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3.8. Decibelio y potencia de la señal. Relación señal-ruido

El decibelio es la unidad relativa empleada para expresar la relación entre dos magnitudes de tipo acústica o eléctrica, o bien entre magnitudes de estudio y de referencia. El símbolo del decibelio es dB, y es un múltiplo del bel o belio, de símbolo B.

Sabía que...

El nombre “bel” proviene del físico norteamericano Alexander Graham Bell.

Una señal tiene una magnitud que es la potencia; por tanto, la potencia de la señal refleja el valor de la energía de la señal por unidad de tiempo (segundos). La unidad de potencia se le mide en vatios (W) y la unidad de energía se medirá en Joules.

Según lo mostrado, la potencia y la energía están relacionadas entre sí, definiéndose como unidad de potencia/energía dividida por la unidad de tiempo; por ejemplo, una señal con potencia de un vatio sería: 1 W/s.

La relación señal ruido expresa la cantidad medida en decibelios por la cual la señal excedería del nivel de ruido que la corrompe. Esta relación es medida en la recepción.

Por tanto, en una relación alta señal-ruido, o SNR (del inglés signal-to noise-ratio), se tendría una señal más clara.

Existen diversas formas para aumentar el margen de la relación señal ruido, bien sea soluciones por hardware (amplificadores, blindajes, etc.) o por software (filtrado digital, suavizados, etc.).

3.9. Capacidad del canal, ancho de banda de una señal, velocidad de transmisión y tasa de error

La velocidad máxima por la cual se pueden transmitir datos a través de un medio o canal se conoce como capacidad del canal. Los parámetros que afectarán a dicha capacidad son los siguientes:

1 Ancho de banda (Hz): se llama ancho de banda de una señal al rango de frecuencias de potencia limitadas por la naturaleza del medio de transmisión y el hardware empleado. El ancho de banda se mide en ciclos por segundo o hercios (Hz).
2 Velocidad de transmisión (bps): es conocida como tasa de transferencia, y se refiere al ancho de banda medido en un momento concreto. La velocidad o tasa de transmisión estará limitada por el ancho de banda de dicha señal. La unidad de medida en el sistema internacional es el bit por segundo (bit/s).
3 Tasa de error: es la cantidad de información enviada antes de que se produzca un error y en señales digitales está medida en bits. La relación que mantiene con la velocidad de transmisión es aquella en la cual a mayor velocidad de transmisión mayor incremento de errores.
4 Ruido: afecta corrompiendo la señal, a menor grado con pequeñas modificaciones y a mayor grado produciendo la pérdida total de la señal.

Actividades

11. Calcule la velocidad de transmisión de su línea. Para ello, es posible que deba mirar una factura. Habitualmente se pueden tener varios Mbits/s (entre 1 y 100) dependiendo de la conexión.

4. Codificación de datos

La codificación de datos en las comunicaciones es aquella operación en la que se envían datos de un emisor a un receptor procesando dichos datos y obteniendo los mismos resultados que los de origen. En informática, todas las operaciones están cifradas en código binario, o bien en combinaciones más o menos complejas de unos y ceros. Por tanto, para enviar esa información se deben convertir a señal los datos, manipulándola para prepararla en su envío y corregirla o verificar los errores en la recepción si procede.

Se pueden codificar los datos de forma digital sobre señal analógica o digital y codificar los datos de forma analógica sobre señal digital o analógica; la elección dependerá de los requisitos exigidos, así como del medio de transmisión y los recursos asignados para dicha comunicación.

4.1. Técnicas de codificación de datos digitales

La conversión digital a digital codifica los unos y los ceros en una secuencia de pulsos de tensión de manera que se puedan enviar por un medio de transmisión.

Datos digitales sobre señales digitales

Si se quiere transmitir datos digitales sobre señales digitales se tienen que tratar de manera digital a través de técnicas de codificación, siendo las más importantes las siguientes.

Codificación unipolar o retorno a cero RZ (return to zero)

La forma más sencilla de codificar datos digitalmente consiste en asignar un nivel de tensión eléctrica al uno binario y otro valor diferente para el cero. La polaridad del impulso determina si es positivo (uno) o negativo (cero).

Esta codificación se denomina unipolar porque usa únicamente una polaridad asignándose a uno de los estados binarios, habitualmente el 1, mientras que el otro estado binario (el 0) se representa por el valor sin tensión.

Para poder enviar este esquema se necesitará un componente eléctrico de corriente continua (DC) y un sincronizador.

El componente de corriente continua tiene el inconveniente de que solo puede viajar a través de medios que puede gestionar este tipo de componentes.

El sincronizador puede ocasionar problemas, ya que en un flujo de datos que contenga una serie larga de ceros o unos puede generar errores al no saber interpretar la cantidad que le está siendo enviada de unos o ceros. Esto es debido a que el receptor debe confiar en un temporizador para la recepción de cada bit (uno o cero) y, produciéndose un desfase de sincronización entre los relojes del emisor y el receptor, pueden llegar a generar bits suplementados o disminuidos por este error.

Esta transmisión es la más fácil y barata de las técnicas de codificación, aunque actualmente está obsoleta.

Recuerde

La codificación unipolar utiliza un único nivel de amplitud.

Codificación polar

Este tipo de codificación utiliza dos niveles de voltaje, uno para el positivo o uno y otro para el negativo o cero. Gracias a este uso de dos niveles se reduce el nivel de tensión medio de línea, reduciendo el riesgo de problemas en el componente de corriente continua (DC) existente en la codificación unipolar.

Para esta técnica existen diversas variantes:

Codificación sin retorno a cero NRZ (non return to zero)

En la codificación NRZ el nivel de la señal siempre será positivo o negativo. La señal del voltaje que representan los bits uno y cero varía entre los 0 voltios y los +5 voltios, siendo poco recomendable para utilizar en largas distancias, ya que por un lado pueden presentar niveles residuales de corriente continua y por otro pueden tener una recuperación poco fiable de la señal de temporización.

Siendo los dos métodos más habituales:

Codificación sin retorno a cero invertido en unos NRZI (non return to zero, invert on ones)

Es una variante de NRZ, la cual mantiene constante el nivel de tensión durante la duración del bit enviado; por tanto, si el valor binario enviado es 0 se codifica con la misma señal que el anterior, y si es 1 se codifica con una señal diferente.

Este tipo de codificación es superior a NRZL debido a la sincronización provista por el cambio de señal cada vez que se encuentra un 1.

Codificación sin retorno a cero nivel NRZL (non return to zero, level)

Esta codificación utiliza un nivel de tensión diferente al igual que el anterior, pero mantiene la tensión durante la duración del bit mientras sea el mismo. El 1 binario se representa mediante una tensión negativa y en el 0 binario se utilizará una tensión positiva.

Codificación bifásica

Superando las limitaciones de los tipos de codificación NRZ y sus variantes se encuentran otras técnicas de codificación agrupadas bajo el término bifásicas, las cuales son la mejor solución existente a los problemas de la sincronización. Así, pueden distinguirse:

Codificación Manchester

En la codificación Manchester se divide cada período de un bit en dos intervalos iguales, un bit binario 1 se transmitirá con un valor de tensión alto en el primer intervalo para pasar a un valor bajo en el segundo intervalo. Un bit binario 0 se transmitirá a la inversa, una tensión baja en el primer intervalo para pasar a un nivel de tensión alto en el segundo.

Codificación Manchester diferencial

La codificación Manchester diferencial supone una variación de la codificación Manchester, indicando en ella un valor 1 por la ausencia de transición al inicio del intervalo, mientras que un valor 0 se indicará por la presencia de transición en el inicio. Este tipo de codificación necesita un cambio de señal para representar el 1 binario y dos cambios de señal para representar el 0.

Recuerde

La codificación polar utiliza dos niveles de amplitud.

Codificación bipolar

La codificación bipolar es una codificación que utiliza tres niveles o valores utilizados para codificar la señal binaria 0 y 1, los cuales variarán entre los estados positivo y negativo. La falta de voltaje representa el bit 0. Los bits 1 se codifican como positivo y negativo de forma alterna; si el primer 1 se codifica como positivo, el segundo lo hará como negativo, y el tercero como positivo alternándose en esta cadena sucesivamente.

Existen tres tipos de codificación bipolar:

Bipolar con inversión de marca alternada o AMI Bipolar (alternate mark inverted)

Esta técnica de codificación bipolar es la más sencilla. La palabra marca de la técnica de codificación proviene de la telegrafía y significa 1. Utiliza una ausencia de señal para representar un 0; los 1 los representa por pulsos alternando la polaridad. Esta técnica tiene la ventaja de carecer de pérdidas de sincronismo para las cadenas de 1, pero sí existen problemas para las cadenas de 0 al carecer de señal. Existe una variante llamada AMI Pseudoternaria, en la que el 0 binario también alterna entre valores positivos y negativos. Para arreglar el problema de las cadenas de 0, ya que no existe ningún mecanismo para asegurar la correcta sincronización de cadenas largas de 0, se han creado dos variantes de AMI bipolar.

Bipolar con 8 ceros de sustitución o B8ZS (bipolar 8-zero substitution)

B8ZS es la técnica basada en AMI para proporcionar una solución a través de una sincronización en las secuencias largas de 0. Esta técnica es la adoptada en Norteamérica. La diferencia entre la AMI bipolar se produce cuando se encuentran cadenas de ocho más 0 consecutivos.

La solución provista es forzar cambios de señal, denominadas violaciones, y transiciones de polaridad dentro del patrón de 0, solucionándolo al introducir un cambio de patrón cada vez que sucede una comunicación seguida de ocho 0 basados en la polaridad del bit 1 último. Por tanto, si el valor 1 último era positivo, entonces se codificará los ocho bits 0 como 0, 0, 0, +, -, 0, - ,+.

En cambio, si el último valor fue negativo, la codificación de los ocho bits 0 quedará como 0, 0, 0, -, +, 0, +, -. El receptor verificará que se trata de una excepción o violación y no de un error y lo interpretará convenientemente como un octeto de 0.

Bipolar de alta densidad o HDB3 (high density bipolar 3 zeros)

Esta técnica es utilizada principalmente en Europa, Japón y Australia, basada también en el código AMI. En este código se reemplazan las cadenas de cuatro 0 por cadenas que contienen pulsos. La diferencia con el código B8ZS supone esperar la mitad de 0 consecutivos para el patrón. La excepción en este caso tomará la misma polaridad del bit anterior.

Calculando el número de 1 de la última sustitución; si esta es par, se colocará siempre la excepción en los lugares primero y cuarto de dicho octeto. Si la polaridad del bit anterior era positiva, se marcarán las violaciones como negativas y viceversa en caso de ser negativa la polaridad del bit anterior.

Datos digitales sobre señales analógicas

La técnica para obtener una señal analógica a partir de unos datos digitales se conoce como modulación. Esta señal se transmite y el receptor debe realizar un proceso contrario al mismo llamado demodulación para poder recuperar estos datos. La situación más habitual que se encontrará es el envío de datos digitales a través de la red telefónica, la cual está diseñada para trabajar con señales analógicas en un rango de frecuencias de la voz humana (entre 300 y 3.400 Hz).

Recuerde

Los módems (acrónimo de modulador-demodulador) son dispositivos que permiten convertir los datos digitales en señales analógicas y viceversa.

Está técnica ya está en desuso por la gran implantación de líneas digitales, y surgió dada la necesidad de transmitir datos digitales sobre la línea telefónica. Existen tres técnicas para la modulación:

Modulación por desplazamiento de amplitud o ASK (amplitude shift keying)

En esta técnica se representan los valores binarios mediante dos amplitudes diferentes de la portadora. El binario 0 correspondería a la ausencia de portadora y el 1 binario tendría una amplitud constante.

El uso actual de esta técnica son las transmisiones con fibra óptica en transmisión de datos digitales.

Modulación digital de frecuencia o FSK (frecuency shift keying)

Consiste en variar la frecuencia de la señal portadora de acuerdo a los datos enviados. Los dos valores binarios son representados por frecuencias diferentes, las cuales tienen desplazamientos cercanos a la frecuencia portadora formando un tren de pulsos.

La desventaja con respecto a ASK es que es necesario un mayor ancho de banda para transmitir, pero tiene la ventaja de ser casi inmune al ruido del canal al ser una señal constante.

Modulación por desplazamiento de fase o PSK (phase shift keying)

En la modulación de tipo PSK, la señal portadora tiene desplazamientos en la fase entre un número limitado de valores para representar los datos digitales. La gran ventaja de este tipo de modulaciones reside en que los valores o símbolos para representar tienen la misma potencia. Este desplazamiento se puede dar mediante diferentes técnicas dependiendo del número de posibles fases a tomar:

1 PBSK con 2 fases: es la forma más habitual de codificar un número entero de bit por cada símbolo.
2 QPSK con 4 fases: usada habitualmente como modulación digital para la comunicación por satélite y difusión de vídeo digital debido a que es resistente, de implementación fácil y más resistente a factores como el ruido.
3 8-PSK con 8 fases: a mayor número de fases, mayor cantidad de información enviada, pero también mayor su sensibilidad ante fenómenos como el ruido y las interferencias.

Actividades

12. ¿Qué tipo de modulación PSK transmitirá más rápido de las descritas?

4.2. Técnicas de codificación de datos analógicos

Los datos a enviar a través de una señal pueden ser analógicos o digitales. Para poder enviar datos analógicos en una señal de tipo digital tendrá que utilizar un recurso conocido como digitalización. Si la señal es de tipo analógico, se podrá tratar para poder aprovechar mejor la señal.

Datos analógicos, señales digitales

Como recurso para poder enviar datos analógicos con señales digitales se cuenta con la digitalización, la cual consiste en la transformación de señales analógicas en señales digitales. La digitalización cuenta con tres procesos importantes:

Muestreo

Este primer proceso toma muestra de los valores analógicos. El muestreo convierte el voltaje en números (0 y 1), los cuales pueden ser fácilmente enviados y convertidos nuevamente a su forma analógica.

La frecuencia de muestreo de una señal está medida en hercios; a razón de un hertz por segundo. Dicho muestreo determinará el rango de frecuencias a utilizar. A mayor muestreo mayor calidad o precisión, pero también mayor ancho de banda utilizado (es proporcional).

Ejemplo

En audio digital se utilizan principalmente las siguientes frecuencias de muestreo:

1 24.000 Hz = 24 KHz = 24.000 muestras por segundo o 1 muestra cada 1/24.000 de segundo.
2 44.100 Hz = 44.1 KHz = 44.100 muestras por segundo o 1 muestra cada fracción de 1/44.100 de segundo.
3 48.000 Hz = 48 KHz = 48.000 muestras por segundo o 1 muestra cada fracción de 1/48.000 de segundo.

Sabía que...

La calidad de un CD (compact disc) de audio equivale a un muestreo de 44.1 KHz (a 16 bits de cuantificación). El oído humano escucha valores en el rango de entre 20 Hz y 20 KHz (19.980 rangos en Hz), por lo que se deja una frecuencia de aproximadamente el doble. Si se redujera la frecuencia de muestreo se notaría la pérdida de frecuencias.

Cuantificación

Es el segundo paso de la digitalización de la señal analógica, y lo que hace es asignar valores binarios (0 y 1) de una determinada muestra o cantidad de bits a cada uno de los valores de tensión muestreados. Dicho de otra manera, sería el número de valores que se utilizan para una medida de una señal. Por tanto, a mayor número de valores que se asignen a dicha señal, mayor parecido tendrá con la señal analógica original. Los valores marcarán la altura en bits de dicha señal.

Codificación (a binario)

Es el último de los pasos. Una vez realizada la cuantificación, los valores de muestra de los voltajes quedan representados numéricamente por medio de códigos y estándares. Lo habitual es codificar la señal en código numérico binario. Dicha codificación permitirá darle valores numéricos binarios a los valores eléctricos que conforman la señal analógica original.

Valor de los voltajes de la señal analógica del ejemplo	Conversión a Código Binario
0	000
2	010
3	011
4	100
6	110
7	111
7	111
5	101
4	100
3	011
0	000

La cantidad de información que se obtiene en la cuantificación será directamente proporcional al número de bits que se emplee en la cuantificación. Lógicamente, a mayor cantidad de bits empleados, menor será el error.

Aplicación práctica

Codifique la siguiente tabla de valores siguiendo el patrón de la tabla anterior y observe la pérdida de valores por baja profundidad de bits en el patrón de codificación. ¿Qué nivel de profundidad se debería haber empleado en bits?

SOLUCIÓN

Se debería haber empleado un nivel más; 3 bits de profundidad para que entrasen 5 valores (de los 8 posibles en ese nivel de profundidad). Con 2 bits de profundidad únicamente se pueden ubicar 4 valores, por lo que 1 de ellos es sustituido por el más similar, perdiendo su valor.

Datos analógicos, señales analógicas

Los datos analógicos a transmitir sobre una señal analógica no requieren de conversión para poder modular una señal portadora. Dicha señal tendrá valores de amplitud, frecuencia y fase.

La modulación es la técnica empleada, la cual consiste en unir una señal de entrada con una señal portadora para crear una señal. Sobre dicha señal recaerá la frecuencia de la portadora, de la cual dependerá el ancho de banda.

Si no se emplease este proceso de modulación, habría que utilizar antenas de mucha mayor amplitud y no se podría multiplexar la señal, perdiendo este tipo de compresión.

Existen tres tipos de modulación:

1 Modulación en amplitud o AM (amplitude modulation): es el proceso de cambiar la amplitud de una portadora de frecuencia de acuerdo con la amplitud de la señal modulante (que lleva la información). Con la modulación de amplitud, la información se transmite sobre la portadora a través de cambios en su amplitud. Esta técnica es barata y de baja calidad de transmisión. Normalmente se utiliza para radiodifusión de señales de audio y vídeo. Nota: el ancho de banda de una señal AM es el doble de la señal modulada original.
2 Modulación en frecuencia o FM (frequency modulation): en este proceso, la señal de información hace variar de forma lineal la frecuencia de la señal portadora.
3 Modulación en fase o PM (phase modulation): la señal de información hace variar de forma lineal la fase de la señal portadora. La diferencia entre modulación en fase y frecuencia es que la desviación de la frecuencia en modulación en fase es proporcional a la pendiente. Definición: señal portadora es la onda con forma sinusoidal, describiendo una curva y modulada por una señal que se quiere transmitir. Utiliza una frecuencia superior a la señal que se quiere transmitir. No es muy utilizada debido al coste de equipamiento complejo necesario para procesarla y a que requerir un gran ancho de banda.