos al mismo tiempo, es

decir no existe una interrupción a menos que sea generado un ruido considerable. (Carlos Valdivia, 2016).

1.1.1 Historia de las redes

Cuando se trata de avances en las redes informáticas, existen literalmente docenas de tecnologías que

allanaron el camino y dieron forma al campo tal como lo conocemos. Mirando hacia atrás, uno de los

inventos que fueron pioneros en la creación de redes fueron, el primer sistema de reservas en línea,

construido por la empresa en tecnología de IBM.

El origen de Internet se remonta a la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de los Estados

Unidos (ARPA, que más tarde se convirtió en DARPA). A finales de la década de 1960, en aquel entonces,

ARPA desarrolló una tecnología temprana de conmutación de paquetes, la Red de Agencias de Proyectos

de Investigación Avanzada (ARPANET), que finalmente condujo a la invención de un conjunto de


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protocolos de Internet (IP). Típicamente conocido como TCP / IP, protocolo el cual es la base hoy en día

de Internet.

Por otra parte, Xerox es la compañía quien pudiera reclamar la invención de Ethernet. En 1973, en una

instalación de investigación de Xerox en Palo Alto, California, Robert Metcalfe y David Boggs construyeron

el primer prototipo de Ethernet que operaba a 2.94 Mbps. Después de realizar más pruebas, Xerox

eventualmente patentó Ethernet en 1975 .

En 1979, el IEEE entró en escena cuando formó un comité de estándares en torno a Ethernet con el

propósito de promover la tecnología para el consumo masivo, contrario a la creencia popular, la invención

del enrutador es anterior a Cisco Systems. El avance de la red se originó con el procesador de mensajes de

interfaz, dispositivos de puerta de enlace utilizados en ARPANET. El enrutador multiprotocolo fue

desarrollado en los años 80 por Bill Yeager, un investigador de la Universidad de Stanford, el personal de

TI de Stanford, Leonard Bosack y Sandy Lerner, se dieron cuenta de las implicaciones comerciales de la

tecnología del enrutador, desarrollaron una versión revisada del enrutador de Yeager y en 1984 formaron

Cisco Systems.

Debido a que las tecnologías Ethernet operaban con el control de acceso a medios CSMA / CD, (carrier

sense multiple Access / collision detector) éstos limitaban el número de dispositivos que podían

conectarse a una LAN y seguir funcionando. Para combatir el aumento del tráfico de difusión en LAN con

una gran cantidad de dispositivos conectados, el concepto de LAN virtual (VLAN) se desarrolló a fines de

los años ochenta y principios de los noventa. Esta tecnología segmenta lógicamente una sola LAN con un

solo dominio de difusión en dos o más LAN lógicas, cada una con su propio dominio de difusión, más tarde

el estándar IEEE 802.1Q fue desarrollado para estandarizar VLAN y el enlace de múltiples VLAN a través de

enlaces ascendentes de red.

Un punto muy interesante es ¿quién inventó el firewall? a decir verdad, no hay una respuesta concreta, el

cortafuegos ha sido la primera línea de defensa en redes empresariales durante la mayor parte de las

últimas tres décadas, se dice que Check Point Software Technologies, fundado en 1993, fue el inventor del

moderno firewall stateful que todavía se usa en la actualidad.

El firewall de red de Check Point marcó el comienzo de un mercado completo de herramientas y

dispositivos de red que se centran únicamente en la protección e integridad de los datos a medida que

fluyen a través de redes confiables y no confiables. Por último la tecnología 802.11, conocida como WiFi,


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era casi seguro que sería un gran éxito sin importar qué; sin embargo, fue Steve Jobs de Apple quien jugó

un papel fundamental en hacer que la tecnología inalámbrica fuera tan popular, tan rápidamente.

En la conferencia MacWorld '99, Steve presentó las tecnologías inalámbricas iBook y AirPort originales, si

bien el iBook tenía una gran cantidad de innovaciones informáticas, fue WiFi quien se robó el show en

aquel entonces.

Sin duda alguna hemos alcanzado grandes niveles y logros en las tecnologías y las redes, por lo que el

entendimiento de los fundamentos de redes es un gran paso e inicio para desarrollar un potencial dentro

del aprendizaje adquirido.

1.2. Tipos de cableado

La transferencia, manejo y control de los datos son aspectos fundamentales para cualquier empresa, pero

para poder contar con un sistema adecuado es necesario tener el cableado de red ideal para que

cualquiera de estas tareas se lleve a cabo de la mejor manera posible. (Joaquín Andreu, 2011).

Y así como suele suceder con cualquier sistema, los elementos que conforman al cableado son variados,

pero es indudable que el tipo de cable es el componente fundamental, ya que es el medio por el cual la

información fluye, a su vez, es distribuida y compartida con los usuarios de la red. Pero un dato muy

importante, es saber que cada red tiene diferentes necesidades, cualidades y especificaciones, por lo que

también exige diferentes tipos de elementos y necesidades para poder cumplir cabalmente con su función,

con base en dichas características.

Así, aunque puede parecer que el cable es un elemento común y que cualquier cable podría ser útil y

funcional, hay que entender que cada desarrollo deba ser manejado con base a necesidades para este tipo

de tareas, lo cierto es que hay diferentes clases de cables, con diferentes características que satisfacen lo

anteriormente mencionado. Por lo tanto la elección de este componente debe realizarse con base en la

topología de la red, el tamaño de ésta y sus requerimientos de arquitectura. (Joaquín Andreu, 2011).

Existe una gran variedad de cables que se pueden utilizar con esta finalidad, pero se puede realizar una

división o agrupación en categorías bien delimitadas, las cuales se explican a continuación:


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1.2.1. Cable coaxial

Este tipo de cable es uno de los más comunes y utilizado, principalmente porque se trata de un cable

sumamente sencillo de manejar y emplear con diferentes fines, está diseñado de un material flexible,

ligero y es el más económico que hay en el mercado. Su composición principal, incluye hilos de cobre para

conformar el núcleo, el cual está cubierto por una fina capa aislante, ésta a su vez está recubierta por un

trenzado de cobre o algún otro metal y, finalmente, una última capa externa de goma, teflón o plástico.

(Joaquín Andreu, 2011).

Debido a esta composición, este tipo de cable es altamente resistente a atenuaciones e interferencias, ya

que la cobertura interna de cobre o metal es capaz de absorber las señales eléctricas presentes en la

transferencia, lo cual ayuda de manera significativa a que no haya pérdidas o escape de datos, por lo que

este tipo particular de cable es ideal para la transmisión de información a distancias relativamente largas.

Por lo tanto y dependiendo de las necesidades particulares de la empresa, el usuario o cableado de red

específico, se utiliza un diferente tipo de cable coaxial, que puede ser de tipo Thinnet, cables delgados,

finos, flexibles y de fácil uso, o Thicknet, cables más gruesos, rígidos, con un núcleo muy ancho, de difícil

manipulación e instalación, pero con una mejor y más efectiva transmisión de datos.

En general, los cables coaxiales son utilizados con mayor frecuencia para transmitir datos de audio, video

e imágenes ya que son los que mejor calidad ofrecen en este tipo de datos. (Joaquín Andreu, 2011).

1.2.2. Cable par trenzado

Para muchas aplicaciones se necesita una conexión en línea, uno de los medios de transmisión más viejos,

y todavía el más común, es el cable de par trenzado, éste consiste en dos alambres de cobre aislados, por

lo regular de 1 mm de grueso, los alambres se trenzan en forma helicoidal, igual que una molécula de DNA,

éssto se hace porque dos alambres paralelos constituyen una antena simple. Cuando se trenzan los

alambres, las ondas viajan dando diferentes vueltas mejorando la transmisión efectiva y a su vez, evitando

que la radiación de pérdida sea menor.

La aplicación más común del cable de par trenzado es en el sistema telefónico ya que casi todos los

teléfonos están conectados a las compañías telefónicas mediante un cable de par trenzado. La distancia

que se puede recorrer con estos cables es de varios kilómetros sin necesidad de amplificar las señales,

pero para distancias mayores se puede recurrir al uso de repetidores. Cuando muchos cables de par


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trenzado recorren de manera paralela distancias considerables, como podría ser el caso de los cables de

un edificio de departamentos, van hacia la compañía telefónica, por lo que se suelen atar en haces y se

cubren con una envoltura protectora, los cables dentro de estos haces podrían sufrir interferencias en el

caso de que no estuvieran trenzados.

En algunos lugares del mundo en donde las líneas telefónicas se instalan en la parte alta de los postes, se

observan frecuentemente dichos haces, de varios centímetros de diámetro, los cables de par trenzado se

pueden utilizar para transmisión tanto analógica como digital, el ancho de banda depende del grosor del

cable y de la distancia que recorre, en muchos casos pueden obtenerse transmisiones de varios Mbps.

Debido a su comportamiento adecuado y bajo costo, los cables de par trenzado se utilizan ampliamente y

es probable que permanezcan por muchos años.

Hoy en día existen varios tipos de cableado de par trenzado, dos de los cuales son importantes para las

redes de computadoras. Los cables de par trenzado categoría 3 consisten en 2 alambres aislados que se

trenzan de manera delicada, cuatro de estos pares se agrupan por lo regular con una envoltura de plástico

para su protección. Anteriormente, la mayoría de los edificios de oficinas tenían un cable de categoría 3

que iba de un gabinete de cableado central en cada piso hasta cada oficina; este esquema permitió que se

lograra la conectividad de hasta cuatro teléfonos conmutados o dos teléfonos de múltiples líneas en cada

oficina conectadas con el equipo de la compañía telefónica en el gabinete de cableado.

Hoy en día las comunicaciones han cambiado de manera considerable por lo que su uso ahora conlleva a

la transmisión inalámbrica, pero que el par trenzado, no deja de usarse con un fin común.

Este tipo de cable es uno de los más comunes y utilizado, principalmente porque se trata de un cable

sumamente sencillo de manejar y emplear con diferentes fines, es un material flexible, ligero y es el más

económico que hay en el mercado, su composición básica incluye hilos de cobre para conformar el núcleo,

el cual está recubierto por una fina capa aislante, ésta a su vez está recubierta por un trenzado de cobre o

algún otro metal y, finalmente, una última cubierta externa de goma, teflón o plástico. (Joaquín Andreu,

2011).


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1.2.3. Cable de fibra óptica

Este tipo de cable es la forma más moderna de cableado de red, ya que puede transmitir y compartir

información por medio de pulsos modulados de luz, es decir, señales digitales. Esto implica que los datos

se envían de manera completamente segura, ya que al hacer uso de impulsos eléctricos, los datos no

pueden ser pinchados, ni robados; además de ofrecer una transmisión rápida y efectiva.

Este tipo de cable está conformado por dos finos núcleos o hilos de vidrio, cubierto por un revestimiento

también de vidrio, éste a su vez forrado con una cubierta de goma o plástico. El cable cuenta con dos hilos

de vidrio, ya que este material sólo es capaz de transmitir señales en una dirección, por lo que uno de los

hilos recibe las señales, mientras el otro las envía.

Debido a esta conformación, este tipo de cable es ideal para la transmisión de datos a la mayor velocidad

posible en distancias considerablemente largas, es necesario reiterar que el tipo de cable que se utiliza

depende por completo de las necesidades del usuario o empresa, el tipo de red que se desea implementar

y las características que ésta debe tener para poder satisfacer las necesidades de los usuarios. (Joaquín

Andreu, 2011).

Todo ello requiere de un análisis adecuado de la organización, especialmente de sus requerimientos en

cuanto a sistemas de información, la cantidad de datos a manejar y otros elementos importantes, ya que

de una correcta evaluación depende la correcta instalación e implementación de la red en la arquitectura.

(Joaquín Andreu, 2011).

Finalmente, se recomienda interactuar y conocer cada característica respecto a la variedad de cable para

poder llevar a cabo un análisis y evaluación adecuada, posteriormente es necesario llevar a cabo

instalaciones e implementación del cableado de red, para tener así la garantía de resultados confiables,

rápidos y efectivos al momento de compartir y transmitir información.

En el siguiente cuadro se muestran los diferentes tipos de cable coaxial y par trenzado, los cuales son de

gran uso en el cableado de las redes por su gran conductividad, potencia y distancia, siendo los más

factibles por su material aislante para evitar pérdidas y atenuación.


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Medio Tipo Categoría Ancho de banda máximo teórico

Distancia máxima teórica

Cable coaxial de 50 ohmios.

10Base2 - 10 Mbps 185 m

Cable coaxial de 50 ohmios.

10Base5 - 10 Mbps 500 m

Cable de par trenzado no blindado (UTP).

10BaseT Categoría 1 4 Mbps 100 m

Tabla 1. Tipos de cable. Información. Fuente: Andreu, J. (2011).

Categoría 3 16 Mbps

Categoría 5 100 Mbps

Cable de par trenzado no blindado (UTP)

100BaseTx Categoría 5 100 Mbps 100 m

Cable de par trenzado no blindado.

1000Base-TX Categoría 5E 1000 Mbps 100 m

Tabla 2. Tipos de cable UTP (Par trenzado). Fuente: Andreu, J. (2011).

1.3. Señales y ruidos

Una señal consiste en una serie de patrones eléctricos u ópticos que se transmiten de un dispositivo conectado a otro, estos patrones representan bits digitales y se transportan a través de los medios como lo son el voltaje o los patrones luminosos. Cuando las señales llegan a su destino, éstos se vuelven a convertir en bits digitales. (Stallings, 2004).

Existen tres métodos comunes de transmisión de señales:

• Señales eléctricas: El tipo de transmisión se logra representando los datos como pulsos eléctricos sobre los cables de cobre.

• Señales ópticas: Para lograr este tipo de transmisión es necesario convertir las señales eléctricas en pulsos luminosos.

• Señales inalámbricas: Esta última, se logra utilizando medios de transmisión como los infrarrojos, microondas u ondas de radio las cuales viajan a través del espacio libre.

Cuando las señales llegan al otro extremo del cable deben guardar un gran parecido con las que ingresaron, si algo le ocurre a la señal en el camino que reduzca su potencia, fuerza o bien se modifique su forma, la señal recibida puede resultar incomprensible.

La degradación de una señal se puede producir por varias razones: Esta se puede deber a problemas físicos en el cable mismo, o a ruidos internos o externos que interfieran con la señal a medida que viaja por el medio.


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1. Uno de los mayores obstáculos que puede encontrar una señal es el esfuerzo necesario para pasar por el medio, por lo que a esto se le denomina como resistencia las cuales, tiende a reducir o disminuir la fuerza de una señal, cuando esto sucede, se le llama atenuación.

2. El ruido es otro factor de distorsión y degradación, el ruido puede estar provocado por señales eléctricas, ondas de radio o microondas, y que pueden provenir de señales en cables adyacentes.

De acuerdo con Stallings (2004), los factores que afectan la transmisión son:

• Atenuación

• Distorsión

• Pérdida en el espacio libre (Free space loss)

• Ruido

• Absorción atmosférica. A continuación se explicará qué es la atenuación y el ruido, así como sus implicaciones en la comunicación de redes.

1.3.1. Atenuación

La atenuación es un concepto que refiere a toda reducción en la fuerza o pérdida de una señal, también se entiende como un fenómeno natural que es producido en la transmisión de señales a grandes distancias y que se produce con cualquier tipo de señal, ya sea de tipo digital o analógica. Estas pueden afectar a una red de manera considerable, ya que limita la longitud del cableado de red por el cual se realizan envíos de mensaje. (Stallings, 2004). Si la señal recorre grandes distancias es posible que estos, no se puedan discernir o distinguir para cuando alcancen su destino. Cuando es necesario transmitir señales a grandes distancias por medio de un cable, se puede instalar uno o más repetidores a lo largo de ellos. Los repetidores conllevan un aumento de potencia a la señal para superar la atenuación por la que pueden atravesar en los trayectos, aumentando en gran medida el rango máximo alcanzable de comunicación. La atenuación también se produce con las señales ópticas. Para tal caso, la fibra absorbe y esparce parte de la energía luminosa a medida que el pulso luminoso viaja por la fibra, en ésta la atenuación se puede ver influenciada por la longitud de onda o el color de la luz, por el uso de fibra ya sea de tipo monomodo o multimodo, y por el vidrio que se utilice para fabricar la


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fibra. Sin embargo, y a pesar de dicha optimización, es inevitable que se produzca cierto grado de atenuación.

Figura 2. Atenuación. Fuente: Stallings (2004).

En resumen en la Atenuación:

• La fuerza de la señal siempre va decrecer con respecto a la distancia.

• Cada señal recibida por un emisor, debe tener suficiente fuerza en potencia para poder ser

interpretada correctamente por cualquier receptor.

• La señal debe mantener un nivel más alto que el ruido para ser recibido sin error.

• Si la atenuación es más alta a altas frecuencias causa distorsión.

1.3.2. Ruido

El ruido consiste en la energía eléctrica, electromagnética o de frecuencia de radio no deseada que puede degradar y distorsionar la calidad de las señales y las comunicaciones de todo tipo. El ruido se produce en los sistemas digitales y analógicos, dentro de las señales analógicas, la señal se vuelve ruidosa y adquiere un sonido de raspado. Por ejemplo, en una conversación telefónica se puede ver interrumpida por los ruidos en el fondo de la línea. En los sistemas digitales, los bits a veces pueden fusionarse, y, en estos casos, el receptor ya no es capaz de distinguirlos de una manera clara o limpia, por lo que incluso se puede perder la señal por completo. Todo ello, da como resultado, un aumento en la tasa de errores de bit, es decir, la cantidad de bits distorsionados a tal punto que el receptor lee el bit de forma incorrecta. Cuando una señal digital está


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claramente definida no quiere decir que siempre llega al destino sin alguna alteración ya que en el trayecto, en la mayoría de ocasiones, puede producirse ruido eléctrico en la línea. (Stallings, 2004). Cuando dos señales se juntan, pueden fusionarse en una nueva señal por lo que el dispositivo receptor puede interpretar la señal clara original de forma incorrecta. Además, las señales que son externas a los cables, como las emisiones de los transmisores de radio y los radares, o los campos eléctricos que emanan de los motores eléctricos y los accesorios de luz fluorescente, pueden interferir con las señales que están viajando por los cables. Este ruido se denomina Interferencia Electromagnética (EMI) cuando se origina en fuentes eléctricas, o Interferencia de Radiofrecuencia (RFI) cuando se origina en fuentes de radio, radar o microondas. (Stallings, 2004). En el caso de los enlaces que viajan por un medio de cobre, el ruido externo que captan proviene de los aparatos eléctricos cercanos, de transformadores eléctricos, de la atmósfera, e incluso del espacio exterior. Durante fuertes tormentas eléctricas o en lugares donde hay muchos aparatos eléctricos en uso, el ruido externo puede afectar las comunicaciones. La mayor fuente de distorsión de señales, en el caso de los cables de cobre, se produce cuando las señales inadvertidamente se salen de un alambre dentro del cable y se pasan a otro adyacente por lo que se le conoce como diafonía. (Stallings, 2004).

Figura 3. Efectos del ruido. Fuente: Stallings (2004).


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1.4. Conociendo a Nyquist y Shannon

Como una pequeña introducción, el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon es un teorema fundamental de la teoría de la información, especialmente útil en las telecomunicaciones, también se le conoce como teorema de muestreo de Whittaker-Nyquist-Kotelnikov-Shannon y se le denomina como la capacidad del canal a la velocidad con que se pueden transmitir los datos en un canal o ruta de comunicación de datos en medida de lo posible, del ancho de banda disponible. (Stallings 2004). Es decir, que para un ancho de banda dado, sería conveniente incrementar la mayor velocidad de datos en la medida de lo posible, sin superar la tasa de errores permitida. El principal inconveniente para conseguir este propósito es el ruido. (Stallings, 2004). Para profundizar en el teorema de Nyquist-Shannon se requiere enfatizar en los siguientes puntos ya que existen varios conceptos relacionados con la capacidad de un canal, que son:

• La velocidad de transmisión de los datos: Que es la velocidad expresada en bits por segundo (bps) a la que es posible transmitir los datos.

• El ancho de banda: Por el cual, está limitado por la naturaleza del medio de transmisión y el transmisor. Se mide en ciclos por segundo o hertzios (Hz).

• La tasa de errores: Se define como el nivel de la frecuencia en la que ocurren errores. Cuando se recibe un “1” habiendo transmitido un “0” o viceversa, se considera que ha ocurrido un error.

• El ruido: Es una medida en nivel a través del medio de transmisión. Generalmente los servicios de comunicación son muy costosos; mientras mayor es el ancho de banda requerido, mayor es su costo, por lo que es deseable hacer un uso eficiente, en la red.

1.4.1. Límite de Nyquist

En un canal exento de ruido, la limitación en la velocidad de los datos está impuesta sólo por el ancho de banda de la señal, por lo que Nyquist formalizó esta limitación, afirmando que la velocidad de transmisión


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de la señal es igual a 2B; donde 2B será el ancho de banda de transmisión al doble, siendo entonces, que una señal con frecuencia no superior a B, es completamente suficiente para transportar esta velocidad de transmisión de la señal y viceversa: dado un ancho de banda B, la velocidad mayor de transmisión de la señal que se puede conseguir es de 2B (Stallings, 2004). Por ejemplo, en un canal de voz que se utiliza mediante un módem para transmitir datos digitales con un ancho de banda de 3.100 Hz, la capacidad, C, del canal es:

2𝐵 = 6.200 𝑏𝑝𝑠 No obstante, se pueden usar señales con más de dos niveles, esto quiere decir, que cada elemento de señal puede representar a más de dos bits. La formulación de Nyquist, para el caso de señales multinivel, es:

𝐶 = 2𝑏 𝑙𝑜𝑔2 𝑀 Donde M es el número de señales discretas o niveles de tensión (Stallings, 2004). En resumen, para un ancho de banda la velocidad de transmisión de los datos puede aumentar si se considera un número mayor de señales diferentes, sin embargo, se debe tomar en cuenta que el receptor deberá distinguir una de entre M posibles señales, lo que supone una dificultad mayor, no sin antes y muy importante mencionar que el ruido y otras dificultades en la línea de transmisión limitarán el valor de M.

1.4.2. Análisis de límite de Nyquist

El principio del análisis de frecuencia es la representación de una forma de onda arbitraria mediante la suma de una serie de señales sinusoidales. Este método de presentación permite abordar cuantitativamente el análisis al problema de ambigüedad, considerando la forma de onda que se representa en la siguiente figura.

Figura 4. Tipos de muestreo. Fuente: Stallings (2004).


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Una señal x(t) se muestrea a intervalos de tiempo igual a h, entre las cuales se determinan los instantes de toma de muestras para los cuales se indican en la figura los valores de la señal medida.

Suponga que la función x(t) es sinusoidal y tiene una frecuencia 0. Los mismos puntos pueden también representar sinusoidales de frecuencia f1y f2, que son múltiplos (no necesariamente enteros) de la frecuencia 0.

Evidentemente estas diversas frecuencias siempre estarán relacionadas con el periodo de muestreo, a la frecuencia 0 se le denomina frecuencia fundamental. (Stallings, 2004).

Puede afirmarse, sin recurrir a una demostración matemática, que el rango de frecuencias para el cual no se produce el efecto de ambigüedad se extiende desde f0 = 0 hasta f0 = fN, donde fN, la frecuencia máxima, se conoce como frecuencia de Nyquist y determina el límite de frecuencia de muestreo de datos, el denominado límite de Shannon, más allá del cual no es posible una reconstrucción única de una señal continua. Por lo tanto, si la señal analizada no contiene ninguna frecuencia componente mayor que fN, la mínima frecuencia de muestreo necesaria para que la señal muestreada represente la señal real viene dada por:

𝑓𝑠 ≥ 2𝑓𝑁,𝑜 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑎 𝑞𝑢𝑒, 𝑓𝑠 ≥1

ℎ 𝑒𝑛𝑡𝑜𝑛𝑐𝑒𝑠 𝑓𝑁 ≥

1

2ℎ

Por lo que a este se le denomina como el teorema de muestreo. (Stallings, 2004). Para concluir se deduce que, para un espectro de frecuencias dado, los componentes situados entre f0 = 0 y f0 = fN pueden considerarse por separado. Si la señal contuviera componentes de frecuencia f>fN, por lo que dichos componentes no se distinguirían. Por lo tanto, es necesario limitar el ancho de banda de la señal medida para reducir una consecuencia directa de la ambigüedad durante su muestreo, eso implica la necesidad de filtrar la señal a medir a través


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de un filtro de paso bajo antes de efectuar el muestreo a fin de eliminar todas las frecuencias superiores a fN.

1.4.3. Teorema de Shannon

La fórmula desarrollada por Claude Shannon relaciona la velocidad de transmisión, la tasa de errores y el ruido, a partir de la consideración de que la presencia del ruido puede modificar uno o más bits mientras mayor sea la velocidad a la que se transmiten dichos bits. Es decir, dado un nivel de ruido, cuanto mayor es la velocidad de transmisión, mayor es la tasa de errores. (Stallings, 2004). Un parámetro fundamental para la comprensión de este teorema 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 (Stallings, 2004).

(𝑆𝑁𝑅)𝑑𝐵 = 10 𝑙𝑜𝑔10

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖 𝑑𝑒 𝑠𝑒ñ𝑎𝑙

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑢𝑖𝑑𝑜

Esta expresión muestra cuánto excede la señal al nivel de ruido, un SNR alto representa una señal de alta calidad y la necesidad de un reducido número de repetidores. Generalmente, el SNR está dado en decibelios (dB) y se mide en el receptor, debido a que es en el receptor donde se procesa la señal y se elimina el ruido. Shannon estableció que la capacidad máxima del canal (máximo límite teórico), en bits por segundo, está dada por la ecuación:

𝐶 = 𝐵 𝑙𝑜𝑔2(1 + 𝑆𝑁𝑅) Donde C es la capacidad del canal en bits por segundo (bps) y B es el ancho de banda del canal en hertzios (Hz) (Stallings, 2004). La capacidad, tal como se calcula en la fórmula anterior, se denomina capacidad libre de errores. Shannon probó que si la tasa de información real en el canal es menor que la capacidad libre de errores, entonces


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es posible teóricamente usar una codificación de la señal que consiga una transmisión exenta de errores a través del canal. Ejemplo: Suponga que el espectro de un canal está situado entre 3Mhz y 4 Mhz y que la SNR es de 24dB. En este caso:

𝐵 = 4𝑀𝐻𝑧 − 3 𝑀𝐻𝑧 𝐵 = 1 𝑀𝐻𝑧

𝑆𝑁𝑅𝑑𝐵 = 10 𝑙𝑜𝑔10(𝑆𝑁𝑅) 24𝑑𝐵 = 10 𝑙𝑜𝑔10 (𝑆𝑁𝑅) = 251

Usando la fórmula de Shannon se tiene que:

𝐶 = 106 • 𝑙𝑜𝑔2(1 + 251) 𝐶 ≈ 106 • 8 = 8 𝑀𝑏𝑝𝑠

El resultado anterior es el límite teórico que se puede alcanzar. Según la fórmula de Nyquist, ¿cuántos niveles de señalización se necesitarán? Se tiene que:

𝐶 = 2𝐵 𝑙𝑜𝑔2𝑀 8 • 106 = 2 • (106) • 𝑙𝑜𝑔2𝑀

4 = 𝑙𝑜𝑔2 𝑀 = 16

1.4.4. Señalización

La capa física debe generar las señales inalámbricas, ópticas o eléctricas que representan el "1" y el "0" en los medios. El método de representación de bits se denomina método de señalización. Los estándares de capa física deben definir qué tipo de señal representa un "1" y un "0", esto puede resultar ser tan sencillo como un cambio en el nivel de una señal eléctrica, un impulso óptico o un método de señalización más complejo. (Stallings, 2004). Métodos de señalización Los bits se representan en el medio al cambiar una o más de las siguientes características de una señal:

• Amplitud

• Frecuencia

• Fase

La naturaleza de las señales reales que representan los bits en los medios dependerá del método de señalización que se utilice, algunos métodos pueden utilizar un atributo de señal para representar un único 0 y utilizar otro atributo de señal para representar un único 1. (Stallings, 2004).


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Cierre de la unidad

Ahora ya has adquirido los conocimientos necesarios para identificar los medios de transmisión, los tipos

de cable y sus capacidades, al igual que los teoremas Nyquist-Shannon para identificar los niveles de ruido

que afectan a las transmisiones.

Es necesario saber que existen varios factores externos que inciden sobre los canales de comunicación y

que en ellos se pueden producir ruido e interferencia, por lo que es necesario identificar tras estos

conocimientos, una buena relación señal / ruido para superar estos obstáculos.

La selección adecuada del mejor servicio y medio de transmisión para cubrir nuestras necesidades es de

vital importancia para operar óptimamente.

Una vez que se tiene el aprendizaje adecuado, se puede dar el siguiente paso que es integrar una red

estructurada a base de topologías y dispositivos de enfoque a las redes, determinando claramente esta

parte física sin dejar de lado que existen organizaciones dedicadas a crear normas y estándares en el

desarrollo de las TIC’s.


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Saber más

La espectroscopia surgió con el estudio de la interacción entre la radiación y la materia como función de la longitud de onda (λ). Con la finalidad de enriquecer este tema se te presenta el siguiente vínculo: http://www.espectrometria.com/espectro_electromagntico

Fuentes de consulta

Básicas

• Glover, I & Grant, P. (2003). Conceptos Básicos de Networking Cisco Systems Inc. Digital Communications Editorial: Prentice Hill

• Stallings, Jim & Glyn, James. (2002). Matemáticas Avanzadas para Ingeniería Editorial: Pearson Education 458 páginas.

• Valdivia, C. (2014). Redes Telemáticas. Ediciones Paraninfo, S.A. 216 páginas

• Andreu, J. (2011). Despliegue de Cableado (Redes Locales) Editorial: Editex. 49 páginas.

Complementarias

• Fondo Peralta Terra. Org. (2020). Diferencia entre los modos de transmisión Simplex, Half dúplex y Full Duplex. Recuperado de: https://es.fondoperlaterra.org/comdifference-between-simplex-half-duplex-and-full-duplex-7

• Recuperado de: © 1997 - 2017 Stonewall Cable, Inc. All Rights Reserved.

Recuperado de: https://www.stonewallcable.com/network

• Los Tres Teoremas. Fourier - Nyquist – Shannon. © UCEMA | Universidad del CEMA

Recuperado de: https://www.ucema.edu.ar/investigacion/dt-582

http://www.espectrometria.com/espectro_electromagntico

https://es.fondoperlaterra.org/comdifference-between-simplex-half-duplex-and-full-duplex-7

https://es.fondoperlaterra.org/comdifference-between-simplex-half-duplex-and-full-duplex-7

https://www.stonewallcable.com/network

https://www.ucema.edu.ar/investigacion/dt-582

Telemática Tercer semestre

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