Análisis del mercado de productos de comunicaciones. IFCT0410

2.3. Modos de transmisión: serie y paralelo

Cuando existe la necesidad de transmitir datos se puede hacer de dos maneras: en serie o en paralelo. Dado que en electrónica se pueden enviar a los procesadores actuales varios datos al mismo tiempo, dependerá de cuál conviene utilizar.

Transmisión en serie

En una transmisión en serie, los datos se transmitirán en flujos de un bit por cada vez a través del canal que se tenga para dicha transmisión.

Dado que los procesadores suelen trabajar con varios hilos en paralelo, necesitarán realizar una transformación de paralelo a serie y más tarde en el receptor de serie a paralelo. Generalmente se le añade un último bit de paridad para comprobar el correcto envío de los datos.

Un aspecto importante es el sincronismo, mediante el cual el transmisor y el receptor reconocerán el significado del bit al transmitir (un uno o un cero) del mismo modo. El sincronismo se podrá realizar a nivel de bit, byte o bloque; lo importante es identificar el inicio y la finalización de los mismos.

Las ventajas de transmitir en serie son básicamente el menor requerimiento en cables y pines que los puertos paralelos, influyendo tanto en el coste del mismo como en tamaño a ocupar por puerto. Por otro lado, la comunicación en serie permite mayores distancias que en paralelo, debido al problema de distorsión de señal por el uso de varios cables.

Sabía que...

El famoso estándar USB (Universal Serial Bus) utiliza el protocolo serie para transmitir, alcanzando velocidades de hasta 4,8 Gbit/s en su última normativa 3.0.

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3. Al transmitir en serie, ¿se obtendrán mayores velocidades que en paralelo?

Transmisión en paralelo

La transmisión en paralelo consiste en transmitir un grupo de bits (normalmente un byte que corresponde a 8 bits), cada uno por su propio cable hasta el destino. Este ciclo se repetirá hasta enviar el resto de los datos. En el cableado se necesitará un cable por cada bit a transmitir más un cable adicional para la señal llamada strobe o reloj, la cual se utiliza para indicar al receptor cuándo están todos los bits presentes, sirviendo de esta manera como temporizador. Este es el modo habitual que tienen los ordenadores para realizar los envíos de datos entre componentes internos.

La ventaja de transmitir en paralelo son las altas velocidades que se pueden obtener, siendo esta su característica más importante.

Su inconveniente es que no se suele utilizar en distancias largas (decenas de metros) ya que los datos enviados pueden diferir en el tiempo entre una línea u otra, situación que se agrava según la longitud, dificultando la recepción de datos. Además, tenemos el mayor costo debido a su número de hilos o cables.

Nota

En la transmisión en paralelo también se puede utilizar la técnica de la multiplexación para enviar por un único cable varias señales, evitando el coste de utilizar varios hilos.

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4. Se tiene que enviar un bloque de 8 bits. Se pueden enviar o en bloques de 1/2 por segundo en serie o a la vez en paralelo. No obstante, el tiempo de procesado del bloque en paralelo son 6,7 segundos. ¿Cuál será más eficaz?

3. Transmisión analógica y digital

La transmisión de datos se entiende como el proceso por el cual se transporta información desde un punto que se llama emisor a otro punto que se llama receptor y pasa por un medio llamado canal. Puede darse a través de medios guiados o no guiados. Se habla de medios guiados si el medio es físico, como ocurre con los pares trenzados, los cables coaxiales o la fibra óptica. Mientras tanto, los medios no guiados son aquellos donde las ondas electromagnéticas no están encauzadas por un medio físico; por ejemplo en la propagación aérea, marina o espacial.

Además, se utiliza un código, un lenguaje a través del cual se entienden las dos partes. Por ejemplo, hoy en día se emplea el inglés cuando se está en un país que no entiende el idioma de la persona que habla.

Estos dos puntos a comunicar pueden ser dos ordenadores en la misma sala o pueden estar a miles de kilómetros. Esta transmisión de datos puede ser desde hacer una llamada hasta enviar gráficos o cualquier dato que sea legible a su destino por una persona o una máquina.

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5. Defina a través de un esquema básico de comunicación los siguientes parámetros:

1 Mr. Bison.

2 Francés.

3  Bonjour.

4 Sr. Moriart.

3.1. Definición de datos, señales y transmisión

Para que una transmisión sea efectiva se tiene que dar una serie de parámetros que hacen que la comunicación sea viable y el mensaje llegue a ser entendible por el receptor. Hay que tener en cuenta cuál es la naturaleza de los datos a transmitir, ya que puede necesitar ajustes a lo largo del camino hasta llegar a su destino.

Esto dependerá de si la señal transportada es analógica o digital. Sin embargo, hay tres conceptos claves que hay que tener en cuenta a la hora de cualquier comunicación:

1 El dato es la entidad que transporta información. Estos datos serán codificados en señales eléctricas o electromagnéticas. Los datos pueden ser analógicos o digitales.

2 La señal se define como las representaciones electromagnéticas de los datos. Esta señal será propagada a través de en medio adecuado.

3 La transmisión es la comunicación que existe entre diversos puntos que se lleva a cabo mediante la difusión y el procesamiento de señales.

Aplicación práctica

Dibuje sueltos los siguientes datos: 0,1, una señal que refleje ese 0 y ese 1 y la señal completa que transmite estos datos: 011011011.

SOLUCIÓN

1 0 y 1:

2 Señal de 0 y 1:

3 Señal de 011011011:

3.2. Espectro electromagnético

Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de ondas electromagnéticas. Así pues, las ondas electromagnéticas son aquellas que se producen por la vibración de las partículas cargadas de un campo electromagnético. Estas ondas se mueven en un rango de frecuencias infinitas.

Nota

Estas ondas electromagnéticas son medidas por sus magnitudes; bien por su frecuencia en Hz, por su longitud de onda o por su energía en J (julios).

Desde la más pequeña que teóricamente tendría una longitud infinitesimal (del tamaño de la teoría de Planck) hasta una longitud posible del tamaño del Universo.

El espectro se divide desde las ondas de radio, que tienen la frecuencia más baja y menos energía (con la longitud de onda más grande), pasando por las microondas, los infrarrojos, la luz visible, la luz ultravioleta, los rayos X y llegando hasta los rayos gamma, que son aquellas ondas que tienen mayor frecuencia como consecuencia de una mayor energía.

Dentro del espectro electromagnético hay una región de ondas que son visibles al ojo humano y que se llama luz visible. Se mide habitualmente por su frecuencia en hercios o por su longitud de onda.

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6. ¿Cuáles de las señales descritas en la tabla anterior conoce?

Este espectro electromagnético se ha convertido en la base de la comunicación actual, ya que estamos rodeados de aparatos que funcionan gracias a este tipo de ondas como los móviles, la radio, la televisión, el microondas, etc.

Espectro electromagnético. Se observan los rangos de frecuencias ordenados por la medida de su onda en metros.

3.3. Señales analógicas y digitales

En la sociedad actual hay una necesidad imperiosa de conseguir una comunicación eficaz a la hora de mandar datos entre dos puntos. Estos datos son convertidos en señales electromagnéticas para poder viajar por el flujo de transmisión en forma de señal.

Las señales analógicas son aquellas ondas electromagnéticas que se presentan como una variación continua que varían suavemente en el tiempo. Dependiendo de su posición dentro del espectro se podrá propagar de una forma u otra; es decir, con medios guiados o no guiados.

Sin embargo, la señal digital es aquella que se representa con variables discretas mediante pulsos de tensión. Normalmente se usan dos niveles de tensión constante (dc). A cada uno de ellos se les otorga un valor, siendo para la tensión positiva el 1 y para la negativa el 0.

Un ejemplo de la señal digital puede ser la llave de la luz, que únicamente tiene dos valores, encendido y apagado, o positivo y negativo con respecto a si hay luz.

Ventajas e inconvenientes

Según el uso que deba emplearse, puede convenir un tipo de señal analógica o bien digital; para ello se valoran las diferentes cualidades de cada tipo de señal:

Con respecto a la señal analógica, las principales ventajas serían:

1 La señal analógica es capaz de representar infinidad de valores, siendo superior a la digital, que tiene que tomar ciertos valores para poder operar, perdiendo otros tantos en el proceso al ser limitado.

2 El empleo de técnicas analógicas está más desarrollado y distribuido debido a ser un sistema más antiguo y por tanto más extendido.

3 No requiere conversiones para el envío de datos como por ejemplo sonidos, música, etc.

En cuanto a las desventajas:

1 La señal analógica es afectada en mayor grado por perturbaciones de la señal como el ruido.

2 Para poder entenderlas a nivel electrónico (por ejemplo, para procesarlas), hay que convertirlas a digitales para poder trabajar con ellas, con el consiguiente retraso en el sistema.

Con respecto a la señal analógica, sus ventajas son:

1 La señal digital puede ser reconstruida y amplificada gracias a sistemas de regeneración de señal. De esta forma, la señal llega sin pérdidas a su destino. Sin embargo, la señal analógica precisa de amplificadores durante su trayectoria para que impulsen la señal y esta se va degradando.

2 La señal digital se ve menos afectada por las condiciones ambientales del ruido.

3 La señal digital tiene un almacenamiento y procesamiento mucho más sencillo que las señales analógicas. Cualquier software permite que la señal sea procesada con facilidad.

4 La compresión de las señales digitales permite usar algoritmos matemáticos de compresión de datos que permiten ahorrar mucho espacio y ancho de banda.

5 Cuando la señal digital llega al receptor, la señal es analizada por un sistema de detección y corrección de errores.

6 Los procesadores de la señal digital consumen menos energía, son más pequeños y, por lo general, son más económicos.

7 La señal digital se mide y evalúa de manera más sencilla, por lo que es más fácil analizar el rendimiento de los sistemas digitales.

8 La señal digital permite la multigeneración infinita sin perdidas de calidad. El soporte que permite esta multigeneración son los discos ópticos. Sin embargo, la señal analógica se va degradando con las generaciones. La señal analógica soporta 4 o 5 generaciones sin perder calidad de la señal.

En referencia a los inconvenientes del uso digital:

1 Es necesaria una conversión analógica-digital antes de ser transferida. Además, en el momento que llega a su destino necesita ser decodificada de nuevo de digital a analógico.

2 Durante la transmisión necesita que haya una sincronización precisa con el reloj del receptor.

3 Las señales digitales necesitan pasar por un filtro de paso bajo para evitar aliasing. Esto podría hacer que las frecuencias que estuvieran fuera de la banda de interés fueran consideradas como falsas. Definición: el aliasing es el efecto que causa que las señales continuas distintas se vuelvan indistinguibles cuando se muestrean digitalmente.

4 Pérdida de calidad del muestreo al tomar un número determinado de valores de una señal para convertirlo a digital, limitando los valores al criterio de la muestra y perdiendo el resto.

5 La señal digital requiere un ancho de banda mayor que la señal analógica.

3.4. Datos y señales

Como se puede deducir, los datos analógicos son representados por señales analógicas, mientras que los datos digitales son representados por señales digitales. Así pues, un dato analógico ocupa un espectro de frecuencias limitado, pudiéndose representar mediante una señal electromagnética que ocupe el mismo espectro. De la misma manera, los datos digitales adquieren una tensión diferente para cada dígito del código binario, pudiéndose representar por una señal digital.

Sin embargo, existe la posibilidad de que un dato digital sea representado por una señal analógica y viceversa. Así pues, se pueden representar datos digitales mediante señales analógicas a través del paso de la señal por un módem. De esta manera se pueden mandar datos digitales a través de medios de transmisión analógicos. En el destino de la transmisión, otro módem es el encargado de recuperar la señal original mediante la conversión analógico-digital (A/D).

Definición

Módem

Modulador-demodulador: aparato capaz de convertir una señal de digital en analógica (modulación) y de analógica a digital (demodulación).

Del mismo modo, pero esta vez utilizando un aparato llamado códec (codificador-decodificador), se puede convertir un dato analógico para que sea representado por una señal digital usando una cadena de bits. Con esta acción se consigue transmitir un dato analógico por un medio de transmisión digital.

Pasos básicos de modulación de una señal analógica y digital; pasando por un codificador-decodificador en el digital y un moduladordemodulador en analógico

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7. ¿Cuál es la diferencia entre módem y códec?

3.5. Características de la transmisión analógica y digital

Los datos, tanto digitales como analógicos, pueden ser transmitidos por medios digitales o analógicos. El medio por el que se realice la transmisión es muy importante porque de ello depende el trato que se le dé a la señal.

Así pues, en la transmisión analógica se pueden transmitir datos tanto analógicos como digitales, este último pasando previamente por un módem que lo convierta en analógico. Sin embargo, la transmisión analógica tiene el inconveniente de que la señal se va degradando o atenuando con la distancia recorrida y esto hace que sea necesario poner amplificadores que proporcionen energía a la señal.

La amplificación de señal en largas distancias tiene el problema añadido de que cada vez que la señal pasa por un amplificador se va produciendo ruido en la señal. En las señales analógicas, como por ejemplo en la transmisión de voz, el ruido es imperceptible, pero en los datos digitales puede producir errores.

La transmisión digital es aquella que se realiza por pulsos digitales entre dos puntos en un sistema de comunicación. Este tipo de transmisión puede enviar tanto datos digitales como analógicos, que deben convertirse antes de la transmisión en pulsos digitales (A/D) y una vez que llega a su destino tiene que volver a pasar por una conversión de digital a analógico (D/A).

Solo puede ser transmitida a distancias cortas porque la atenuación y el ruido pueden afectar seriamente a la señal. A este proceso de conversión se llama digitalización. En la transmisión digital para distancias largas se utilizan repetidores que evitan la atenuación creando un patrón de ceros y unos.

Muestra gráfica de una señal digital, de ruido y un ejemplo de cómo se deteriora y le afecta el mismo.

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8. Dibuje una señal digital normal (por ejemplo 101110011) y una señal de ruido de fondo y únalas para observar cómo se deteriora una señal a consecuencia del ruido.

3.6. Ventajas de la transmisión digital

El mundo de las telecomunicaciones tiene el dilema sobre qué método es el más eficaz a la hora del transporte de información; si la transmisión digital o la analógica. Así pues, la balanza tiende a que el sistema más utilizado sea el de transmisión digital por los siguientes motivos:

1 Utilización de la capacidad: gracias al uso de varias comunicaciones al mismo tiempo a través de un único medio (también llamado multiplexación) el tendido de líneas de transmisión de banda ancha ha llegado a ser factible económicamente.

2 Integridad de los datos: usar repetidores a lo largo de la señal hace que el ruido y las degradaciones que se dan durante la transmisión no sean acumulativas, mientras que con los amplificadores utilizados en la transmisión analógica la señal se va empobreciendo sucesivamente.

3 Integración: tanto los datos analógicos como los digitales adquieren la misma forma y pueden ser procesadas de forma similar, pudiendo integrar vídeo, audio y datos.

4 Seguridad y privacidad: mediante esta transmisión, tanto a los datos digitales como a los analógicos digitalizados se les pueden aplicar técnicas de cifrado de modo sencillo.

 

5 Tecnología digital: gracias a la integración de circuitos a alta escala y a muy alta escala se ha producido una disminución de los circuitos digitales. Sin embargo, en la transmisión analógica no se está dando esa disminución. Esto supone un menor gasto económico.

3.7. Perturbaciones en la transmisión

Las perturbaciones en la transmisión son aquellos fenómenos físicos que alteran la transmisión y que en el ámbito de las telecomunicaciones son producidas habitualmente como consecuencia de las interferencias creadas o susceptibles a estas por los dispositivos eléctricos o electrónicos implicados en la transmisión o por el medio empleado para la misma. Producen una degradación de la calidad de la señal si es analógica, o bien una alteración de las señales digitales, produciendo como resultado bits erróneos en la recepción de la transmisión. Por otro lado, también limitan la velocidad que alcanza la transmisión debido a este incremento de errores.

Todos los dispositivos de tipo eléctrico o electrónico emiten interferencias y son susceptibles a estas interferencias. Algunas de las perturbaciones que afectan a las transmisiones son las siguientes que se desarrollan a continuación.

Atenuación y distorsión en la atenuación

La atenuación es la pérdida progresiva de la potencia de la señal conforme se propaga a su destino a través de un canal. Cuanto mayor sea la distancia que debe recorrer la señal, mayor será la atenuación; también a mayor frecuencia de señal se amplía la atenuación, debiendo tener en cuenta que en una transmisión el receptor debe tener una señal suficientemente clara como para poder interpretarla.

En medios guiados se puede calcular la reducción de señal en decibelios por unidad de longitud (db/m). En medios no guiados no solo depende de la distancia, sino de condiciones atmosféricas, por lo que es más compleja de medir.

El problema de la atenuación afecta especialmente a las señales analógicas, y se puede solucionar o mejorar a través de técnicas de ecualización para un intervalo de frecuencias, o bien amplificando la señal a través de la implantación de amplificadores o repetidores en el medio para que restituyan la señal.

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9. ¿Qué tipo de señal es menos vulnerable con respecto a la atenuación?

Distorsión de retardo

La distorsión de retardo es un fenómeno concreto de los medios guiados. La velocidad de propagación de una señal varía con la frecuencia en medios guiados, llegando al receptor antes unas frecuencias que otras dentro de la misma señal.

Debido a esto, al transmitir una señal digital, esta se verá afectada por los diferentes componentes que constituyen el sistema de comunicación, produciendo una distorsión por retardo de la señal recibida. La magnitud aumenta conforme se eleva la tasa de transferencia de bits, produciendo en algunos casos interpretaciones erróneas de lectura de datos en recepción, los cuales se superponen entre bits debido al retraso.

Utilizando técnicas de ecualización se puede solucionar este problema.

Ruido térmico

En telecomunicaciones y electrónica se denomina ruido térmico o ruido de Johnson-Nyquist al ruido producido por el movimiento de los electrones en los conductores. Fue descubierto por Johnson y Nyquist en 1928, quienes llegaron a la siguiente conclusión:

Cuando una resistencia de valor R es sometida a una temperatura, el movimiento aleatorio de los electrones produce un voltaje de ruido entre un par de terminales abiertos.

Surge por la agitación de los electrones en un medio guiado (conductor) en equilibrio independientemente de si se le aplica tensión, y como resultado modifica aleatoriamente el voltaje eléctrico empleado, llegando a producir fallos en el dispositivo.

El ruido térmico está presente en todos los componentes electrónicos salvo raras excepciones. Por otro lado, y al estar relacionado con la disipación de energía y por tanto con la temperatura, a menor temperatura más bajo será el efecto del ruido térmico.

Al estar uniformemente distribuido en el espectro de frecuencias, se denomina también ruido blanco.

Ruido de intermodulación, diafonía y ruido impulsivo

El ruido de intermodulación ocurre cuando señales de diferentes frecuencias comparten el mismo medio de transmisión generando una energía que puede ser la suma o la diferencia de las frecuencias originales o los múltiplos de las mismas.

Por diafonía (denominada en inglés crosstalk) se conocen las interferencias provocadas por la cercanía de conductores cercanos. Por ejemplo, en microondas ocurre cuando se capturan, además de su señal, otras señales no deseadas. Este tipo de ruido (la diafonía) afecta al medio que tiene cerca, dificultándole la señal.

Definición

Diafonía

Se mide como la atenuación existente entre el circuito perturbador y el perturbado, haciendo más difícil para el circuito perturbado interpretar los datos que le envían.

Cuando la tensión cambia en un hilo se genera energía electromagnética en forma de señal de radio, afectando a los hilos adyacentes, ya que actúan como receptores de antena, generando dicha señal, pero más débil en su interior. En el caso de medios guiados como el par trenzado existen tres tipos de diafonía:

1 Diafonía cerca del extremo (NEXT, del inglés near-end crosstalk): se produce por el acoplamiento entre dos señales que se propagan en sentido opuesto, alcanzando su mayor efecto en el punto en el cual la señal perturbadora tiene potencia máxima y la señal perturbada la mínima. Este efecto es el más significativo dentro de la diafonía.

2 Diafonía lejos del extremo (FEXT, del inglés far-end crosstalk): ocurre a mayor distancia del transmisor regresando a la fuente, pero que al irse atenuando en el trayecto afecta en menor manera.

3 Paradiafonía de suma de potencia (PSNEXT, del inglés power-sum near-end crosstalk): la suma de energía de la diafonía cerca del extremo es el efecto acumulado de NEXT en todos los pares de hilos del cable.

Existen dos maneras básicas para reducir la diafonía: blindar el cable y dar mayor separación a los cables.

El ruido impulsivo está constituido por picos de tensión de corta duración y amplitud grande, causada por factores externos al medio como relámpagos, motores y equipamiento deficiente en el sistema de transmisión.

Este tipo de ruido es actualmente el error principal en la transmisión de señales digitales.

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10. Dibuje un cable par trenzado de 8 hilos (4 pares de 2 hilos) y muestre en él los tres tipos de ruido estudiados: NEXT, FEXT y PSNEXT.

Efectos del ruido sobre una señal digital

El ruido sobre una señal digital es el factor principal que limita una señal, el cual puede producir diversos efectos como son pérdida de datos, modificación y corrupción de información, etc.

Cuando una señal digital transmitida por un canal es afectada por el efecto conocido como ruido, se corrompe la señal. A menor grado provoca pequeñas modificaciones en la recepción de la señal al recibir los datos; y a mayor grado provoca modificaciones indebidas de la información, llegando a perderse parte de la misma si el ruido no le afecta demasiado y la totalidad de los datos si le afecta, pudiendo llegar a anular la señal en grandes magnitudes del efecto ruido.