Fundamentos de Teleinformática: Elementos, Señales y Transmisión de Datos

Teleinformática

La teleinformática o telemática es el campo de la técnica cuyos objetivos son la transmisión y el tratamiento de la información a distancia.

1 Elementos de los sistemas telemáticos

Un sistema telemático es el conjunto de elementos conectados entre sí para realizar las funciones de transmisión y tratamiento de la información.

• ETD (Equipo Terminal de Datos): Funcionan como emisores o receptores de la información.
• ETCD (Equipo Terminal del Circuito de Datos): Su misión es adecuar las señales que emiten o reciben los ETD para su transmisión por la línea.
• LT (Línea de Transmisión): Es el medio físico que unirá los ETCD.
• Interface: Elemento que actúa de intermediario, definiendo las conexiones físicas y lógicas entre equipos.

2 Parámetros de funcionamiento de los sistemas telemáticos

A- Cantidad de información

Se mide utilizando unidades como el bit.

B- Señal utilizada para la transmisión

Las señales deben ser capaces de cambiar en el tiempo. La forma natural de hacer variar una señal en el tiempo se corresponde con la onda senoidal pura, caracterizada por su frecuencia, amplitud y velocidad de propagación en el medio.

Una señal senoidal pura no es capaz de transmitir mucha información; será necesario modificarla dando lugar a otros tipos de onda como triangulares o cuadradas.

En el estudio de cualquier señal puede aplicarse la teoría del análisis de Fourier, que permite descomponer cualquier señal periódica en una suma de señales senoidales de distintas frecuencias, fases y amplitudes (armónicos).

1. Longitud de onda (λ): Es la distancia que la señal recorre en un periodo completo (T). Se relaciona con la velocidad de propagación (v) y la frecuencia (f) mediante la fórmula λ = v/f.

Ejemplo: Calcula la longitud de onda de una señal de 50Hz propagándose en el vacío.

Velocidad de la luz en el vacío (c) = 300.000 km/s = 300.000.000 m/s
Frecuencia (f) = 50 Hz

λ = c / f = 300.000.000 m/s / 50 Hz = 6.000.000 m = 6.000 km

2. Potencia de una señal: Mide la energía de la señal. Se suele expresar en unidades logarítmicas como decibelios (dB), decibelios referidos a 1 milivatio (dBm) o decibelios referidos a 1 vatio (dBW).
3. Ancho de banda de la señal: Es el rango de frecuencias que contiene la mayor parte de la energía de la señal. Se calcula como la diferencia entre la frecuencia más alta y la más baja de los componentes significativos de la señal (armónicos transmitidos).

C- El medio de la transmisión

La señal se propaga por un medio físico (cable, fibra óptica, aire, etc.), el cual introduce alteraciones.

1. Atenuación: Consiste en la pérdida de potencia (amplitud) de la señal transmitida conforme aumenta la distancia recorrida. Se mide en dB.

Ejemplo 1: Una señal que ha partido del emisor con 21W ha llegado al receptor con 19W. Calcula la atenuación en W y dB.

Atenuación (W) = Potencia_inicial - Potencia_final = 21W - 19W = 2W
Atenuación (dB) = 10 * log10 (Potencia_inicial / Potencia_final) = 10 * log10 (21W / 19W) ≈ 10 * log10(1.105) ≈ 10 * 0.043 ≈ 0.43 dB

Ejemplo 2: En la transmisión de una señal que parte del emisor con 17mW se ha producido una atenuación de 0.09dB. Calcula la potencia de la señal en el receptor (P2).

Atenuación (dB) = 10 * log10 (P1 / P2) => 0.09 = 10 * log10 (17mW / P2)
0.009 = log10 (17 / P2) => 10^0.009 = 17 / P2 => Antilog(0.009) = 17 / P2

1.021 ≈ 17 / P2 => P2 ≈ 17 / 1.021 ≈ 16.65 mW

Ejemplo 3: Cálculo de la Ganancia producida por un amplificador que a su entrada recibe una señal de 180mW y a su salida emite una señal de 250mW.

Ganancia (G) = 10 * log10 (Potencia_salida / Potencia_entrada) = 10 * log10 (250mW / 180mW) ≈ 10 * log10(1.389) ≈ 10 * 0.143 ≈ 1.43 dB

2. Ancho de banda del medio de transmisión: El medio físico limita el rango de frecuencias que puede transmitir eficientemente. No podrá transmitir más que una fracción del espectro electromagnético.
3. Ruido: Se refiere a cualquier señal indeseada que se añade a la señal original que lleva la información, degradándola.

• a- Ruido térmico: Causado por la agitación térmica de los electrones en los conductores. Está presente en todos los dispositivos electrónicos y medios de transmisión.
• b- Ruido impulsivo: Picos de corta duración y alta amplitud, provenientes de fuentes externas (tormentas eléctricas, maquinaria, etc.) o internas de los elementos de comunicación.

4. Otros efectos no lineales:

• a- Diafonía (Crosstalk): Interferencia entre señales que viajan por cables cercanos.
• b- Distorsión por retardo de grupo: Diferentes componentes frecuenciales de la señal viajan a distintas velocidades por el medio, provocando distorsión.
• c- Desadaptación de impedancias: Ocurre en los puntos de conexión entre diferentes equipos o medios si sus impedancias no coinciden, causando reflexiones de la señal.
• d- Ecualización de la línea: Técnicas para compensar la atenuación y la distorsión introducidas por el medio de transmisión.

D- Capacidad de transmisión de un canal (Teorema de Shannon-Hartley)

Es el número máximo de bits por segundo (bps) que puede transmitir un medio de forma fiable, teniendo en cuenta tanto su ancho de banda (BW, Bandwidth) como la relación que existe entre el nivel de potencia de la señal (S, Signal) y el nivel de potencia del ruido (N, Noise), conocida como Relación Señal/Ruido (S/N).

Fórmula: Cmax = BW * log2(1 + S/N)

Ejemplo a) Calcula la relación señal/ruido (S/N) en dB en una transmisión en la que una señal de 20mW está sufriendo la influencia de un ruido de 2mW. b) Calcula después la capacidad de canal si el medio es una línea telefónica convencional a dos hilos (BW=3100Hz).

a) S/N (lineal) = Potencia Señal / Potencia Ruido = 20mW / 2mW = 10
S/N (dB) = 10 * log10 (S/N lineal) = 10 * log10 (10) = 10 * 1 = 10 dB

b) Cmax = BW * log2(1 + S/N lineal) = 3100 Hz * log2(1 + 10) = 3100 * log2(11)
Usando el cambio de base: log2(11) = log10(11) / log10(2) ≈ 1.041 / 0.301 ≈ 3.459
Cmax ≈ 3100 * 3.459 ≈ 10724.24 bps ≈ 10.72 kbps

Ejemplo b) En una transmisión telefónica por un cable convencional de dos hilos tenemos una relación señal/ruido de 20 veces en potencia (es decir, S/N lineal = 20). Calcula la capacidad del canal (asumiendo BW=3100Hz).

S/N (lineal) = 20
S/N (dB) = 10 * log10 (20) ≈ 10 * 1.301 ≈ 13 dB

Cmax = BW * log2(1 + S/N lineal) = 3100 Hz * log2(1 + 20) = 3100 * log2(21)
log2(21) = log10(21) / log10(2) ≈ 1.322 / 0.301 ≈ 4.392
Cmax ≈ 3100 * 4.392 ≈ 13615.9 bps ≈ 13.62 kbps
(Nota: El cálculo original 1700Bps=1.7KBps parece incorrecto o basado en otros parámetros no indicados)

E- Velocidad de transmisión

Es la cantidad de información (bits) transmitida por unidad de tiempo. Se mide en bps (bits por segundo), kbps (kilobits por segundo) y Mbps (megabits por segundo). Existen dos tipos principales de transmisión serie: 1) Asíncrona y 2) Síncrona.

F- Tasa de errores en la transmisión (BER - Bit Error Rate)

Proporciona el promedio de bits erróneos recibidos respecto al total de bits enviados. Se calcula como: BER = (Número de bits erróneos) / (Número total de bits transmitidos).

Ejemplo: Calcula la tasa de error producida en la transmisión de 10 millones de bits si se han producido 3 bits erróneos.

Total bits = 10.000.000
Bits erróneos = 3
BER = 3 / 10.000.000 = 3 x 10^-7