Gestión de comunicaciones II

TÉCNICAS PARA LA CODIFICACIÓN DE SEÑALES

La información independientemente de que sea digital o analógica puede ser codificada mediante señales analógicas o digitales. La elección de un tipo u otro dependerá del medio de transmisión y de los recursos para la comunicación.

La transmisión analógica se basa en una señal contínua de frecuencia constante denominada portadora. La frecuencia de la portadora se elige para que sea compatible con las características del medio que se vaya a utilizar. Los datos se pueden transmitir modulando la señal portadora, donde por modulación  se entiende el proceso de codificar los datos generados por la fuente, en la señal de frecuencia fc.

Todas las técnicas de modulación implican la modificación de uno o más de los tres parámetros fundamentales de la portadora:

    * La amplitud

    * La frecuencia

    * La fase

La señal de entrada se denomina señal moduladora.

 

1 Datos digitales señales digitales

 La forma más sencilla de codificar digitalmente datos es asignar niveles de tensión al uno binario y otro distinto al cero. Pero se pueden emplear otros códigos para mejorar las prestaciones.

En general tanto el equipamiento necesario para transmitir datos digitales empleando señales digitales es menos complicado y menos costoso que el necesario para transmitir datos digitales con señales analógicas mediante modulación.

Una señal digital es una secuencia de pulsos discretos y discontínuos, donde cada pulso es un elemento de la señal.

Si todos los elementos de señal tienen el mismo signo algebraico, es decir si son todos positivos o negativos, se dice que es la señal "unipolar". En una señal "polar", por el contrario, un estado lógico se representará mediante un nivel positivo de tensión y el otro por un nivel negativo. La razón de datos de una señal es la velocidad de transmisión, expresada por bits por segundo, a la que transmiten los datos. La "razón de modulación", por el contrario, es la velocidad o razón con la que cambia el nivel de la señal por segundo.

Una señal digital es una secuencia de pulsos discretos y discontínuos, donde cada pulso es un elemento de la señal.

Si todos los elementos de señal tienen el mismo signo algebraico, es decir si son todos positivos o negativos, se dice que es la señal "unipolar". En una señal "polar", por el contrario, un estado lógico se representará mediante un nivel positivo de tensión y el otro por un nivel negativo. La razón de datos de una señal es la velocidad de transmisión, expresada por bits por segundo, a la que transmiten los datos. La "razón de modulación", por el contrario, es la velocidad o razón con la que cambia el nivel de la señal por segundo.

Término	Unidades	Definición
Elementos de datos	bits	Un uno o cero binarios
Razón de datos	Bits por segundo (bps)	Razón a la que se transmiten los elementos de datos
Elemento de señal	Digital: un pulso de tensión de amplitudo constante	Aquella parte de la señal que ocupa el intervalo más corto correspondiente a un código de señalización
Razón de señalización o velocidad de modulación	Número de elementos de señal por segundo (baudios)	Razón a ala que se transmiten los elementos de señal

Un factor importante que se puede utilizar para mejorar las prestacines del sistema es el propio esquema de codificación. Este es simplemente la correspondencia que se establece entre los bits de los datos con los elementos de la señal.

Consideramos los siguientes procedimeintos para su evaluación y comparación:

Definición de los formatos de codificación digital de señales

No retorno a cero (NRZ-L)	0= nivel alto 1= nivel bajo
No retorno a cero invertido (NRZI)	0= no hay transición al comienzo del intervalo (un bit cada vez) 1= transición al comienzo del intervalo
Bipolar -AMI	0= no hay señal 1= nivel positivo o negativo, alternante
Pseudoternaria	0= nivel positivo o negativo, alternante 1= transición de bajo a alto en mitad del intervalo
Manchester	0= transición de alto a bajo en mitad del intervalo 1= transición de bajo a alto en mitad del intervalo
Manchester diferencial	Siempre hay una transición en mitad del intervalo 0= transición al principio del intervalo 1= no hay transición al principio del intervalo
B8ZS	Igual que el bipolar- AMI, excepto que cualquier cadena de ocho ceros se reemplaza por una cadena que tiene dos violaciones de código
HDB3	Igual que el Bipolar-AMI, excepto que cualquier cadena de cuatro ceros se reemplaza por una cadena que contiene una violación de código

   

• Espectro de señal: La ausencia de señal a altas frecuencias significa que se necesita menos ancho de banda para su transmisión. Es más la ausencia de compnente en contínua (dc) es también una carcaterística deseable. Si la señal tiene contínua, para su transmisión se requiere la existencia de una conexión físcia directa; si la señal no contiene componente contínua es posible su transmisión mediante transformadores acoplados.
• Sincronización: es necesario determinar el principio y fin de cada bit. Se realiza proporcionando la sincronización mediante la propia señal transmitida.
• Detección de errores: Estas técnicas son responsabilidad de una capa por encima del nivel de señalización, denominada control del enlace de datos. Es útil disponer de una capacidad de detección de errores incorporada en el esquema de codificación en la capa física.
• Inmunidad al ruido e interferencias: Algunos códigos exhiben un comportamiento superior que otros en presencia de ruido. Esto se mide en tèrminos de tasa de error por bit.
• Coste y complejidad: cuanto mayor es la razón de elementos de señal para una velocidad de transmisión dada mayor es el coste.

1.1 No retorno a cero (NRZ, "Nonreturn to Zero")

La forma más frecuente y fácil de transmitir señales digitales es mediante la utilización de un nivel diferente de tensión para cada uno de los bits

NRZ se usa generalmente para generar o interpretar los datos binarios en los terminales y otros dispositivos.

Una variante del NRZ se denomina NRZI ("Nonreturn to Zero, invert on ones"). Al igual que NRZ-L, el NRZI mantiene constante el nivel de tensión mientras dura un bit. Los datos se codifican mediante la presencia o ausencia de una transición de la señal al principio del intervalo de duración del bit, un 1 se codifica mediante la transición (bajo a alto o alto a bajo) al rpincipio del intervalo del bit, mientras que un cero se representa por la ausencia de la transición.

NRZI e sun ejmplo de codificaión diferencial. En la codificaión diferencial, en lugar de determinar el valor absoluto, la señal se decodifica comparando la polaridad de los elementos de señal adyacentes. Una ventaja de este esquema es que en presencia de ruido puede ser más seguro detectaruna transición en lugar de comparar un valor con un umbral. Otra ventaja es que en un sistema complicado de transición, no es difícil perder la polaridad de la señal. Por ejemplo, en un alínea de par trenzado, si los cables se invierten accidentalmente, todos 1 y 0 enel NRZ-L se invertirán.

Los códigos NRZ son los más fáciles de implementar y además se caracterizan por hacer un uso eficaz del ancho de banda.

La principal limitación de las señales NRZ es la presencia de una componente de contínua y la ausencia de capacidad de sincronización. Por ejemplo, una cadena larga de unos o de ceros en un esquema NRZ-L o una cadena de ceros en el NRZ-I, se codificará como un nivel de tensión constante durante un largo intervalo de tiempo. En estas situaciones, cualquier fluctuación entre las temporizaciones del transmisor y el receptor darán luigar a una pérdida de sincronización entre ambos.

1.2 Binario Multinivel 

Las técnicas de codificación denominadas binario multinivel subsanan alguas de las deficienciasmencionadas para los códigos NRZ.

En el caso del esquema bipolar-AMI, un 0 binario se representa por ausencia de señal y el 1 binario se representa como un pulso negativo o positivo. Los pulsos correspondientes a 1 deben tener una polaridad alternante. Las ventajas de este esquema son: no habrá problemas de sincronización en el caso de que haya una cadena larga de 1. Cada 1 fuerza una transición, por lo que el receptor se puede sincronizar en dicha transición. Una cadena larga de 0 es todavía un problema. No hay componentes de contínuas. Además el ancho de banda de la señal resultante es mucho menor que el correspondiente a NRZ.

Los mismos comentarios se aplican para los códigos seudoternarios. En este caso el bit 1 se representa por la ausencia de señal, y el 0 mediante pulsos de polaridad alternante.

Uno de losproblemas todavía no resueltos es el grado de sincronización de estos códigos.

 
1.3 Bifase 

Unas técnicas alternativas son las Bifase, que superan las limitaciones encontradas en los códigos NRZ.. Dos de estas técnicas denominadas Manchester y Diferencial, se usan frecuentemente.

En le código Manchester, siempre hay una transición en mitad del intervalo de duración del bit. Esta transición en la mitad del bit sirve como un prodecimiento de sincronización a la vez que se transmiten los datos: una transición de bajo a alto representa un 1, y una transición de alto a bajo representa un 0. En Manchester Difeencial, la transición a mitad el intervalo se utiliza tan solo para proporcionar sincronización. La codificación de un 0 se representa por la presencia de una transición al principio del intervalo del bit y un 1 se representa mediante la ausencia de transición.

Todas las técnicas Bifase fuerzan al menos una transición por cada bit pudiendo tener hasta dos en ese mismo período. Por tanto, la máxima velocidad de modulación es el doble que en los NRZ; esto significa que el ancho de banda necesario es mayor.

La ventajas de los esquemas bifase son:

• Sincronización: debido a la transición que siempre ocurre durante el intevalo de duración correspondiente a un bit, el receptor puede sincronizarse usando dicha transición.
• No tiene componente en contínua
• Detección de errores: se pueden detectar errores si se detecta una ausencia de la transición esperada en mitad del intevalo

1.4 Técnicas de altibajos 

La aceptación que han conseguido los esquemas bifase en redes LAN a velocidades relativamentes altas (hasta 10 Mbps), no es trasladable a redes de larga distancia.

La razón principal de esto reside en el hecho de que en bifase se requiere una alta velocidad de elemntos de señal comparada con la velocidad de los datos.

Otra aproximación alternativa es utilizar algún procedimiento o técnica de "altibajos". La idea es sencilla: reemplazar las secuencias de bits que den lugar a niveles de tensión constante por otras secuencias que proporcionen suficiente número de transiciones arriba y abajo para que el reloj del receptor pueda mantenerse sincronizado. En el receptor se debe identificar la secuencia reemplazada tendrá la misma longitud que la original.

Los objetivos de estas técnicas son:

• Evitar la componente en contínua
• Evitar las secuencias largas que correspondan a señales de tensión nula.
• No reducir la velocidad de datos.
• Capacidad para detectar errores

Un esquema de codificación usado en Norteamérica se denomina B8ZS ("Bipolar with 8-Zeros Substitution"), y se basa en un AMI bipolar. El incoveniente de los códigos AMI es que una secuencia larga de ceros puede dar lugar a una pérdida de sincronización. Para evitar este problema se realiza una codificaión de acuerdo con las siguientes reglas:

• Si aparece un octeto con todo ceros y el último valor de tensión anterior a dicho octeto fue positivo, codificar dicho octeto como 000+-0-+
• Si aparece un octeto con todo ceros y el último valor de tensión anterior a dicho octeto fue negativo, codificar dicho octeto como 000-+0+-

Con este procedimiento se fuerzan dos violaciones de código del código AMI, lo cual e smuy improbable que haya sido causado por el ruido u otros defectos en la transmisión. El receptor identificará ese patrón y lo interpretará convenientemente como un octeto todo ceros.

Un esquema de codificación utilizado en Europa Y Japón es el denominado HDB3 ("High Density Bipolar-3 Zeros"). También se basa en la codificación AMI. Em este esquema, se reemplazan las cadenas de cuatro ceros por cadenas que contienen uno o dos pulsos. En este caso, el cuarto cero se sustituye por un estado de eñal no permitido en el código, este procedimiento se denomina violación del código.

Reglas de sustitución en HCB3

	Números de pulsos bipolares (unos) desde la última sustitución
Polaridad del pulso anterior	Impar	Par
-	000-	+00+
+	000+	-00

2. Datos digitales, señales analógicas

El caso más conocido de transmisión de datos digitales a través de la red telefónica. Esta red se diseñó para recibir, conmutar y transmitir señales analógicas en el rango de voz entre 300 y 3400 Hz.

2.1 Técnicas de codificación

Se ha mencionado que la modulación afecta a uno o más de los parámetros característicos de la señal portadora: la amplitud, la frecuencia y la fase.

Existen tres técnicas básicas de codificaión o de modulación, que transforman los datos digitales en señales analógicas:

• Desplazamiento de amplitud (ASK, "Amplitudes-shift keying")
• Desplazamiento de frecuencia (FSK, "Frequency-shift keying")
• Desplazamiento de fase (PSK, "Phase-shift keying")

En ASK, los dos valores binarios se representan mediante dos amplitudes diferentes de la portadora. Es usual que una de las amplitudes sea cero; o sea, uno de los dígitos binarios se represnta mediante la presencia de la portadora aamplitud constante, y el otro mediante la ausencia de portadora.

 

FSK es menos sensible a errores que ASK. EN líneas de calidad telefónica, se utiliza normalmente a velocidades de hasta 1200 bps. También se usa en transmisión de radio a más altas frecuencias (desde 3 hasta 30 MHz).

En el esquema PSK, la fase de la señal portadora se desplaza para representar con ellos datos digitales. En este sistema, un 0 binario se representa mediante la transmisión de una señal conla misma fase que la señal de la señal anteriormente enviada. Mientras que un 1 se representa mediante la transmisión de una señal con la misma fase está en oposición de fase respecto a la señal precedente. Esta técnica se conoce como PSK diferencial, ya que el desplazamiento en fase es relativo a la fase correspondiente al último símbolo transmitido, en vez, de ser relativo a algún valor constante de referencia.

3. Datos analógicos , seales digitales

Para transmitir datos analógicos en seales digitales es preciso realizar un proceso de digitalización de los datos . Este proceso y el siguiente de decodificación la realiza un dispositivo llamado codec .

3.1. Modulación por codificación de impulsos
Se basa en el teorema de muestreo : ”Si una seal f(t) se muestrea a intervalos regulares de tiempo con una frecuencia mayor que el doble de la frecuencia significativa más alta de la seal , entonces las muestras así obtenidas contienen toda la información de la seal original . La función f(t) se puede reconstruir a partir de estas muestras mediante la utilización de un filtro pasa-baja ”.Es decir , se debe muestrear la seal original con el doble de frecuencia que ella , y con los valores obtenidos , normalizándolos a un número de bits dado ( por ejemplo , con 8 bits habría que distinguir entre 256 posibles valores de amplitud de la seal original a cuantificar ) se ha podido codificar dicha seal .

En el receptor , este proceso se invierte , pero por supuesto se ha perdido algo de información al codificar , por lo que la seal obtenida no es exactamente igual que la original ( se le ha introducido ruido de cuantización ) .

Hay técnicas no lineales en las que es posible reducir el ruido de cuantización muestreando a intervalos no siempre iguales .

3.2. Modulación delta
Esta técnica reduce la complejidad de la anterior mediante la aproximación de la función a codificar por una función escalera lo más parecida posible . De esta forma , cada escalón de la escalera ya puede ser representado por un valor ( en 8 bits , uno entre 256 posibles valores de amplitud ) .La elección de un adecuado salto de escalera y de la frecuencia de muestreo pueden hacer que se modifique la precisión de la seal .

La principal ventaja de esta técnica respecto a la anterior es la facilidad de implementación .

3.3. Prestaciones
Las técnicas de transmisión digital están siendo muy utilizadas debido a :

• Al usar repetidores en lugar de amplificadores , no hay ruido aditivo .
• Al usar técnicas de multiplexación por división en el tiempo , no hay ruido de intermodulación .
• Las seales digitales son más fáciles de emplear en los modernos circuitos de conmutación .

4. Datos analógicos , seales analógicas
La modulación consiste en combinar una seal de entrada con una seal portadora para producir una seal cuyo ancho de banda esté centrado en torno a la frecuencia de la portadora . Este proceso es necesario para transmitir datos digitales mediante seales analógicas , pero no se sabe si está justificado para transmitir datos analógicos .

Este proceso es necesario ya que para transmitir seales analógicas sin modular, tendríamos que utilizar enormes antenas y tampoco podríamos utilizar técnicas de multiplexación por división en frecuencias .

4.1. Modulación en amplitud
Consiste en multiplicar la seal original por la portadora y de esta forma se obtiene la forma original pero sólo utilizando los máximos y los mínimos de la seal modulada . De esta forma , se puede reconstruir la seal original y se evita la utilización de enormes antenas .

Hay una aproximación que utiliza sólo la mitad del ancho de banda y se necesita menos potencia para su transmisión . Pero esta aproximación y otras quitan la portadora , con lo que se pierde el poder de sincronización de la seal .

4.2. Modulación en ángulo
Se puede hacer que la seal portadora tenga cambios de fase que recreen la seal original a modular ( modulación en fase ) o también que la portadora tenga cambios de frecuencia que simulen la seal original a modular ( modulación en frecuencia ) .

El inconveniente de estas dos modalidades de modulación es que requieren mayor ancho de banda que la modulación en amplitud .

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Enlaces:
Monografía comunicaciones
Wikipedia  
http://html.rincondelvago.com/0001273012.png
Resumen de Titulo del Libro Stallings Nicol´as H. Kosciuk MSN: nhk@kosciuk.com.ar

modulación en amplitud y frecuencia (imagen)
Modulación delta
PCM 

imagen sistemas de codificación