Señales periódicas y transmisión de datos: características, medios físicos y codificación

Señales periódicas

Características de las señales periódicas:

• Amplitud: valor máximo de la señal respecto al valor medio (voltios).
• Periodo: tiempo transcurrido entre dos repeticiones consecutivas de la señal, es decir, el tiempo necesario para cumplir un ciclo.
• Frecuencia: número de veces que se repite el periodo por segundo (Hz). Es la inversa del periodo.
• Fase: desplazamiento que sufre la señal respecto al comienzo de un periodo.
• Velocidad de propagación (Vp): distancia recorrida por la señal en una unidad de tiempo.
• Longitud de onda: espacio ocupado por un ciclo en el medio de transmisión.

Serie de Fourier

Toda señal periódica puede expresarse como una suma infinita de sinusoides.

Alteraciones en la señal

• Ruido: señal no deseada que se suma a la señal original (S/N). A mayor S/N, mejor calidad de señal. Tipos: diafonía (acoplamiento de dos señales), ruido impulsivo (pulso irregular de gran energía y corta duración; fuente principal de error en comunicación digital) y ruido térmico o blanco (en función de la temperatura; limita las prestaciones de la comunicación).
• Atenuación: pérdida de potencia de la señal (depende del medio). La energía de la señal decae con la distancia. Consideraciones: (1) la señal recibida debe tener energía suficiente para que el receptor pueda detectarla e interpretarla adecuadamente; (2) para ser recibida sin error, la señal debe tener un nivel suficientemente mayor que el ruido; (3) la atenuación es una función creciente de la frecuencia.
• Distorsión por retardo: fenómeno peculiar de los medios guiados. La velocidad de propagación de la señal en el medio varía con la frecuencia. Para una señal de banda limitada, la velocidad tiende a ser mayor cerca de la frecuencia central y disminuye al acercarse a los extremos de la banda. Los distintos componentes en frecuencia llegan al receptor en instantes distintos.
• Ancho de banda limitado: obliga a limitar el ancho de banda de la señal (número de armónicos).

Cómo evitar la pérdida de potencia

En transmisión analógica se usan amplificadores; en transmisión digital, repetidores.

Medios físicos de transmisión

Medios guiados

Par trenzado

Dos hilos de cobre aislados, entrecruzados en forma de espiral. Uno transporta la señal y el otro la referencia. Tiende a reducir las interferencias electromagnéticas (diafonía) entre pares adyacentes. Se usa en redes de telefonía y redes LAN, y sirve para transmitir tanto señales analógicas (amplificadores, cada 5 km) como digitales (repetidores, cada 3 km). Clases: 3, 4, 5, 6, 7… Tipos: UTP, STP, FTP, SSTP. Es barato y fácil de manipular, pero tiene velocidades bajas y distancias cortas.

Cable coaxial

Menos susceptible a interferencias y diafonía que el anterior. Mejora las características eléctricas. Se usa para mayores distancias o para conectar más estaciones en una línea compartida. Aplicaciones: telefonía de larga distancia, distribución de TV y LAN. Señales utilizadas: banda base (digital) y banda ancha (analógica, FDM).

Fibra óptica

Medio flexible, muy fino, capaz de conducir energía de naturaleza óptica. Tiene forma cilíndrica y está formada por tres secciones concéntricas: fibra, cubierta de vidrio y cubierta de plástico.

Ventajas:

• Mayor ancho de banda: la velocidad de transmisión en las fibras es enorme, con velocidades de hasta 2 Gbps.
• Menor tamaño y peso que otros medios.
• Menor atenuación: es constante en un gran intervalo de frecuencias, por lo que se necesitan menos repetidores (y menos fuentes de error).
• Aislamiento electromagnético: la frecuencia no se ve afectada por campos electromagnéticos externos. No es vulnerable a interferencias, ruido ni diafonía, y ofrece un alto grado de privacidad.

Uso: transmisión de larga distancia, redes metropolitanas, acceso en áreas rurales y redes LAN. Se usan pulsos de luz generados por diodos LED e ILD.

Multiplexación por división en longitud de onda (WDM): consiste en dividir todo el ancho del canal en subcanales, donde se puede transmitir independientemente de los demás. Es similar a FDM: haces de distintas longitudes de onda se transmiten a través de la misma fibra. Evolución: DWDM.

Medios no guiados

Microondas

Requiere el uso de antenas, con frecuencias entre 2 y 40 GHz. Se usan microondas terrestres en servicios de telefonía de larga distancia (porque requieren menor número de repetidores) y también en enlaces de corta distancia entre edificios. Se emplean vía satélite para telefonía y difusión de TV.

Características: ondas direccionables, requieren orientación del emisor y del receptor. No debe haber obstáculos entre emisor y receptor (se usan antenas parabólicas).

Ondas de radio

De 30 MHz a 1 GHz; rango adecuado para la difusión simultánea a varios destinos. Características: ondas multidireccionales, ideales para la difusión (no requieren antenas parabólicas). Usos: radio FM, TV UHF y VHF.

Infrarrojos

No necesita permisos. La comunicación se realiza mediante transmisores/receptores que modulan luz infrarroja no coherente. Características: usan luz infrarroja; emisor y receptor deben estar alineados; no atraviesan paredes. Usos: LAN infrarrojas (gran seguridad, pues no atraviesan paredes) y electrónica de consumo (mandos a distancia).

Transmisión de datos

Se trata del envío de información entre emisor y receptor. Es necesario que emisor y receptor estén sincronizados. Es importante distinguir entre el final de una unidad de información y el comienzo de la siguiente.

Sincronismo a nivel de bit

Dos relojes distintos en mitad de la misma temporización: tras muchas muestras puede haber errores. Soluciones:

• Transmisión asíncrona: enviar ininterrumpidamente cadenas de bits muy largas. Los datos se transmiten enviando carácter a carácter, donde cada uno tiene una longitud de 5 a 8 bits. El receptor tiene la oportunidad de resincronizarse al principio de cada carácter, que se indica mediante un bit de comienzo. Luego se transmite el carácter empezando por el bit significativo, seguido de un bit de paridad. El último elemento es el bit de parada. El reloj solo es necesario dentro del carácter. Para detectar el principio/final de trama se usa sincronismo a nivel de bloque (caracteres especiales que indican comienzo y final de cada bloque), sincronismo a nivel de carácter (se define el número de bits que forman un carácter) o sincronismo a nivel de bit (mantener los dos relojes sincronizados para que midan el tiempo igual). Una solución es enviar dos señales separadas: información y reloj (poco factible a largas distancias).
• Transmisión síncrona: se transmite un bloque de bits como una cadena continua, sin carácter de comienzo o parada. Para sincronizar emisor y receptor: envío de dos señales separadas (información y reloj; poco factible a largas distancias, pues se necesitan dos canales y puede desincronizarse por retardo entre las señales). Resincronización por transiciones: el receptor toma como referencia cada transición de 1 a 0 y viceversa; exige un circuito especial DPLL y presenta problemas con cadenas largas de 1s y 0s. Solución: mezcla de bits (scrambling), como B8ZS o HDB3. Código de línea: consiste en incluir la información relativa a la sincronización en la propia señal de datos, eliminando el reloj del receptor. Se garantiza que en cada bit hay una transición que permite al receptor muestrear correctamente cada bit sin ayuda del reloj. Para la señalización digital, esto se puede llevar a cabo mediante la codificación Manchester o Manchester diferencial.

Tras establecer la sincronización a nivel de bit: sincronización a nivel de carácter (definir el número de bits que forman un carácter) y sincronización a nivel de bloque (cadena de bits especiales que indican el comienzo y fin de cada bloque).

Codificación

Aspectos a tener en cuenta a la hora de transmitir:

• Polaridad: cuando codificamos un 0 o un 1 como un valor de tensión.
• Espectro de la señal: es el conjunto de frecuencias. (1) La ausencia de componentes a altas frecuencias significa que se necesita menos ancho de banda para su transmisión. (2) Es importante considerar los efectos relacionados con la distorsión de la señal y las interferencias, que dependen de las propiedades espectrales de la señal transmitida.
• Sincronización: necesidad de establecer el principio y el fin de cada bit, y el tiempo que dura. Hay que sincronizar el emisor y el receptor en base a sus relojes.
• Detección de errores: es útil tener capacidad de detección de errores incorporada en el esquema de codificación situado en la capa física, para permitir que los errores se detecten más rápido.
• Inmunidad al ruido: algunos códigos exhiben un comportamiento superior a otros en presencia de ruido. Se mide en términos de la tasa de error por bit.

1) Dato digital - señal digital

Representación de los bits para evitar errores de sincronización:

• No retorno al cero (NRZ): 0 (nivel alto), 1 (nivel bajo).
• No retorno al cero invertido (NRZI): 0 (no hay transición al comienzo del intervalo), 1 (transición al comienzo del intervalo).
• Bipolar AMI: 0 (no hay señal), 1 (nivel positivo o negativo, alternando).
• Pseudoternario: 0 (nivel positivo o negativo, alternando), 1 (no hay señal).
• Manchester: 0 (transición de alto a bajo en medio del intervalo), 1 (transición de bajo a alto en medio del intervalo).
• Manchester diferencial: 0 (transición tanto al comienzo del intervalo como en medio), 1 (transición solo en medio del intervalo).

2) Dato digital - señal analógica

Proceso que combina una señal moduladora con una portadora de frecuencia fc para producir una señal modulada centrada en fc. Se usa un módem para ello, que es un dispositivo digital que realiza la conversión.

Técnicas de codificación o modulación:

• Desplazamiento de amplitud (ASK): los dos valores binarios se representan mediante dos amplitudes diferentes de la portadora. Se utiliza en fibra óptica.
• Desplazamiento de frecuencia (FSK): los dos valores binarios se representan con dos frecuencias próximas a la frecuencia de la portadora que indican dos valores distintos. Es menos sensible a errores que ASK. Se usa en transmisión de radio y en cable coaxial.
• Desplazamiento de fase (PSK y DPSK): cambios de fase indican dos valores distintos.

Tipos de modulación:

• Modulación directa: un elemento de señal representa un bit.
• Modulación multinivel: un elemento de señal representa más de un bit. QPSK: desplazamientos múltiplos de 90º. QAM: modulación de amplitud en cuadratura (ASK + DPSK).

Velocidad de modulación: cambios en la señal (elementos) por segundo (baudios).

3) Dato analógico - señal digital

También se denomina códec (digitalización de datos). Es un dispositivo que se usa para la conversión de datos analógicos en digitales y posteriormente recupera los datos analógicos iniciales a partir de los digitales.

Teorema de muestreo: