Función y Características de la Capa Física

La capa física es la primera capa del modelo OSI y se encarga de la transmisión y recepción de bits sin procesar a través de un medio físico. Define las especificaciones eléctricas, mecánicas y funcionales para activar, mantener y desactivar el enlace físico entre sistemas.

Sus características principales incluyen:

• Los niveles de voltaje para representar los valores binarios 0 y 1.
• La duración en microsegundos de cada bit.
• El tipo de transmisión (unidireccional o bidireccional).
• El establecimiento de la conexión inicial.
• El procedimiento para finalizar la transmisión e interrumpir la conexión.

Canales de Comunicación y Señales

Parámetros de los Canales

Un canal de comunicación se define por dos parámetros clave:

• Velocidad de transmisión: La cantidad de bits que se pueden transmitir por segundo.
• Distancia: El alcance máximo de la señal antes de que se deteriore por la atenuación.

Propiedades de las Señales

Las señales son la variación de una magnitud física (como corriente eléctrica, ondas electromagnéticas o pulsos de luz) que se utiliza para transmitir información. Sus parámetros fundamentales son:

• Amplitud: Distancia entre el punto más alto y el más bajo de una onda.
• Frecuencia: Es el número de veces que una señal se repite en un segundo. Se mide en Hercios (Hz).
• Fase: Indica la posición de la onda en su punto de inicio. Si comienza en el origen, se dice que está en fase. Si comienza después, está desfasada. El desfase se mide en ángulos, distancia de onda o tiempo.

Transmisión de la Información

Para distribuir la información en forma de señales, se necesita un medio físico, que puede ser un cable o el aire.

Codificación y Decodificación

Codificar es el proceso de convertir los bits (unos y ceros) en una señal física real, como variaciones de voltaje (cables eléctricos), pulsos de luz (fibra óptica) u ondas electromagnéticas (aire). La decodificación es el proceso inverso.

Existen dos tipos usuales de codificación:

Codificación Lógica Transistor a Transistor (TTL)

Es la más sencilla. Asigna una señal de voltaje alta a un 1 binario y una señal baja a un 0 binario. Generalmente, la señal alta se encuentra entre +3,3V y +5V, mientras que la señal baja está entre 0V y 0,8V.

Codificación Manchester

Se basa en el uso de transiciones de señal en el centro del intervalo de cada bit. Un 1 binario se representa con una transición de bajo a alto voltaje, mientras que un 0 binario se representa con una transición de alto a bajo. Es ampliamente utilizada en redes Ethernet.

Modulación y Demodulación

La modulación es el proceso de variar una onda portadora para transmitir información. Se realiza para adaptar la señal al medio de transmisión, evitar interferencias y aumentar su alcance. La demodulación recupera la información original.

Los tipos de modulación más frecuentes son:

• Modulación de Amplitud (AM)
• Modulación de Frecuencia (FM)
• Modulación de Fase (PM)

Tipos de Transmisión

Serie y Paralelo

• Serie: Los bits se envían uno detrás de otro por el mismo canal.
• Paralelo: Se envían grupos de bits simultáneamente a través de múltiples canales.

Síncrona y Asíncrona

• Síncrona: El emisor y el receptor utilizan una señal de reloj compartida para coordinar la transmisión. Este reloj determina la duración exacta de cada bit.
• Asíncrona: No hay una señal de reloj compartida. Se utilizan bits de inicio y parada para delimitar los datos, permitiendo que el receptor se sincronice con el inicio de cada paquete.

Modos de Transmisión

• Simplex: La comunicación ocurre en una sola dirección. Un dispositivo siempre es el emisor y el otro siempre es el receptor. Ejemplo: las emisoras de radio.

• Half-duplex: La comunicación puede ocurrir en ambas direcciones, pero no simultáneamente. Ejemplo: los walkie-talkies.

• Full-duplex: Permite la comunicación simultánea en ambas direcciones. Es el método más eficiente. Ejemplo: una llamada telefónica.

Propiedades Eléctricas de las Señales

• Voltaje: Es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. En la transmisión de señales, un 1 binario se representa con un valor de voltaje más elevado y un 0 binario con un valor más bajo.
• Resistencia: Es la oposición al flujo de corriente eléctrica, medida en ohmios (Ω). Una mayor resistencia en el medio puede debilitar la potencia de la señal.
• Potencia: Es la cantidad de energía entregada por unidad de tiempo, medida en vatios (W). Indica la intensidad de la señal. A mayor potencia de envío, mayor distancia puede recorrer la señal antes de degradarse.

Verificación del Canal: Perturbaciones y Errores

Durante la transmisión, las señales pueden verse afectadas por perturbaciones internas o externas que causan errores.

• Atenuación: Es la pérdida de potencia que sufre una señal a medida que recorre una distancia a través del medio de transmisión.
• Reflexión: Ocurre cuando parte de la energía de la señal es reflejada de vuelta hacia el emisor al encontrar un cambio en el medio. Esto puede interferir con los bits posteriores.
• Ruido: Es cualquier perturbación no deseada que se añade a la señal original, degradando su calidad. Algunos tipos comunes son:
  • Interferencias electromagnéticas (EMI)
  • Diafonía (crosstalk)
  • Ruido térmico

Medios Físicos de Transmisión

Los medios de transmisión se clasifican en dos grandes grupos:

Medios Guiados

Utilizan un soporte físico (cable) para dirigir la señal. Los más habituales son:

• Señales eléctricas: Transmitidas por cable de par trenzado y cable coaxial.
• Pulsos de luz: Transmitidos por cable de fibra óptica.

Cable Coaxial

Está formado por las siguientes capas:

1. Un conductor central de cobre.
2. Una capa de plástico que rodea el conductor y actúa como aislante.
3. Un conductor en forma de malla que cubre el aislante (blindaje).
4. Una cubierta exterior de plástico protector.

Cable de Fibra Óptica

Sus componentes principales son:

1. Un núcleo de fibra de vidrio por donde viaja la luz.
2. Un revestimiento de vidrio o plástico que rodea al núcleo y refleja la luz hacia el interior.
3. Un material protector de plástico.
4. Una cubierta exterior protectora.

Medios no Guiados

Utilizan el aire o el vacío como medio de transmisión (comunicación inalámbrica). Algunos ejemplos son:

• Infrarrojos
• Ondas de radiofrecuencia
• Microondas