El canal para
transmisión de Datos
Para transmitir datos a distancia es necesario utilizar un canal de
comunicación, que podrá consistir en un cable de cobre, o bien en un canal de
un radio, o en un haz de una fibra óptica. Estas son las tres formas posibles,
que podrán tener características particulares según la aplicación de que se
trate y que representaremos de manera genérica como se muestra en la Fig.1 .
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| Fig.1 – Canal de transmisión de Datos entre un equipo local y un equipo remoto |
En todos los casos mencionados (cable, radio o fibra), por el canal de
transmisión de datos, tenemos que pensar que los datos van a fluir con la forma
de una portadora sinusoidal modulada por ellos.
En las partes 1ra, 2da y 3ra de esta nota sobre modulación, mostramos tres
formas de modular portadoras sinusoidales con los datos generados en forma
binaria: ASK (Amplitude Shift Keying) (Manipulación
por Desplazamiento de Amplitud); FSK (Frequency Shift
Keying) (Manipulación por Desplazamiento de Frecuencia) y PSK (Phase Shift Keying) (Manipulación por Desplazamiento de Fase).
Un ejemplo que
nos ayudará a entender lo que sigue
Supongamos que dos hermanos tienen a su madre enferma y que uno de ellos
debe ralizar un viaje impostergable. Como ambos andan cortos de finanzas y el
que viajará desea estar comunicado con su hermano mientras se encuentre
ausente, acuerdan un código para acortar la duración de las comunicaciones
telefónicas y así elcosto de las mismas. Establecen que a todas las frases que
intercambiarán durante las coversaciones telefónicas las realizarán mediante
números, de la siguiente manera:
El número 1, significará ¿Cómo está mamá?
El número 2, significará Está mejor
El número 3, significará Ha empeorado
El número 4, sinificará Sigue igual
etc
El hermano que está de viaje llama por teléfono al día siguiente al hermano
que se quedó en casa de la madre y dice: Uno,
a lo que su hermano responde Cuatro.
La información transferida entre los hermanos fue: ¿Cómo está mamá? en un sentido y Sigue igual, en sentido contrario, es decir 5 palabras. Pero por la
línea telefónica solo se transmitieron dos palabras: Uno y Cuatro.
Este ejemplo muestra que es posible transferir más información entre los
extremos de un canal de comunicación, que la cantidad de datos que fue
necesario transmitir por el canal para realizar el envío de la información, si
se usan los mecanismos adecuados. Podríamos llamar información a los
mensajes útiles que los hermanos se enviaron y podríamos llamar símbolos
a los datos que realmente se transmitieron por la línea telefónica, para
transferir la información entre ellos.
En el caso del canal de transmisión de datos de la Fig.1 , la información que
queremos transferir de un extremo al otro será la generada por los equipos de
los extremos, tales como computadoras, y estarán disponibles en forma binaria,
es decir en bits, circulando en serie y serán entregados a una determinada
velocidad dada en bits/seg. al modulador, constituyendo la modulante. Los símbolos
estarán constituídos por las variaciones que vaya sufriendo la señal modulada
dentro del canal, en función de la modulación que le vayan imprimiendo los bits
de la modulante.
Velocidad de
transferencia de la información
La velocidad de transferencia de la información entre los extremos de un canal de datos se
define como la velocidad a la que la información binaria (bits) puede
transferirse desde el origen hasta el destino y se expresa en bits por segundo
(Bits/segundo).
Velocidad de
Símbolos de un canal de transmisión de datos
Es la velocidad a la que cambia el estado de la señal modulada por la
información dentro del canal de transmisión de Datos y no es necesariamente
igual a la velocidad de transferencia de la información.
La velocidad de los símbolos se mide en símbolos por segundo
(Símbolos/segundo), lo que se llama Bauds (o Baudios, según el término
castellanizado).
La modulación
El tipo de modulación que se utilice para que la información (modulante) en
bits, module a la señal portadora, determinará cuantos bits representará cada
símbolo. En los tipos de modulación
vistos hasta ahora (ASK, FSK y PSK), cada símbolo representaba 1 bit. En estos casos coincidían los valores
de velocidad de transferencia de la información (en bits/seg) con la velocidad
de los símbolos (en Bauds).
A continuación veremos algunos de los
tipos de modulación donde cada símbolo representa más de un bit. Esto permitirá
que la velocidad de transferencia de la información para un canal dado, con un
ancho de banda y una relación S/N dada, pueda transferir la información a mayor
velocidad, que cuando un símbolo representaba un solo bit de información.
Eficiencia
Espectral
Se define a la eficiencia espectral
de un enlace de datos dado, como el cociente entre la velocidad de
transferencia de la información en bits/seg
y el ancho de banda en Hz del enlace.
Eficiencia Espectral [Bits/seg/ Hz] = Vel. de transf. de
la información [Bits/seg] / A. de Banda [Hz].
La eficiencia espectral nos indica el grado de aprovechamiento del espectro
radioeléctrico por un enlace dado. Hoy en día es un objetivo prioritario que su
valor sea tan alto como sea posible, a causa de que con la creciente cantidad
de servicios y el requerimiento por
parte de los usuarios de cada vez mayor velocidad y siendo el espectro radioeléctrico
un recurso finito, hay que cuidarlo para que no se desperdicie.
En el lenguaje técnico diario muchas veces nos referimos erroneamente a la
velocicidad de transferencia de la información como “ancho de banda” y esto es
un mál habito que se observa en todo el mundo. El ancho de banda se mide en Hz
y la velocidad de transferencia de un enlace de datos en Bits/seg. Podríamos
decir que el ancho de banda es un recurso que nos provee la naturaleza y la
velocidad de transferencia dentro de un ancho de banda dado es algo que depende
del ingenio de los hombres.
QPSK (Quadrature
Phase Shift Keying modulation) – (Manipulación por desplazamiento de fase en
cuadratura)
Este tipo de modulación, hace que se produzca un desplazamiento de la fase
de la portadora sinusoidal en función de pares de bits de la señal modulante,
según lo expresa la tabla de la
Fig.2.
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Fig. 2 – Modulación QPSK- Los pares de
bits de la columna de
la
izquierda constituyen todas las formas posibles de ser agrupados 2 bits.
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En la Fig. 3 se representa, por medio de un diagrama
fasorial, la portadora modulada en fase por medio de los pares de bits de la
señal modulante y se puede observar lo mismo que en la Fig. 2 en cuanto a la
asignación de los pares de bits a cada desplazamiento de fase de la señal
modulada respecto a la portadora sin modular que está en 0º.
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Fig.3 – Representación fasorial de QPSK
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De esta forma se logra que la velocidad de transferencia de la información
sea el doble que la velocidad de los símbolos.
Supongamos, por ejemplo, que la fase de la portadora se cambia una vez cada
0,5mseg. La velocidad de los símbolos será 1/ 0,5mseg = 2 símbolos/mseg = 2.000
símbolos /seg = 2.000 Bauds. Sin embargo la velocidad de transferencia de la in
formación será 4.000 Bits/seg, ya que con cada símbolo se transfieren 2 bits.
Podemos decir que la modulación QPSK nos permite lograr una eficiencia
espectral que es el doble que la que podíamos conseguir con PSK, ASK o FSK.
Manipulación por
Desplazamiento de Fase Múltiple (M-PSK)
QPSK transfiere dos bits por símbolo, haciéndolo espectralmente
muy eficiente. QPSK se puede decir que es 4-PSK, a causa de que hay cuatro desplazamientos
de fase. Usando desplazamientos de fase más pequeños, más bits pueden ser
transferidos por símbolo. Algunas variaciones muy usadas son 8-PSK y 16-PSK.
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Fig.4
– 8PSK
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8-PSK usa ocho símbolos con amplitud de portadora constante desfasadas 45º entre ellas, habilitando 3
bits para ser transferidos por cada símbolo. 16-PSK usa desplazamientos de
22,5º de señales de portadoras de amplitud constante. Esta disposició resulta
en una transferencia de 4 bits por símbolo.
Mientras que la
Manipulación por Desplazamiento de Fase Múltiple (M-PSK) es
mucho más espectralmente eficiente, cuanto mayor sea el número de
desplazamientos de fases más pequeñas, pero más dificil resulta demodular la
señal en presencia de ruido. El beneficio de la M-PSK es que la amplitud de
la portadora constante, permite que más eficiente amplificación no lineal de potencia pueda ser usada
Modulación de Amplitud en Cuadratura
(QAM)
Este
método es llamado modulación de amplitud en cuadratura (QAM), utiliza una
mezcla de diferentes niveles de amplitud y cambios de fase para crear los
símbolos que representan múltiples bits. Por ejemplo, 8QAM usa cuatro
fases de portadora más dos niveles de amplitud para transmitir 3 bits por
símbolo. Otras populares variantes son 16QAM (Fig.5), 64QAM y 256QAM, que
transmiten 4, 6 y 8 bits por símbolo respectivamente.
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Fig.5
– 16QAM - Cada punto representa una amplitud y un desplazamiento de fase específica de la
señal modulada. Un total de 16 símbolos, con cuatro bits por símbolo,
cuadruplica la velocidad de transferencia de la información, con respecto a la
velocidad de los símbolos. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_de_amplitud_en_cuadratura
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