Capa física

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Pila OSI.

El nivel físico o capa física se refiere a las transformaciones que se hacen a la secuencia de bits para trasmitirlos de un lugar a otro. Siempre los bits se manejan dentro del PC como niveles eléctricos. Por ejemplo, puede decirse que en un punto o cable existe un 1 cuando está en cantidad de volts y un cero cuando su nivel es de 0 volts. Cuando se trasmiten los bits siempre se transforman en otro tipo de señales de tal manera que en el punto receptor puede recuperar la secuencia de bits originales. Esas transformaciones corresponden a los físicos e ingenieros.

Definición[editar]

La Capa Física o Nivel 1 proporciona los medios mecánicos, eléctricos, funcionales y de procedimiento para activar, mantener y desactivar conexiones físicas en la transmisión de información entre entidades de la Capa Enlace.

Por Ejemplo,Puede Decirse que en un punto o cable existen un 1 cuando está es cantidad de volts y un cero cuando su nivel es de 0 volts .

Base teórica de la comunicación de datos[editar]

Variando algunas propiedades físicas, voltaje o corriente, se puede lograr el envio de datos mediante un cable. El comportamiento de la señal se puede representar matemáticamente como se describirá en las siguientes subsecciones.

Series de Fourier[editar]

Una serie de Fourier es una serie infinita que converge uniformemente a una función continua y periódica. Las series de Fourier constituyen la herramienta matemática básica del análisis de Fourier empleado para analizar funciones periódicas a través de la descomposición de dicha función en una suma infinitesimal de funciones senoidales mucho más simples (como combinación de senos y cosenos con frecuencias enteras). El nombre se debe al matemático francés Jean-Baptiste Joseph Fourier que desarrolló la teoría cuando estudiaba la ecuación del calor. Fue el primero que estudió tales series sistemáticamente, y publicando sus resultados iniciales en 1807 y 1811. Esta área de investigación se llama algunas veces Análisis armónico.

Es una aplicación usada en muchas ramas de la ingeniería, además de ser una herramienta sumamente útil en la teoría matemática abstracta. Áreas de aplicación incluyen análisis vibratorio, acústica, óptica, procesamiento de imágenes y señales, y compresión de datos. En ingeniería, para el caso de los sistemas de telecomunicaciones, y a través del uso de los componentes espectrales de frecuencia de una señal dada, se puede optimizar el diseño de un sistema para la señal portadora del mismo. Refierase al uso de un analizador de espectros.

Las series de Fourier tienen la forma:

f(x) = \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^\infty\left[a_n\cos(nx)+b_n\sin(nx)\right]

Donde a_n \,\! y b_n \,\! se denominan coeficientes de Fourier de la serie de Fourier de la función f(x) \,\!

Definición de la serie de Fourier[editar]

Si f\, es una función (o señal) periódica y su período es {2T}, la serie de Fourier asociada a f\, es:

f(t) \sim \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^\infty\left[a_n\cos\frac{n\pi}{T}t + b_n\sin\frac{n\pi}{T}t\right]

Donde a_n\, y b_n\, son los coeficientes de Fourier que toman los valores:

 a_n = \frac{1}{T} \int_{-T}^{T}  f(t) \cos \left( \frac{n \pi}{T} t \right) dt, \qquad b_n=\frac{1}{T} \int_{-T}^{T} f(t) \sin \left(\frac{n\pi}{T}t\right) dt, \qquad {a_0} = \frac{1}{T} \int_{-T}^{T} f(t)dt .

Por la identidad de Euler, las fórmulas de arriba pueden expresarse también en su forma compleja:

 f(t) \sim \sum_{n=-\infty}^{\infty} c_{n}\,e^{\pi i\frac{n}{T}t}.

Los coeficientes ahora serían:

c_n=\frac{1}{2T}\int_{-T}^{T} f(t)\,e^{-\pi i\frac {n}{T}t}\,dt.

Limitación en el ancho de banda de las señales[editar]

La relación de lo presentado en la subsección anterior se puede ejemplificar mediante la transmisión del carácter ASCII "b", se va a transmitir la cadena binaria 01100010. El análisis de Fourier produce lo siguiente:

a_n=\frac{1}{\pi*n}(\cos(\frac{\pi*n}{4})-\cos(\frac{3\pi*n}{4})+\cos(\frac{6*\pi*n}{4})-\cos(\frac{7*\pi*n}{4})

b_n=\frac{1}{\pi*n}-\sin(\frac{3*\pi*n}{4})-\sin(\frac{\pi*n}{4})+\sin(\frac{7*\pi/n}{4})-\sin(\frac{6*\pi*n}{4})

c=\frac{3}{4}

Al transmitir datos se pierde cierta potencia durante el proceso, ningún emisor lo puede evitar. Si todos los parámetros de Fourier disminuyeran en forma proporcional, la señal producida se reduciría en amplitud pero no se distorsionaría. La distorsión se provoca porque todas las plantas de transmisión disminuyen los componentes de la serie de Fourier en diferentes valores. Las amplitudes se emiten, en la mayoría de los casos sin ninguna atenuación desde 0 hasta f_c (Usando el ciclo/seg o Hertz como unidad de medida) y todos los valores que superen este límite serán atenuados. El rango de frecuencias que se emite sin necesidad de atenuarse se lo conoce como ancho de banda. Este corte no se produce en forma abrupta en la práctica, el ancho de banda varía desde 0 hasta la frecuencia en la que el valor de la amplitud es disminuido a la mitad de su valor original.

Tasa de datos máxima de un canal[editar]

En 1924, Harry Nyquist trabajando para la empresa AT&T llegó a la conclusión de que un canal incluso perfecto tiene una capacidad de transmisión limitada[1] Logro una ecuación que calcula la tasa máxima de un canal libre de ruido de ancho de banda finito. Shannon extendió en 1948 esta fórmula a un canal termodinámico, que tiene ruido aleatorio.

Nyquist demostró que si se emite una señal a través de un filtro que permita el paso de señales bajas de ancho de banda H, la señal puede ser recompuesta tomando 2H (exactas) muestras por segundo. Las señales que se pueden muestrear con una rapidez mayor a 2H veces por segundo ya han sido filtradas por lo que es inútil hacerlo.

Si la señal se compone de V valores discretos, el teorema de Nyquist establece:

tasa de datos máxima = 2Hlog_2*V*bits/seg

Un canal de 3KHz no puede transmitir señales binarias a una tasa mayor de 6000 bps, por ejemplo.

Para un canal con ruido la situación se complica notoriamente, el ruido aleatorio causado por la temperatura siempre está presente a causa del movimiento de las moléculas del sistema. La relación señal a ruido es la cantidad de ruido térmico presente que se mide por la relación existente entre la potencia de la señal y la potencia del ruido. Si S es la potencia de la señal y N la potencia del ruido, la relación entre los valores es S/N y por lo general se usa la relación 10log_10*S/N. Esta unidad se conoce como dB. La fórmula principal de Shannon es:

número máximo de bits/seg=H*log_2(1+S/N)

Shannon dedujo su resultado aplicando argumentos de la Teoría de la Información y es válido para cualquier canal con ruido térmico.[2]

Medios de transmisión[editar]

El medio de transmisión constituye el canal que permite la transmisión de información entre dos terminales en un sistema de comunicación.

Las transmisiones se realizan habitualmente empleando medios físicos y ondas electromagnéticas, las cuales se vuelven susceptibles al ser transmitidas por el vacío.

Entramado[editar]

La capa física le proporciona servicios a la capa de enlaces de datos con el objetivo que esta le proporcione servicios a la capa de red. La capa física recibe un flujo de bits e intenta enviarlo a destino, no siendo su responsabilidad entregarlos libre de errores. La capa de enlace de datos es la encargada de detectar y corregir los errores. Los errores pueden consistir en una mayor o menor cantidad de bits recibidos o diferencias en los valores que se emitieron y en los que se recibieron.

Un método común de detección de errores es que la capa de enlace de datos separe el flujo en tramas separadas y que realice la suma de verificación de cada trama. Cuando una trama llega a su destino se recalcula la suma de verificación. Si es distinta de la contenida en la trama es porque ha ocurrido un error y la capa de enlace debe solucionarlo.

Funciones y servicios de la capa[editar]

Las principales funciones y servicios realizados por la capa física son:

La capa física se ocupa también de:

Subcapa de señalización física[editar]

En una red de área local (LAN) o en una red de área metropolitana (MAN) que usa la arquitectura OSI, la subcapa de señalización física es la parte de la capa física que:

Fuente: Estándar Federal 1037C

Ejemplos[editar]

Ejemplos de protocolos[editar]

Ejemplos de equipos Hardware[editar]

Nota: Capa física Asociado con la transmisión de cadenas de bits sin estructura sobre un enlace físico. Responsable de las características mecánicas, eléctricas y procedurales que establecen, mantienen y desactivan el enlace físico.

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. Tanenbaum, pag. 89
  2. Tanenbaum, pag. 90

Bibliografía[editar]

  • Riera García, Juan B. (1986). Teleinformática y redes de computadores. Marcombo. ISBN 8426705391. 
  • Tanenbaum, Andrew. Redes de computadoras. Pearson. ISBN 9702601622.