Codificación. Técnicas de modulación¶

Para poder ser transportadas a través de un medio de comunicación la información debe ser transformada en señales. Cómo transformar la información depende de su formato original y del formato usado por el hardware de comunicaciones. Esta transformación se denomina codificación.

Se tienen cuatro tipos de codificación:

• Digital/digital.

• Analógico/digital.

• Digital/analógico.

• Analógico/analógico.

Codificación digital a digital¶

La codificación digital a digital es la representación de la información digital mediante una señal digital. Por ejemplo, la transmisión del ordenador a la impresora. En este tipo de codificación, los unos y ceros binarios generados por un ordenador se traducen a una serie de pulsos de voltaje que se pueden propagar por un cable.

Los mecanismos usados para la codificación digital a digital se agrupan en tres categorías: unipolar, polar y bipolar.

Codificación unipolar¶

La codificación unipolar usa únicamente una polaridad (valor de nivel). Esta polaridad se asigna al estado \(1\)¹. El otro estado, el \(0\), se representa por el voltaje \(0\).

La codificación unipolar presenta dos graves problemas, por lo que prácticamente no se utiliza. Estos problemas son una componente DC y la sincronización.

Componente DC¶

La amplitud media de una señal con codificación no es cero. Esto crea lo que se llama una componente de corriente continua (DC), es decir, un componente con frecuencia cero. Cuando una señal contiene una componente DC, no puede viajar a través de medios que no pueden gestionar este tipo de componentes.

Sincronización¶

Cuando una señal no varía, el receptor no puede determinar el principio y el final de cada bit. Por tanto, en la codificación unipolar puede haber problemas de sincronización siempre que el flujo de datos contenga largas series initerrumpidas de ceros y unos.

Codificación polar¶

La codificación polar usa dos niveles de voltaje: uno positivo y uno negativo. Gracias al uso de dos niveles, se reduce el nivel de voltaje medio de la línea y, por tanto, disminuye el problema de la componente DC.

Sin retorno a cero (NRZ)¶

En la codificación NRZ, el nivel de la señal es siempre positivo o negativo.

NRZ-L¶

En la codificación NRZ-L, el nivel de la señal depende del tipo de bit que representa. Habitualmente, un valor de voltaje positivo indica que el bit es un \(0\) y un valor de voltaje negativo significa que el bit es un \(1\) (o viceversa). Por tanto, el nivel de la señal depende del estado del bit.

NRZ-I¶

En NRZ-I, una inversión del nivel de voltaje representa un bit \(1\). Es la transición entre el valor de voltaje positivo y negativo, no los voltajes en sí mismos, lo que representa un bit \(1\). Un bit \(0\) se representa sin ningún cambio.

NRZ-I presenta una ventaja respecto de NRZ-L debido a la sincronización implícita provista por el cambio de señal cada vez que se encuentra un \(1\). La existencia de unos en el flujo de datos permite al receptor sincronizar su temporizador con la llegada real de la transmisión

Con retorno a cero (RZ)¶

La codificación RZ usa tres valores: positivo, negativo y cero. En RZ un voltaje positivo significa \(1\) y un voltaje negativo significa \(0\). Pero, a diferencia de NRZ-L, a medio camino en cada intervalo de bit, la señal vuelve a \(0\). Un bit \(1\) se representa realmente por una transición del voltaje positivo al cero y un bit \(0\) por una transición del voltaje negativo al cero, en lugar de por una transición positiva o negativa únicamente.

RZ es muy efectiva, pero su desventaja es que, al necesitar dos cambios de señal para codificar un bit, ocupa más ancho de banda.

Bifásica¶

La mejor solución existente para el problema de la sincronización es la codificación bifásica. En este método, la señal cambia en medio del intervalo del bit, pero no vuelve a cero; en lugar de eso, continúa hasta el polo opuesto. Como en RZ, estas transiciones a mitad del intervalo permiten la sincronización.

Se implementa en dos formas distintas: Manchester y Manchester diferencial.

Manchester¶

La codificación Manchester usa la inversión en mitad de cada intervalo de bit para sincronizar y para representar bits. Una transición de negativo a positivo representa un \(1\) binario y una transición de positivo a negativo representa un \(0\) binario.

La codificación Manchester logra el mismo nivel de sincronización que RZ pero con dos valores de amplitud.

Manchester diferencial¶

La inversión en la mitad del intervalo de bit se usa para sincronización, pero la presencia o ausencia de una transición adicional al principio de cada intervalo se usa para identificar el bit. Una transición significa un \(0\) binario, mientras que la ausencia de transición significa un \(1\) binario.

Codificación bipolar¶

La codificación polar usa, como la RZ, tres niveles de voltaje: positivo, negativo y cero. Sin embargo, a diferencia de la RZ, el nivel cero se usa en la codificación bipolar para representar el \(0\) binario.

Los unos se representan alternando voltajes positivos y negativos.

Bipolar con inversión de marca alternada (AMI)¶

La AMI es la forma más sencilla de codificación bipolar. Un valor neutral, es decir, un voltaje \(0\), representa el \(0\) binario. Los unos binarios se representan alternando valores de voltaje positivos y negativos.

Invirtiendo la señal en cada ocurrencia de un \(1\), la AMI bipolar resuelve dos problemas: primero, el componente DC es cero y, segundo, una secuencia larga de unos permanece sincronizada. No hay mecanismo que asegure la sincronización de tiras largas de ceros.

Se han desarrollado dos variantes de AMI bipolar para resolver el problema de la sincronización de secuencias de ceros, especialmente para transmisiones a larga distancia.

Bipolar con sustitución de 8 ceros (B8ZS)¶

B8ZS es la convención adoptada en Norteamérica para proporcionar sincronización de secuencias largas de ceros.

La diferencia entre B8ZS y AMI bipolar se produce cuando se encuentran ocho o más ceros consecutivos dentro del flujo de datos. Cada vez que hay una sucesión de ocho ceros, B8ZS introduce cambios en el patrón basados en la polaridad del \(1\) anterior. Estos cambios artificiales de señal dentro de la tira de ceros se denominan violaciones.

Bipolar 3 de alta densidad (HDB3)¶

En Europa y Japón se utiliza la codificación HDB3, que consiste en introducir cambios en el patrón AMI bipolar cada ve que se encuentran cuatro ceros consecutivos.

El patrón de violaciones se basa en la polaridad del bit \(1\) anterior, y en el número de unos que se han producido en el flujo de bits desde la última sustitución.

Conversión de analógico a digital¶

A veces es necesario digitalizar una señal analógica. Por ejemplo, para enviar voz a larga distancia, es necesario digitalizarla puesto que las señales digitales son menos vulnerables al ruido.

Para digitalizar una señal analógico se tiene que reducir el número de valores potencialmente infinitos de un mensaje analógico, de forma que puedan ser representados como un flujo digital con una pérdida mínima de información.

Modulación por amplitud de pulsos (PAM)¶

La PAM toma una señal analógica, la muestrea y genera una serie de pulsos basados en los resultados del muestreo².

En PAM, la señal original se muestrea en intervalos regulares de tiempo. En un determinado momento, se lee el nivel de la señal y se mantiene brevemente. El valor muestreado ocurre únicamente de forma instantánea en la onda continua, pero se generaliza en el resultado PAM en un corto periodo de tiempo. Esta técnica se denomina muestrear y retener.

PAM no es útil para la transmisión de datos ya que, aunque traduce la onda original en una serie de pulsos, estos pulsos todavía no tienen ninguna amplitud (son una señal analógica, no digital).

Modulación por codificación en pulsos (PCM)¶

PCM modifica los pulsos creados por PAM para crear una señal completamente digital. Para hacerlo, PCM cuantifica primero los pulsos PAM³. A continuación se transforman los dígitos binarios en una señal digital usando alguna de las técnicas de codificación digital a digital.

La PCM está realmente compuesta por cuatro procesos distintos:

1. PAM,

2. cuantificación,

3. cuantificación binaria,

4. codificación digital a digital.

Nota¶

PCM es el método de muestreo usado para digitalizar voz en las líneas de transmisión T del sistema de telecomunicaciones norteamericano.

Conversión de digital a analógico¶

La conversión de digital a analógico es el proceso de cambiar una de las característica de una señal de base analógica en información basada en una señal digital (ceros y unos). Por ejemplo, cuando se transmiten datos de un ordenador a otro a través de una red telefónica pública, los datos originales son digitales, pero, debido a que los cables telefónicos transportan señales analógicas, es necesario convertir dichos datos.

Aspectos de la conversión de digital a analógico¶

Modulación¶

Los procedimientos de modulación consisten en utilizar una señal, llamada portadora, para trasladar la información digital al extremo corresponsal. Las modificaciones de las características de la portadora definen el tipo de modulación.

Una portadora viene definida fundamentalmente por tres características, que son su amplitud, su fase y su frecuencia. Es decir, si la señal portadora utilizada es una señal senoidal⁴ se puede definir como \(\(V(t)=A \cdot sen (\omega t + \varphi)\)\) donde:

\(V\)

es el valor instantáneo de tensión,

\(A\)

es la amplitud,

\(\omega\)

es la frecuencia,

\(\varphi\)

es la fase (también llamada desfase), y

\(t\)

es el tiempo.

La amplitud se define como el valor máximo que toma la señal en un ciclo. La frecuencia es el número de ciclos por unidad de tiempo que completa la señal. Dos señales con la misma amplitud y frecuencia pueden diferir porque haya entre ellas un desfase (una diferencia de tiempo), es decir, la fase es la posición en que la señal pasa por cero, con relación a la señal anterior.

Tasas de bits y baudios¶

Dos términos que se usan frecuentemente en la transmisión de datos son la tasa de bits y la tasa de baudios. La tasa de bits es el número de bits transmitidos durante un segundo. La tasa de baudios indica el número de unidades de señal por segundo necesarias para representar esos bits.

Cuando se habla de la eficiencia de los ordenadores, la tasa de bit es lo más importante; se quiere saber cuánto cuesta procesar cada pieza de la información. Sin embargo, en la transmisión de datos es más importante conocer la eficiencia con que se pueden mover los datos de un lado para otro, tanto en piezas como en bloques. Cuantas menos unidades de señal sean necesarias, más eficiente será el sistema y menor será el ancho de banda para transmitir más bits; por tanto, es más importante lo concerniente a la tasa de baudios. La tasa de baudios determina el ancho de banda necesario para enviar la señal.

La tasa de bits es igual a la tasa de baudios por el número de bits representados para cada unidad de señal. La tasa de baudios es igual a la tasa de bits dividida por el número de bits representados por cada desplazamiento de la señal. La tasa de bits siempre es mayor o igual que la tasa de baudios.

Ejemplo¶

Un baudio es análogo a un coche, mientras que un bit es análogo a un pasajero. Un coche puede llevar uno o más pasajeros. El número de coches (y no el de pasajeros) determina el tráfico; de la misma forma el número de baudios determina el ancho de banda, no el número de bits.

Señal portadora¶

En la transmisión analógica, el dispositivo emisor produce una señal de alta frecuencia que actúa como base para la señal de información. Esta señal base se denomina señal portadora o frecuencia portadora. El dispositivo que la recibe está ajustado para la frecuencia de la señal que espera del emisor. La información digital se modula sobre la señal portadora modificando una o más de sus características. Este tipo de modificación se denomina modulación, y la señal de información se denomina señal modulada.

Modulación por desplazamiento de amplitud (ASK)¶

La modulación por modificación de la amplitud se denomina ASK (Amplitude-Shift Keying). Se usan dos niveles diferentes de voltaje para representar 0 y 1, respectivamente. La velocidad de transmisión usando ASK está limitada por las características físicas del medio de transmisión.

ASK presenta muy poca inmunidad al ruido⁵ dentro del canal.

Ancho de banda de ASK¶

Los requisitos de ancho de banda para ASK se calculan mediante la fórmula \(\(BW = (1+d)\times N_{baudio}\)\) donde

• \(BW\) es el ancho de banda,

• \(N_{baudio}\) es la tasa de baudios,

• \(d\) es un factor relacionado con la condición de línea (\(d\leq 0\)).

Modulación por desplazamiento de frecuencia (FSQ)¶

La modulación por modificación de la frecuencia de la señal portadora se denomina FSK (Frecuency-Shift Keying). Este sistema utiliza dos frecuencias diferentes para cada valor binario de la señal moduladora.

FSK evita la mayor parte de los problemas de ruidos de ASK. Debido a que el dispositivo receptor está buscando cambios específicos de frecuencia en un cierto número de periodos, puede ignorar los picos de voltaje. Los factores que limitan a FSK son las capacidades físicas de la portadora.

Las normas V21 y V23 utilizan esta modulación, actualmente en desuso ya que su utilidad venía dada con velocidades muy lentas de modulación.

Ancho de banda para FSK¶

El espectro de FSK es la combinación de dos espectros ASK centrados alrededor de \(f_{c_0}\) y \(f_{c_1}\). El ancho de banda necesario para la transmisión con FSK es igual a la tasa de baudios de la señal más el desplazamiento de frecuencia: \(\(BW = (f_{c_1} - f_{c_0}) + N_{baudio}\)\)

Modulación por desplazamiento de fase (PSK)¶

Consiste en utilizar diferente fase según el valor binario de la señal a transmitir. La onda portadora se desplaza cierto ángulo a intervalos espaciados de manera uniforme. Cada desplazamiento de fase transmite 2 bits de información.

En el receptor se genera una señal en fase con la transmitida desde el emisor y se van comparando las dos señales:

• si ambas señales están desfasadas, el dato recibido será 0,

• si las señales están en fase, el dato recibido será 1.

Si se utilizan ángulos de desfase de 0º y º180º la modulación recibe el nombre de PSK (Phase-Shift Keying); en el caso de utilizar ángulos de desfase de 270º y 90º se denomina DPSK (Differential Phase-Shift Keying).

Este tipo de modulación tiene una inmunidad al ruido en el canal mucho mayor que las anteriores.

Ancho de banda para PSK¶

El ancho de banda mínimo necesario para transmisión PSK es el mismo que el que se necesita para transmisión ASK.

Modulación de amplitud en cuadratura (QAM)¶

La modulación en cuadratura QM (Quadratura Modulation) utiliza dos portadoras diferentes desfasadas 90º, de forma que se evitan las interferencias; además, al modular cada una de ellas separadamente se aumenta la velocidad total del conjunto.

En el caso de la QAM se modulan las portadoras en amplitud utilizando dos bits para cada portadora, es decir, se transmiten un total de cuatro bits por baudio. La QPM (Quadrature Phase Modulation) es idéntica a la anterior, pero utiliza la modulación de fase en lugar de la de amplitud.

La modulación QAM significa combinar ASK y PSK de forma que haya un contraste máximo entre cada bit, dibit, tribit, etc.

Ancho de banda para QAM¶

El ancho de banda mínimo necesario para una transmisión QAM es el mismo que para transmisión ASK y PSK. QAM tiene las mismas ventajas que PSK sobre ASK.

Otras modulaciones¶

La modulación combinada consiste en mezclar tipos de modulación en amplitud con modulación en fases, se tiene por ejemplo la modulación QAPM.

La modulación con codificación entrelazada o TCM (Trellis Colled Modulation) permite en canales con el doble de potencia de ruido alcanzar velocidades de 28800 bps.

Conversión de analógico a analógico¶

La conversión de analógico a analógico es la representación de información analógica mediante una señal analógica. Un ejemplo es la radio.

La modulación analógico a analógico se puede conseguir de tres formas: modulación en amplitud (AM), modulación en frecuencia (FM) y modulación en fase (PM).

Modulación en amplitud (AM)¶

En transmisión AM (Amplitud Modulation), la señal portadora se modula de forma que su amplitud varíe con los cambios de amplitud de la señal modulada. La señal modulada se convierte en una envoltura de la portadora.

Ancho de banda en AM¶

El ancho de banda de una señal AM es igual al doble del ancho de banda se la señal modulada y cubre un rango centrado alrededor de la frecuencia de la portadora.

El ancho de banda de una señal de audio (voz y música) es habitualmente 5 KHz. Por tanto, una estación de radio AM necesita un ancho de banda mínimo de 10 KHz.

Modulación en frecuencia (FM)¶

En la transmisión FM (Frequency Modulation), se modula la frecuencia de la señal portadora para seguir los cambios en los niveles de voltaje (amplitud) de la señal modulada.

Ancho de banda en FM¶

El ancho de banda de una señal FM es igual a diez veces el ancho de banda de la señal modulada y, como los anchos de banda AM, cubren un rango centrado alrededor de la frecuencia de la portadora.

El ancho de banda de una señal de audio en estéreo es casi 15 KHz. Cada estación de radio FM necesita, por tanto, un ancho de banda mínimo de 150 KHz.

Modulación en fase (PM)¶

La modulación en fase PM (Phase Modulation) se usa en algunos sistemas como alternativa a la modulación en frecuencia. En la transmisión PM, la fase de la señal portadora se modula para seguir los cambios de voltaje (amplitud) de la señal modulada.