Principios de Transmisión Analógica y Digital: Decibelios, Distorsiones y Codificación MIC
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Conceptos Fundamentales de Telecomunicaciones
Definiciones Clave
Definición de Decibelio (dB)
El **Decibelio (dB)** es la décima parte de un **Belio**. Se define como el cociente de dos potencias en forma logarítmica. Representa el número de ceros de una cantidad, multiplicado por 10.
Fórmulas de Ganancia (G)
La ganancia se expresa en dB mediante las siguientes relaciones:
- Ganancia de Voltaje: $G_{dB} = 20 \log (V_s / V_e)$
- Ganancia de Corriente: $G = 20 \log (I_s / I_e)$
- Ganancia de Potencia: $G = 10 \log (P_s / P_e)$
Unidad de Referencia de dBm
La unidad de referencia para el **dBm** es el **milivatio (mW)**.
Diafonía (Crosstalk)
Fenómeno por el cual una señal que se transmite por un circuito se induce en otro, interfiriéndole.
Pupinización
Método para minimizar los problemas en las comunicaciones de baja frecuencia. Consiste en acoplar **bobinas de carga** en la línea de transmisión a intervalos regulares. Esto modifica el comportamiento de la línea, convirtiéndola en un **filtro pasa banda** con frecuencias de corte entre 300 y 3400 Hz.
Conversión de 2 a 4 Hilos en Telefonía
La conversión es necesaria porque, de lo contrario, se requerirían cuatro hilos exclusivos para cada comunicación. Al realizar la conversión, solo se utiliza un par para los dos sentidos de la comunicación (transmisión y recepción).
La conversión de 2 a 4 hilos es esencial para **separar el canal de emisión (TX) y el canal de recepción (RX)**.
Elemento de Conversión
El elemento encargado de realizar la conversión de 2 a 4 hilos es la **bobina híbrida** o **transformador diferencial**.
Parámetros de Transmisión y Distorsiones
Los circuitos de transmisión están compuestos por generadores, cargas, líneas de transmisión, filtros, amplificadores, atenuadores y transformadores.
Rendimiento y Ganancia
El rendimiento (en dB) se calcula como: $20 \log (V_s / V_e) = 20 \log (I_s / I_e) = 10 \log (P_s / P_e)$.
Cuando el rendimiento de un circuito es positivo, se trata de un **amplificador**; si es negativo, es un **atenuador**.
Fenómenos que Afectan la Calidad de la Señal
Tiempo de Propagación
Tiempo que tarda una señal en recorrer un circuito y sobrepasar un valor máximo. Un tiempo excesivo produce un efecto molesto en la comunicación telefónica.
Distorsión
Afecta directamente a la forma de la señal y solo se produce en presencia de esta.
Distorsión de Atenuación
La atenuación no afecta por igual a todas las frecuencias telefónicas. Esto produce una deformación de las señales que se denomina **distorsión de atenuación**. Se compensa con **igualadores de atenuación**.
Distorsión de Retardo
Ocurre cuando unas frecuencias atraviesan las líneas de transmisión antes que otras. Para evitar esto, existen **igualadores de frecuencias**.
El Eco
Las señales, al recorrer la línea telefónica, pueden ser devueltas en parte al origen, donde el abonado puede llegar a percibirlas en forma de **eco**.
Ruido
Es la señal no deseada que se superpone a la señal que queremos oír. Para evaluar los efectos del ruido se utilizan los **filtros de ponderación sofométrica**.
Diafonía
Es el fenómeno mediante el cual una señal que se transmite por un circuito se induce en otro, interfiriéndolo.
Problemas y Soluciones en Baja Frecuencia
Problemas Comunes
Distorsión de Atenuación
Aumenta con la longitud de las líneas telefónicas. Por ello, en las distancias críticas se deben introducir **igualadores de impedancias**.
Desadaptación de Impedancias
El problema radica en que la línea no mantiene una impedancia constante, sino que varía con la frecuencia, pudiendo oscilar entre 400 y 1600 ohmios. Estos efectos pueden mitigarse con el uso de transformadores adaptadores de impedancias denominados **bobinas de repetición** o **transformadores de línea**.
Diafonía
Se produce cuando la señal de un par se introduce en otro par e interfiere en la señal.
Soluciones Técnicas
Pupinización
Método para minimizar los problemas de las comunicaciones. Consiste en acoplar **bobinas de carga** en la línea de transmisión a intervalos regulares. Así se modifica el comportamiento de la línea, convirtiéndola en un **filtro pasa banda** con frecuencias de corte comprendidas entre 300 y 3400 Hz.
Bobina Repetidora o Transformador de Línea
Adapta las impedancias del teléfono a la línea, modifica la tensión que sale del auricular y aísla la corriente continua presente de la corriente alterna que transporta la información.
Bobinas Híbridas de 2 a 4 Hilos
Permiten utilizar un único par para los dos sentidos de la comunicación (sistema de 2 hilos).
Conversión de 2 a 4 Hilos
En la rama correspondiente a la línea artificial, se debe conectar una carga compuesta de bobinas y condensadores denominados **circuitos de terminación**.
Transmisión Digital
La **transmisión digital** es la transmisión de pulsos digitales entre dos puntos distantes mediante un sistema de comunicación.
Ventajas de la Transmisión Digital
Inmunidad al Ruido
Las señales digitales son impulsos de tensión eléctrica (tensión = 1 lógico, ausencia = 0 lógico). Los repetidores solo tienen que reconocer y decidir si hay impulsos. Luego, los generadores digitales retransmiten una señal totalmente nueva, **eliminando los errores y el ruido**.
Almacenamiento y Procesamiento
Las señales digitales se pueden almacenar y procesar más fácilmente que las analógicas.
Los sistemas digitales están mejor equipados para **evaluar un rendimiento de error**.
Los equipos digitales consumen menos potencia.
Las técnicas digitales pueden introducir nuevos servicios en la red telefónica (tratan por igual voz y datos), como la **RDSI** (Red Digital de Servicios Integrados), donde todas las señales son digitales.
Inconvenientes de la Transmisión Digital
La transmisión de señales analógicas codificadas de manera digital requiere un **mayor ancho de banda** para transmitir.
Las señales analógicas deben convertirse en códigos digitales antes de su transmisión, para volver a ser convertidas a su equivalente analógico en el receptor.
La transmisión digital requiere de **sincronización precisa** entre los relojes del transmisor y el receptor.
Los sistemas de transmisión digital son incompatibles con las instalaciones analógicas existentes.
Señales Analógicas y Digitales
Las señales **analógicas** son continuas en el tiempo (infinitos valores).
Las señales **digitales** son discontinuas en el tiempo y solo pueden tener dos valores (1 o 0 lógicos), denominados **bits**.
El Bit y la Transmisión
El **BIT** es la información contenida en un suceso que puede encontrarse tan solo en dos estados. La secuencia binaria debe ser convertida a impulsos eléctricos para ser transmitida por la línea telefónica, para lo cual se utiliza un **código eléctrico** (ejemplo: 1 = 3,5 V, 0 = 0,5 V). Además, se necesita información que indique el comienzo y final de cada bit, lo cual es la **señal de temporización** o **señal de reloj**.
Códigos Eléctricos de Línea
Códigos NRZ (Non Return Zero) y RZ (Return Zero)
Inconvenientes del NRZ
La señal debe ir acompañada de sus impulsos de sincronización, lo que requeriría otro canal exclusivo para la señal de reloj.
Solución RZ
El código RZ resuelve estos inconvenientes y se obtiene aplicando la operación lógica AND a la señal NRZ y la señal de reloj.
Inconvenientes del RZ
Cuando hay muchos ceros seguidos, no hay señal de referencia y, pasado un tiempo, la señal de reloj se desfasa. Otro inconveniente es que tiene cierto **nivel de corriente continua**.
Códigos AMI (Alternative Mark Inversion) y HDB3 (High Density Bipolar)
Estos códigos fueron desarrollados para evitar los inconvenientes de los códigos RZ y NRZ.
El **AMI** genera una señal eléctrica sin componente continua a partir del código RZ, simplemente alternando los niveles lógicos. Así, se adecuan para ser transmitidos por líneas de conductores, por lo que reciben el nombre de **códigos de línea**.
Regeneración de la Señal Digital
La transmisión de señales digitales por línea telefónica de pares trenzados implica un conjunto de operaciones y dispositivos. La **regeneración de la señal digital** incluye:
- Igualación y amplificación de la señal de entrada.
- Extracción de la señal del reloj.
- Detección de la presencia o ausencia de impulsos.
- Regeneración y transmisión de impulsos a la línea.
Digitalización de Voz y Obtención de un Canal MIC
Las técnicas de digitalización de voz y obtención de un canal MIC son: **muestreo**, **cuantificación** y **codificación**.
Muestreo
Para transmitir una señal de frecuencia $f$ a través de una línea, no es preciso enviar la señal completa, sino que es suficiente con enviar muestras de la señal que sean al menos el doble de la frecuencia máxima (**Teorema del Muestreo**).
El tiempo de separación entre muestras es de **125 microsegundos**.
La diferencia entre el muestreo ideal y el real es que el muestreo ideal tiene una anchura nula, mientras que los muestreos reales sí tienen anchura entre las muestras.
Cuantificación
Se divide todo el rango de amplitudes posibles que pueden tomar las muestras (gama de funcionamiento) en un número limitado de intervalos, denominados **intervalos de cuantificación**.
Cuantificación Uniforme
La forma de funcionamiento se divide en **256 intervalos iguales**. Está limitado inferior y superiormente por los valores virtuales de decisión. En el proceso de cuantificación se introduce un **error de cuantificación**. El error disminuye a medida que se aumentan los intervalos de cuantificación y sería eliminado si los intervalos fueran infinitos.
Cuantificación No Uniforme
Se toma un número determinado de intervalos y se distribuyen de forma no uniforme, aproximándolos en los niveles bajos de señal y separándolos en los niveles altos.
Leyes de Cuantificación
La ley de cuantificación en los sistemas europeos es la **LEY A**. Utiliza 256 intervalos (128 para señal negativa y 128 para señal positiva). La ley del sistema americano es la **LEY $\mu$**.
Codificación
Mediante la codificación se representan las muestras cuantificadas mediante una **secuencia binaria de 1 y 0**.
Estructura y Códigos de la Palabra MIC
Como en telefonía se utilizan **256 intervalos de cuantificación**, se necesitan secuencias de **8 bits** para representar cada una de las posibles muestras cuantificadas. De esta forma, cada una de las palabras MIC se representa como un grupo de 8 bits (P, A, B).
Multiplexación y Estructura de Trama
Multiplexación en Frecuencia (MDF)
Se basa en la modulación de las diferentes señales a transmitir, ocupando de esta forma bandas de frecuencias distintas. A continuación, se envían juntas por el mismo canal de transmisión sin interferencia entre señales.
Multiplexación en el Tiempo (MDT)
Se usa para multiplexar diferentes señales digitales. El principio es aprovechar el espacio de tiempo entre señales para intercalar partes de otras señales, enviando la secuencia completa por la misma línea de transmisión.
Estructura de la Trama y Multitrama (Sistemas Europeos)
En los sistemas europeos, las tramas MIC agrupan **30 canales vocales**.
El sistema europeo añade además dos canales: uno para señalización y otro para alineación de trama. Este es el **SISTEMA 30+2**.
Estructura de Trama
La trama se sitúa temporalmente en el intervalo comprendido entre dos muestras consecutivas de un mismo canal.
- Frecuencia de muestreo MIC: **8000 Hz**
- Tiempo de separación: **125 $\mu$s**
- Cada uno de los canales de la muestra es de **8 bits**