En cualquier sistema de comunicaciones se debe aceptar que la señal que se recibe diferirá de la señal transmitida debido a varias adversidades y dificultades sufridas en la transmisión. En las señales analógicas, estas dificultades pueden degradar la calidad de la señal. En las señales digitales. se generarán bits erróneos: un 1 binario se transformará en un 0 y viceversa.
Las dificultades más significativas son: · Ruidos · Distorsión por retardo · Atenuación
Para medir la potencia que una señal ha perdido o ganado, se usa el concepto de decibel. El decibel (dB) mide las potencias relativas de dos señales o de una señal en dos puntos distintos. El valor en dB es negativo si una señal se ha atenuado y positivo si una señal se ha amplificado. La expresión matemática del db es la siguiente:
dB=101og10(P2/P1)
donde P1 y P2 representan la potencia de la señal medidas en los puntos 1 y 2 del circuito de transmisión que se trate.
Imaginemos una señal que se inyecta en un medio de transmisión y que su potencia se reduce a la mitad. Esto significa que P2 = (1/2) P1 En este caso, la atenuación (pérdida de señal) se puede calcular como:
10 log10 (P2/P1) = 10 log10 (0.5 P2/P1) = 10 log10 (0.5) = 10 (-0.3) = -3 dB
Se puede observar que -3dB, o una pérdida de 3 dB, es equivalente a perder la mitad de potencia. Imaginemos ahora una señal que pasa a través de un amplificador y cuya potencia se incrementa 10 veces. Esto significa que P2 = 10 x P1 En este caso la amplificación (ganancia) se puede calcular como:
10 log10 (P2/P1) = 10 log10 (10 P2/P1) = 10 log10 (10) = 10 (1) = 10 dB
Una de las razones por la que se usan los decibeles para medir los cambios de potencia de una señal es que los números decibeles se pueden sumar (o restar) cuando se miden varios puntos en lugar de en dos (cascada). La figura muestra una señal que viaja una larga distancia desde el punto 1 al punto 4. La señal está atenuada para cuando alcanza el punto 2. Entre los puntos 2 y 3, se amplifica la señal. De nuevo, entre los puntos 3 y 4, la señal se atenúa. Se pueden obtener los dB resultantes para la señal sin más que sumar los dB medidos entre cada par de puntos. En este caso, los decibeles se pueden calcular como dB = -3 + 7 – 3 = + l
Ruidos Para cualquier dato transmitido, la señal recibida consistirá en la señal transmitida modificada por las distorsiones introducidas en la transmisión, además de señales no deseadas que se insertarán en algún punto entre el emisor y el receptor. A estas últimas señales no deseadas se les denomina ruido. El ruido es el factor de mayor importancia de entre los que limitan las prestaciones de un sistema de comunicación. La señal de ruido se puede clasificar en cuatro categorías: · Ruido térmico. · Ruido de intermodulación. · Diafonía. · Ruido impulsivo.
El ruido térmico se debe a la agitación térmica de los electrones. Está presente en todos los dispositivos electrónicos y medios de transmisión. Como su nombre indica, es función de la temperatura. El ruido térmico está uniformemente distribuido en el espectro de frecuencias usado en los sistemas de comunicación y es por esto por lo que a veces se denomina ruido blanco. El ruido térmico no se puede eliminar y, por tanto, impone un límite superior en las prestaciones de los sistemas de comunicación. Es especialmente dañino en las comunicaciones satelitales ya que, en estos sistemas, la señal recibida por las estaciones terrestres es muy débil. En cualquier dispositivo o conductor, la cantidad de ruido térmico presente en un ancho de banda de 1 Hz es
N0 = kT (W/Hz)
Donde: N0= densidad de potencia del ruido, en vatios por 1 Hz de ancho de banda. K = constante de Boltzmann = 1,38 x 10-23 (J/K) T = temperatura absoluta, en grados Kelvin.
Ejemplo: A temperatura ambiente, es decir a T = 17 °C (290 K), la densidad de potencia de ruido térmico será entonces:
N0= (1.38 x 10-23) x 290 = 4 x 10-21 W/Hz = -204 dBW/Hz
Donde dBW corresponde a decibeles-watts.
Se supone que el ruido es independiente de la frecuencia. Así pues, el ruido térmico presente en un ancho de banda de B hz se puede expresar como N = kTB o expresado en decibeles-watts:
N = 10log10 k + 10log10 T + l0log10 B=- 228.6 dBW + 10 log T + 10 log B
Ejemplo: Si se tiene un receptor con una temperatura efectiva de ruido de 294 K y un ancho de banda de 10 MHz, el ruido térmico a la salida del receptor será:
N = -228.6 dBW + l0log(294) + l0log 107=-228.6 + 24.7 + 70 = -133.9 dBW
En este caso, los decibeles se pueden calcular como: dB = -3 + 7 – 3 = + l Lo que significa que la señal ha ganado potencia.
Existen aparte del dB otros tipos comúnmente utilizados en telecomunicaciones: dBW: La W indica que el decibelio hace referencia a vatios. Es decir, se toma como referencia 1 W (vatio). Así, a un vatio le corresponden 0 dBW. dBm: Cuando el valor expresado en vatios es muy pequeño, se usa el milivatio (mW). Así, a un mW le corresponden 0 dBm. dBu: El dBu expresa el nivel de señal en decibelios y referido a 0,7746 voltios.
0,7746 V es la tensión que aplicada a una Impedancia de 600 O desarrolla una potencia de 1 mW. Se emplea la referencia de una impedancia de 600 O por razones históricas. dBc: Nivel relativo entre una señal portadora (carrier) y alguno de sus armónicos.
Cuando señales de distintas frecuencias comparten el mismo medio de transmisión puede producirse ruido de intermodulación. El efecto del ruido de intermodulación es la aparición de señales a frecuencias que sean suma o diferencia de las dos frecuencias originales o múltiplos de éstas. Por ejemplo, la mezcla de las señales de frecuencias f1 y f2 puede producir energía a frecuencia f1 + f2. Estas componentes espúreas podrían interferir con otras componentes a frecuencia f1 + f2. El ruido de intermodulación se produce cuando hay alguna no linealidad en el transmisor, en el receptor o en el sistema de transmisión. Idealmente, estos sistemas se comportan como sistemas lineales; es decir, la salida es igual a la entrada multiplicada por una constante. Sin embargo, en cualquier sistema real, la salida es una función más compleja de la entrada. Un ejemplo de este tipo de ruido lo constituye la diafonía, que puede aparecer cuando las señales no deseadas se captan en las antenas de microondas. Aunque éstas se caracterizan por ser altamente direccionales, la energía de las microondas se dispersa durante la transmisión
La distorsión de retardo es un fenómeno debido a que la velocidad de propagación de una señal a través de un medio guiado varía con la frecuencia. Para una señal limitada en banda, la velocidad tiende a ser mayor cerca de la frecuencia central y disminuye al acercarse a los extremos de la banda. Por tanto, las distintas componentes en frecuencia de la señal llegarán al receptor en instantes diferentes de tiempo, dando lugar a desplazamientos de fase entre las diferentes frecuencias.
Este efecto se llama distorsión por retardo , ya que la señal recibida está distorsionada debido al retardo variable que sufren sus componentes. La distorsión de retardo es particularmente crítica en la transmisión de datos digitales. Este hecho es un factor (de gran importancia) que limita la velocidad de transmisión máxima en un canal de transmisión. Para compensar la distorsión de retardo también se pueden emplear técnicas de ecualización. La Atenuación presente en cualquier medio de transmisión hace que la energía de la señal decaiga con la distancia. En medios guiados, esta reducción de la energía es por lo general exponencial y, por lo tanto, se expresa generalmente como un número constante en decibeles por unidad de longitud. En medios no guiados, la atenuación es una función más compleja de la distancia y es dependiente, a su vez, de las condiciones atmosféricas.
Es conveniente antes de adentrarse en el tema de este Modulo, definir la diferencia entre una señal analógica de una digital. Como se ha visto en el Modulo anterior una señal analógica es un tipo de señal generada por una fenómeno electromagnético y que es representable por una función matemática continua en la que es variable su amplitud y periodo en función del tiempo. Resulta evidente que como el periodo de una señal resulta ser relacionada con la frecuencia de la misma por la siguiente expresión:
Donde: f es la frecuencia de la señal T es el periodo de la misma
La señal digital es la representación de una señal analógica mediante valores discretos. Es decir que no es una función continua sino que toma valores discretos pero de una manera continua. La siguiente es una representación grafica de una señal digital típica: Señal digital: 1) Nivel bajo, 2) Nivel alto, 3) Flanco de subida y 4) Flanco de bajada.
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