Introducción a los Sistemas de Telecomunicación

El objeto de este capítulo es presentar las nociones básicas relacionadas con los sistemas eléctricos de comunicaciones, partiendo de los conceptos básicos e introduciendo las ideas fundamentales sobre los componentes genéricos de todo sistema de comunicaciones: transmisores, receptores, medios de transporte, etc. y se resumen las principales clasificaciones de estos sistemas, de acuerdo a sus diversas características y aplicaciones. Se introduce también el concepto de modulación y la necesidad de su empleo en el transporte de información, así como los aspectos básicos relativos al uso del espectro radioeléctrico.

Conceptos generales

El concepto de comunicación no es fácil de definir y con frecuencia se asume que todos tenemos intuitivamente la idea de lo que es. Para las personas y animales, puede definirse como el intercambio de información entre individuos mediante un sistema común de símbolos, bien sea mediante leguaje, signos o gestos. La defini- ción anterior puede extenderse también a la comunicación entre máquinas, en cuyo caso los símbolos que representan la información deben reunir características espe- ciales. La ingeniería de telecomunicación o ingeniería de comunicaciones es la rama de la ingeniería que se ocupa de la generación, transmisión, recepción y pro- cesado de señales ya sea por medios eléctricos, elctromagnéticos, electroacústicos, ópticos, etc., y los sistemas de telecomunicación son aquéllos que mediante el empleo de técnicas y dispositivos adecuados realizan el transporte de información entre una fuente y uno o más destinatarios finales.

Información. Aunque también intuitivamente se tiene el concepto de información, el significado puede ser muy diferente según el contexto en que se maneje. Así, para una buena cantidad de gente el término se asocia generalmente con el campo periodístico, radiofónico o televisivo. De hecho, en numerosas instituciones se cursan carreras designadas como Ciencias de la Comunicación o Ciencias y Técnicas de la Información que poco o nada tienen que ver con la ciencia o la ingeniería de comunicaciones. No es extraño, por tanto, que Jurgen Ruesch haya identificado 40 variedades de los enfoques interdisplinarios para el tema, incluyendo tópicos tan variados como los aspectos informales de la comunicación, implícitos en la atrac- ción sexual o en el comportamiento ante el juego e identificando al menos 50 mo- dos de comunicación interpersonal. Entre los aspectos de importancia tratados en este contexto cabe mencionar la importancia que se da en los medios masivos de comunicación (radio, televisión, prensa y actualmente Internet) al efecto de los mensajes sobre la audiencia y al estudio de técnicas de persuasión con el fin de influir en la disposición de los individuos hacia la modificación de hábitos de con- sumo, simpatía política o creencias religiosas entre otros. Con excepción de la prensa escrita, los sistemas de comunicaciones transportan información para estos y otros fines. En este caso puede decirse que el ingeniero de telecomunicación se ocupa de diseñar, instalar y mantener el vehículo, pero no tiene influencia alguna sobre lo que dicho vehículo transporta, es decir, el contenido. En algunos casos, el ingeniero de telecomunicación debe ocuparse también del contenido, por ejemplo en algunos sistemas de comunicación entre máquinas.

Dada la variedad de interpretaciones que se pueden dar al término información, conviene definirlo con algo más de precisión para los fines y objetivos de un curso de sistemas de comunicaciones. Así, por información se entiende aquí el conjunto de señales, producidas por fenómenos físicos, registrados, clasificados, organiza- dos y relacionados, con un significado preciso para un destinatario específico.

Con frecuencia se habla también de elementos de información. En una comunica- ción de voz la información fluye de manera continua entre el transmisor y el recep- tor. Los elementos de información son en este caso los aumentos infinitesimalmen- te pequeños entre dos instantes, también infinitesimalmente pequeños, de la presión del aire producida por las cuerdas vocales del locutor o sobre el tímpano del oyen- te. En estas condiciones la información da lugar a una señal continua en el tiempo, o señal analógica y los elementos de información pueden asociarse con elementos silábicos de la voz; sin embargo en el caso de música esta asociación resulta más difícil. En los sistemas digitales, por otra parte, los elementos de información son discretos y fáciles de identificar. Un ejemplo simple de un sistema digital de comu- nicaciones es la telegrafía y es interesante notar que éste fue anterior a la telefonía en varias décadas. En telegrafía los elementos de información son pulsos de corta y larga duración (puntos y rayas) que, combinados de diversas formas representan de manera discreta los caracteres alfabéticos y numéricos, así como algunos símbo- los ortográficos y de control en la forma que se ilustra en la Tabla 1.1.

El conjunto de varios elementos de información constituye un símbolo y, a su vez, el conjunto de varios símbolos constituye un mensaje. El alfabeto Morse, utilizado desde hace más de 150 años, no es mas que una de las muchas formas posibles de codificar los caracteres alfabéticos mediante elementos discretos. En términos muy simples, puede decirse que un mensaje está compuesto por elementos de in- formación y que ésta puede fluir de forma continua o discreta entre el transmisor y el receptor. Asimismo, un mensaje es algo que el receptor o el destinatario de la información entiende y que, en general no conocía previamente. Esta es una de las características fundamentales de la información, es decir, el desconocimiento pre- vio de su contenido o, expresado en términos más técnicos, su aleatoriedad. Un mensaje contiene más información cuanto más impredecible sea ésta. Algo que se conoce de antemano, en realidad contiene muy poca o ninguna información.

Tabla 1.1. Alfabeto Morse. Los puntos representan señales de cortaduración y las rayas, de mayor.

Señales. Asimismo, por señal se entiende la representación de una magnitud física, detectable, variable en el tiempo, el espacio o ambos, a la que se puede asignar un determinado significado o contenido de información. Aquí, el término señal se refiere a señales eléctricas, aunque en su forma original sean de otra naturaleza; por ejemplo, acústicas, mecánicas, ópticas, etc., que, en general, pueden convertirse a señales eléctricas mediante transductores adecuados.

Las señales pueden caracterizarse en el dominio del tiempo o en el de frecuencia. Ambas caracterizaciones representan el mismo fenómeno. En los sistemas de telecomunicación es usual la representación en el dominio de frecuencia, ya que ésta proporciona información sobre el ancho de banda en que está contenida la energía de la señal. En general, cuando aquí se habla del dominio de frecuencia, se entiende por él la transformada de Fourier de la función que describe a la señal en el do- minio del tiempo. En algunas aplicaciones, principalmente de procesado de señales se emplean otras transformaciones como las del coseno discreto, la de Hilbert, Haddamard, etc., que también suele hablarse de frecuencia. El tratamiento de estas otras transformadas queda fuera del contexto de este curso y siempre que se hable de frecuencia se entenderá que la transformación aplicable es la de Fourier. Debido a que la transformada de Fourier es compleja, la representación completa de la señal en el dominio de frecuencia debe hacerse en términos de amplitud y de fase, si bien en la mayor parte de los casos prácticos, es suficiente la representación del espectro de amplitud. El aparato utilizado para esto se designa como analizador de espectro. En la figura 1.1 se muestra una señal de televisión de color en el dominio del tiempo, como se vería en un osciloscopio y en el de frecuencia, como se vería en un analizador de espectro.

Las señales generadas por una fuente de información y convertidas a señales eléc- tricas, por ejemplo la voz o una imagen son señales de paso bajo y a menudo se designan también como señales en banda base. Sin embargo las señales en banda base en los sistemas de comunicaciones tienen un significado más amplio, ya que pueden estar constituidas por combinaciones de señales de paso bajo. Tal es el caso de la telefonía multicanal en que la señal en banda base multicanal puede estar formada por centenares de señales de voz. La señal en banda base de televisión contiene al menos tres señales: vídeo monocromático o luminancia, color y sonido. Aquí se entenderá por señal en banda base aquella que se aplica a la entrada del modulador de un transmisor.

Transmisión en banda base. Cuando se tiene más de una señal en banda base, por ejemplo señales de voz, no pueden transmitirse simultáneamente por un mismo canal de comunicación utilizando el mismo espectro de frecuencia, a menos que se las separe de alguna forma, ya que no hacerlo se interferirían mutuamente y el re- ceptor sería incapaz de discernir cada señal individual. Esta situación se aprecia claramente cuando varias personas hablan a la vez, en el mismo espacio y con el mismo nivel de voz. Lo mismo ocurriría si varias personas utilizan simultáneamente una misma línea telefónica. De esto se infiere que si la transmisión se realiza en banda base, se requieren tantos canales de comunicación independientes como señales haya.

El concepto de canal de comunicaciones

El canal de comunicaciones puede definirse en términos generales, como el conjun- to de recursos en espectro, espacio, tiempo y equipos, necesarios para realizar una comunicación. En su forma más general, se reduce a un transmisor, un receptor y un medio de transporte de la energía electromagnética.

Transmisor. Su función es acondicionar las señales de información en ancho de banda y potencia para entregarlas al medio de transporte.

Receptor. Su función es capturar las señales en el medio de transporte, amplificar- las y acondicionarlas a fin de que resulten inteligibles al usuario final, bien sea este una persona, un animal, una máquina, etc.

Medio de transporte. Puede ser el vacío, el aire, un cable, el agua u otro medio material. La mayoría de las comunicaciones eléctricas emplean como medio de transporte el aire, cables metálicos o fibras ópticas.

La definición anterior del canal de comunicaciones es muy amplia y en la práctica, con frecuencia se habla de "canal" para hacer referencia sólo a una parte de la tota- lidad del sistema, a menudo, al medio de transporte, lo que da lugar a las siguientes definiciones, entre otras:

Canal de Radio. En el canal de radio, la energía electromagnética generada en el transmisor es radiada al medio de transmisión y transportada hasta el receptor, sin conexión física entre éste y el transmisor. La radiodifusión sonora, la televisión y la telefonía móvil son los ejemplos más comunes de canales de radio. La estructura general del canal de radio se ilustra en la figura 1.3 y comprende desde la salida del transmisor a la entrada del receptor, incluyendo las respectivas líneas de transmi- sión y antenas. La porción del canal de radio que comprende sólo el medio de transporte, es decir, el vacío, el aire u otro medio material en el que se propaga la energía electromagnética, suele designarse como canal de propagación en cuyo caso no se incluyen ni las antenas ni las líneas de transmisión.

Canal de Radiofrecuencia (RF). En la literatura se designa también como canal de modulación y comprende, desde la salida del modulador en el transmisor, hasta la entrada del demodulador en el receptor. Su linealidad depende de los circuitos y dispositivos posteriores al modulador en el lado transmisor y anteriores al demodu- lador en el lado receptor. No es un canal lineal ni recíproco.

Canal Digital. En sistemas digitales, comprende desde la entrada de la secuencia digital no modulada a la salida del codificador en el transmisor, hasta la secuencia regenerada a la salida del demodulador, es decir la entrada del decodificador en el receptor. No es lineal ni recíproco.

Modulación

En los sistemas analógicos de comunicaciones, la única forma posible de separar señales distintas que ocupan el mismo espectro en banda base (sonido, imagen, etc), para su transmisión por el mismo medio de transporte, ya sea éste una línea telefónica, un cable o el aire, es trasladándolas en el espectro de frecuencia, de modo que cada señal individual ocupe una "ranura" específica en el espectro. El receptor deberá tener, a su vez, capacidad para seleccionar cada una de esas ranuras y recuperar las señales individuales sin interferencia de las demás.

El proceso mediante el cual se traslada una señal en banda base en el espectro de frecuencia es la modulación y a la señal así trasladada se designa como señal mo- dulada. Una forma simple de analizar este proceso es suponer una señal en banda base constituida por un tono senoidal de frecuencia única,

El espectro de éstas está representado por dos líneas a las frecuencias fm y fc, ya que se trata de señales senoidales puras con una sola componente espectral.

La señal anterior tiene dos componentes espectrales, una de frecuencia fc + fm y otra de fc + fm. Las señales originales fc y fm han desaparecido en este proceso de multi- plicación y el espectro resultante tiene la forma ilustrada en la figura 1.5. La señal moduladora se ha "desdoblado" en dos componentes alrededor de la frecuencia correspondiente a la portadora. Estas dos componentes tienen la información de amplitud y frecuencia de la señal en banda base original.

De hecho, mediante el proceso de modulación, lo que se ha hecho es variar los parámetros (amplitud y frecuencia) de la portadora, de acuerdo a la amplitud y frecuencia de la señal moduladora. La nueva frecuencia a la que se ha trasladado la señal moduladora está determinada por el valor de la frecuencia de la portadora y a la señal modulada también se le designa como señal en banda de paso.

Este ejemplo, en el que como señal moduladora se ha utilizado un tono senoidal puro se puede extender a toda una banda de frecuencias, por ejemplo de la voz. También es conveniente hacer notar que este tipo de modulación, que se conoce como modulación de amplitud, con doble banda lateral y portadora suprimida, no es el único posible. En la modulación de amplitud se tienen diversas variantes y, por otra parte, también es posible la modulación de frecuencia y la de fase, que se tratarán con mayor amplitud en el capítulo 6. Estos tipos de modulación son bási- camente analógicos. En el dominio digital se tienen varios tipos de modulación que, aunque se designan de diferente forma, son substancialmente similares a los anteriores.

Conviene ahora analizar, aunque sea someramente, la función que debe realizar el receptor para recuperar la señal original. El proceso inverso de la modulación es la demodulación o detección y para el caso del ejemplo, una forma de conseguirlo es multiplicando la señal modulada por una señal senoidal, generada localmente en el receptor, de la misma frecuencia y fase que la portadora. Este tipo de demodula- ción se designa como demodulación síncrona o coherente.

La señal anterior contiene dos términos; el primero corresponde a la señal original en banda base y el segundo corresponde a la señal modulada, ahora alrededor de una portadora del doble de frecuencia de la original (2fc). Si a la salida del multipli- cador se coloca un filtro de paso bajo, esta componente quedará eliminada y se obtendrá a la salida, la señal original deseada.

Basándonos en el mismo ejemplo anterior, es evidente que si se tienen varias señales de información en la misma banda base, éstas pueden trasladarse a diferentes posiciones en el espectro, si con ellas se modula a portadoras de frecuencias dife- rentes. Supóngase que se tienen tres señales de voz, cada una de las cuales ocupa un espectro de 300 a 3400 Hz y que se tienen tres portadoras, una de 100 KHz, otra de 200 KHz y otra de 300 KHz. Es claro que las tres señales pueden transmitirse por radio o por cable sin interferirse. Este proceso de combinar varias señales para transmitirlas por un mismo medio se designa como multiplexado o multicanaliza- ción en frecuencia.

Ahora bien, el multiplexado no es la única razón para la modulación. En los siste- mas radioeléctricos de comunicaciones se utilizan antenas, tanto para transmitir como para recibir las señales. Estas antenas, para que funcionen de manera eficien- te, deben ser de dimensiones del orden de media longitud de onda. Si se pretendiera transmitir por medios radioeléctricos una señal de voz, será necesaria una antena de varias decenas de km, lo cual es impensable. Si esa señal de voz modula a una por- tadora, por ejemplo de 10 MHz, se puede transmitir con una antena de poco más de diez metros que es ya fácilmente realizable.

En resumen, la modulación es indispensable para los sistemas de radiocomunica- ción, a fin de poder usar antenas de dimensiones razonables y, por otra parte, es necesaria para combinar señales de igual banda base, que deban transmitirse por el mismo medio.

Conversión. De forma similar al traslado en frecuencia de una señal en banda base, es igualmente posible trasladar señales moduladas a porciones diferentes del espectro. Este proceso recibe el nombre de conversión y puede ser ascendente cuando la señal trasladada es de frecuencia superior a la de la original, o descendente cuando es de frecuencia inferior.

Ancho de banda. El ancho de banda de una señal es la porción del espectro en que está contenida su energía. En algunos casos no es necesario transmitir todo el es- pectro de las señales; por ejemplo, la voz humana tiene componentes que pueden alcanzar hasta unos 10 KHz, sin embargo la energía contenida a estas frecuencias es muy pequeña y, en la práctica, es suficiente transmitir solamente hasta unos 3.5 o 4 KHz. Algo similar ocurre en bajas frecuencias y solamente se transmiten las frecuencias superiores a unos a unos 300 Hz. Las señales de vídeo tienen compo- nentes frecuenciales significativas hasta alrededor de 5 MHz. Las señales telegráfi- cas, por el contrario, tienen anchos de banda muy reducidos, del orden 100 Hz o menos. Estos anchos de banda son en paso bajo o banda base. El ancho de banda de las señales moduladas o ancho de banda del canal, depende tanto del ancho de banda base, como del tipo de modulación empleado y en general es superior al ancho de banda base. Por ejemplo, en radiodifusión sonora en ondas medias, el ancho de banda del canal es de 10 KHz, en televisión terrestre, es de 6 a 8 MHz, dependiendo del estándard utilizado, en televisión por satélite, en que la señal va modulada en frecuencia (FM), el ancho de banda del canal puede ser de 24 a 36 MHz. y en radiodifusión sonora en FM, es de 250 KHz.

Arquitectura genérica de los sistemas de comunicaciones

Claude Shannon y Warren Weaver en la década de los 1940s concibieron un mode- lo lineal de comunicación suficientemente general que, en su forma original conte- nía cinco elementos: fuente de información, transmisor, canal de transmisión, receptor y destinatario final, todos dispuestos linealmente. Este modelo básico constituye el punto de partida para el estudio de los sistemas de comunicación y alrededor de él se desarrolla la mayor parte del material de este curso.

Con el transcurso del tiempo y la evolución de los sistemas de comunicación, particularmente en los sistemas digitales, el modelo anterior ha sufrido algunas modificaciones, con el fin de especificar mejor algunos elementos constitutivos de cada uno de los bloques anteriores y proporcionar un rango mayor de aplicaciones. Este modelo es también suficientemente general y el papel de cada uno de los bloques se describe mediante el ejemplo siguiente.

Considérese un sistema telefónico muy simple, formado por dos aparatos telefóni- cos, de aquellos antiguos, conectados entre sí por una línea de dos alambres de cobre y con una batería para suministrar la energía necesaria al circuito. En uno de los extremos de la línea una persona utiliza el teléfono para hablar con la que está al otro extremo. La persona que habla es, en este caso, la fuente de información. Las ideas generadas en su cerebro se transmiten como señales electroquímicas a las cuerdas vocales en la garganta del locutor, y constituyen el transductor que con- vierte la energía electroquímica en movimiento vibratorio de las cuerdas vocales. Esta vibración de las cuerdas se traslada a las moléculas del aire de la cavidad bu- cal y del exterior de la boca dando lugar a una onda acústica. . Las cuerdas vocales y la boca juegan aquí el papel del codificador en la figura 1.2.

Fig. 1.9. Circuito básico de un micrófono de carbón

En la figura 1.9 se ilustra el proceso de conver- sión de una onda sonora como la producida por la voz, en una señal eléctrica mediante un micrófono simple, utilizado extensamente en telefonía hasta bien avanzado el siglo XX. El micrófono consiste de una cápsula metálica que contiene gránulos de carbón y está cerrada en un extremo por una placa que está unida rígidamente a un diafragma metá- lico sobre el que inciden las ondas acústicas y que se mueve de acuerdo a las compresiones y rarifi- caciones de éstas, aumentando o reduciendo la presión entre los gránulos de carbón. Cuando los gránulos están poco presionados el contacto entre ellos es débil y la resistencia total que ofrecen es relativamente alta. Al ser comprimidos, la superficie de contacto aumenta y la resistencia total disminuye, de modo que el conjunto de dichos gránulos puede con- siderarse como una resistencia cuyo valor varía según la presión de la onda sonora incidente. La placa del diafragma y la cápsula metálica, aisladas entre sí, se conec- tan a la carga mediante una batería en serie. La carga puede ser un auricular telefónico o, como en el caso de la figura, un transformador para producir una señal de salida de mayor nivel hacia la línea que conecta con el receptor.

Uno de los receptores más simples es el audífono o auricular telefónico, mostrado en la figura 1.10 y del que hay diversas variantes que no trataremos aquí. El auricu- lar de la figura está constituido por una cápsula que contiene un imán permanente hueco y en cuyo interior se encuentra una bobina conectada mediante el circuito correspondiente al transmisor, en este caso el micrófono.

La persona que habla mantiene el auricular en contacto con su oído y el micrófono en la cercanía de su boca, de modo que la onda acústica, es decir, la onda mecánica producida por las cuerdas vocales, incide sobre el micrófono. La resistencia variable que representa el micrófono queda en serie con la línea de transmisión y la batería de alimentación, con lo que en la línea se tendrá una corriente variable cuya magnitud será proporcional a la intensidad sonora y cuya frecuencia será también variable según la frecuencia del sonido incidente sobre el micrófono. El micrófono juega aquí el papel del transmisor. La señal eléctrica viaja por la línea de transmi- sión, que es aquí el medio de transporte, hasta el auricular o audífono. Aquí, esa señal se aplica a la bobina del auricular. La vibración de la placa del auricular se transmite al aire en forma de una onda acústica y viaja hasta el tímpano del oído de la persona que escucha. El tímpano, que también es una membrana que vibra me- cánicamente transporta esas vibraciones al delicado mecanismo del oído interno, que finalmente las convierte de nuevo en señales electroquímicas que viajan al cerebro y son interpretadas por el oyente. El oído desempeña aquí el papel del de- codificador y el cerebro el de destino de la información.

Ahora bien, entre el transmisor y el receptor, conectados mediante una línea de dos alambres conductores, pueden producirse efectos que den lugar a que la persona que escucha no reciba fielmente la información original. Uno de tales efectos es la atenuación en la línea, que no es igual en toda la banda de frecuencias de voz. En este caso percibirá la voz distorsionada. Otro efecto es el ruido que se genera en todos los elementos del sistema como consecuencia de la agitación térmica de los electrones en los conductores y en el propio micrófono. En estas condiciones la voz se oirá con ruido de fondo que puede ser semejante a un "siseo" o similar al efecto de cascar nueces. Otro efecto puede ser un zumbido producido por líneas de ali- mentación de corriente alterna a 50 o 60 Hz, cercanas a la línea telefónica, o bien la percepción de otras conversaciones que transcurren en líneas telefónicas contiguas, debido a que los campos electromagnéticos alrededor de una de las líneas se indu- cen sobre la otra. Todos estos efectos reducen la calidad de la señal recibida y, en ocasiones, pueden hacer ininteligible el mensaje.

Este ejemplo ilustra algunos de los conceptos inherentes todo sistema de comuni- caciones. Primero, la fuente de información puede generar señales de naturaleza muy distinta a la eléctrica. La conversión de la señal original en una señal eléctrica requiere de procesos que pueden ser sumamente complejos. En este ejemplo se ha usado al ser humano como la fuente y destinatario de la información y, aunque esto es cierto en la mayor parte de los sistemas de comunicaciones, se dan muchos ca- sos en que la información no se transmite entre personas, sino entre dispositivos mecánicos, eléctricos, químicos, etc. En cualquier caso, es claro que los conceptos de información y mensaje pueden aplicarse de forma similar.

Señales indeseables

En el ejemplo del sistema telefónico en la sección 1.3, se indicó que en los sistemas de comunicaciones pueden producirse efectos que deterioren la comunicación, en otras palabras, que den lugar a que la señal recibida no sea tan "limpia" como la transmitida. Entre estos efectos se cuentan el ruido, la distorsión y las interferen- cias

Ruido. En cualquier sistema de comunicaciones, se producen fluctuaciones de corriente ajenas a las señales que maneja el sistema. Estas fluctuaciones son de tipo aleatorio y pueden tener diversos orígenes; al agregarse a la señal, deterioran la calidad de la comunicación. Esta situación algunas veces puede evitarse o reducirse y en otras es inevitable, de modo que al diseñar un sistema de comunicaciones es imprescindible tener en cuenta los efectos del ruido de modo que resulten mínimos. Un tipo de ruido que está presente siempre en todos los circuitos eléctricos es el ruido térmico, debido a la agitación electrónica en los conductores y semiconductores como consecuencia de la temperatura; se trata, por tanto de un ruido de origen natural. Otras fuentes naturales de ruido son, por ejemplo, el propio universo que nos rodea, el sol, algunas estrellas, etc. Este ruido se designa como ruido cósmico y es importante en los sistemas radioeléctricos de comunicaciones, ya que es captado por las antenas receptoras juntamente con la señal. La atmósfera también es fuente de ruido eléctrico, en especial los rayos. Este tipo de ruido se denomina ruido at- mosférico.

Otras fuentes de ruido son de origen humano. Entre ellas se encuentran los motores eléctricos en que se producen pequeñas chispas entre las escobillas y el colector, las chispas actúan como pequeñas antenas transmisoras y la energía emitida es captada también por las antenas de los receptores. Lo mismo ocurre con los moto- res de combustión interna a gasolina, en que las bujías también producen chispas. En zonas industriales y urbanas los niveles de ruido de origen humano pueden ser muy elevados.

En general, no es posible eliminar el ruido térmico, si bien algunas técnicas de procesado digital de señales permite, en algunos casos, reducirlo considerablemente. Los ruidos de origen humano también son difíciles de eliminar, aunque algunas medidas pueden reducir su efecto, por ejemplo blindando o apantallando los circui- tos y utilizando algunos tipos de antenas altamente direccionales. El filtrado no suele surtir efecto más que en algunos casos, ya que el ruido, y en particular el térmico, tiene componentes espectrales a todos las frecuencias, de modo que si se utilizan filtros para dejar pasar solamente la banda de una señal, inevitablemente en esa banda también habrá ruido y lo único que se eliminará será el ruido fuera de la banda de interés.

Distorsión. Por distorsión se entiende la alteración, no deseada, de la forma de onda de una señal. Esto ocurre en cualquier circuito cuya respuesta en frecuencia no sea plana, es decir, que no deje pasar por igual todos los componentes espectra- les de una señal. Supóngase, por ejemplo, un amplificador de sonido en que las frecuencias superiores a, digamos, 5 KHz, se amplifican a la mitad del valor que las frecuencias inferiores a ese valor. El amplificador puede resultar adecuado para la voz humana en que es suficiente un ancho de banda del orden de 4 KHz, pero no será satisfactorio para amplificar música en que el ancho de banda requerido es del orden de 12 a 15 KHz. En este caso, el sonido de algunos instrumentos perderá su tonalidad, como consecuencia de la amplificación desigual de los componentes frecuenciales del sonido de esos instrumentos. Esa amplificación desigual de los componentes frecuenciales de una señal da como lugar una alteración de sus carac- terísticas espectrales originales y por tanto, a distorsión. En un circuito, la distor- sión puede ser el resultado del funcionamiento de algunos dispositivos del circuito en regiones no lineales de sus características, que da lugar a una forma de distorsión de interés particular en los sistemas de comunicaciones, designada como dis- torsión por intermodulación.

Interferencia. Por interferencia se entiende la presencia de señales indeseables en un sistema de comunicaciones determinado, originadas por otros sistemas de co- municaciones. En sistemas radioeléctricos, esto ocurre cuando en una misma zona se reciben simultáneamente señales de dos o más sistemas que funcionan en la misma banda de frecuencia, o cuando uno de los sistemas produce señales indeseadas fuera de su banda de trabajo y cuyas frecuencias caen dentro de la banda de otro sistema. En los sistemas de cable las interferencias son causadas por las induc- ción del campo electromagnético producido por la señal en un cable y que abarcan el espacio ocupado por otro cable. En telefonía ocurren formas de interferencia de este tipo que reciben el nombre de diafonía o de modulación cruzada.

Transmisión sin distorsión

En general, todos los circuitos alteran la señal en la banda de paso. Lo importante es que el circuito, o en general el sistema, cumpla la condición de transmisión sin distorsión. Para ello, la señal a la salida debe ser una réplica exacta de la señal de entrada, es decir, debe tener la misma forma, aunque no necesariamente la misma amplitud; puede estar amplificada o atenuada y retrasada en el tiempo respecto a la señal de entrada. En otras palabras, la configuración espectral de la señal de entrada no debe alterarse.

Las condiciones anteriores deben cumplirse en la banda de paso, aunque no necesa- riamente fuera de ella. Cuando en un sistema no se cumple la condición de trans- misión sin distorsión, es necesario predistorsionar la señal a su entrada para com- pensar las alteraciones que sufra. Este proceso de predistorsión recibe también el nombre de ecualización y puede realizarse en amplitud, fase, o ambos. Es impor- tante tener en cuenta que aunque las distorsiones pueden corregirse con esta técni- ca, en general no puede eliminarse el ruido.

Clasificación de los Sistemas de Telecomunicación

Los sistemas de telecomunicación pueden clasificarse según criterios diversos, dependiendo de características o aplicaciones específicas. Sería muy difícil intentar una clasificación exhaustiva, por lo que utilizaremos sólo algunos de los criterios más usuales con base en lo tratado en las secciones anteriores.

Desde el punto de vista del tipo de señales que manejan, pueden clasificarse en analógicos y digitales. En el primer caso la fuente en la figura 2, entrega una señal analógica, que puede caracterizarse mediante una función continua variable en el tiempo. El codificador, en este caso, puede considerarse como el modulador del transmisor, o algún otro dispositivo que procese la señal en el dominio analógico. En el extremo receptor, el demodulador realiza la función inversa, en este caso, la demodulación. En los sistemas digitales la fuente entrega por lo general una señal digital, aún cuando la entrada al sistema sea analógica. El codificador, en este caso puede realizar una variedad de funciones entre las que se incluyen la codificación de fuente, la codificación de canal y la modulación. El decodificador en el extremo receptor realiza la función inversa para recuperar la señal original.

a) Según el medio físico de transporte de señales, los sistemas pueden clasificarse principalmente como de cable, fibra óptica o radioeléctricos.

b) Según el tipo de usuarios, en sistemas punto a punto o punto a multi- punto. Entre los primeros se cuentan, por ejemplo, la telefonía y entre los segundos, los de radiodifusión sonora.

c) Según el tipo de comunicación, en unidireccionales o bidireccionales.

d) Según la banda de frecuencias, en sistemas de banda estrecha o banda ancha.

Es claro que se pueden establecer muchas otras definiciones igualmente válidas; sin embargo, las anteriores resumen las principales características de interés para este curso.

Sistemas analógicos y digitales. En los sistemas analógicos, las señales transportadas son continuamente variables en el tiempo y constituyen una representación eléctrica de las magnitudes físicas originales, tales como voz, imagen, presión, temperatura, etc. En los sistemas digitales las señales transportadas son discretas y su forma eléctrica no guarda relación con la magnitud física original más que a través de una codificación matemática de dichas señales discretas. Si bien hay numerosos aspectos comunes en el tratamiento de ambos tipos de sistemas, las dife- rencias son de importancia y su estudio requiere atención separada.

Sistemas de cable o fibra óptica. Utilizan como medio físico de transporte de las señales alguno de los siguientes:

Línea abierta: formada por uno o más hilos conductores. Si son dos hilos se designa como línea de pares, si está formada por cuatro hilos, se conoce como de cua- dretes. Se utiliza principalmente en telefonía, telegrafía y transmisión de datos a baja velocidad.

Cable telefónico de pares múltiples: consiste de un cable, protegido contra la intemperie y usualmente apantallado o blindado eléctricamente, en cuyo interior se confinan numerosos pares de hilos. A diferencia de la línea abierta puede instalarse en conductos subterráneos y se emplea principalmente en telefonía y transmisión de datos a baja velocidad. Tanto este cable como la línea abierta pueden considerarse como medios de transporte de banda estrecha.

Cable coaxial: formado por un conductor rodeado por una funda metálica y aislado de ella, que actúa como pantalla electromagnética contra señales externas. Se utiliza en sistemas de banda ancha, como telefonía multicanal, televisión y transmisión de datos a elevada velocidad.

Fibra óptica: aunque el principio físico de funcionamiento es completamente dife- rente al de los cables anteriores y merecería clasificación aparte, el tipo de servicio a que se destina es semejante y puede considerarse como un medio de transmisión por cable. Se emplea en sistemas de banda ancha y sus prestaciones son, en general, muy superiores a las de los cables metálicos.

A excepción de la fibra óptica, la transmisión por cable puede realizarse en banda base o en radiofrecuencia.

Sistemas Radioeléctricos

Por radio se entiende la transmisión de señales a través del espacio, mediante on- das electromagnéticas, sin que haya conexión física entre transmisor y receptor. El medio de propagación de las ondas electromagnéticas es, en este caso, el aire o el vacío. En el trabajo con sistemas radioeléctricos es frecuente emplear el término radiofrecuencia (RF), y por tal, se entiende la frecuencia a la que la radiación de energía electromagnética es útil para propósitos de comunicación. Así, las radiofre- cuencias abarcan desde unos pocos KHz hasta más de 100 GHz. Sin embargo, el contexto en que se emplea a veces el término radiofrecuencia se presta a algunas confusiones. Por ejemplo se puede hablar de una señal de radiofrecuencia de 70

MHz o de una señal de FI (frecuencia intermedia) también de 70 MHz; en el pri- mer caso se trata de una señal radioeléctrica, que se propaga en el espacio e incide sobre una antena, o bien que es radiada por una antena al espacio. Si se habla de FI, se trata de una señal generada internamente en un equipo y que no es radiada en forma de onda electromagnética.

1.8.1 Espectro Radioeléctrico

Los sistemas de telecomunicación utilizan el espectro radioeléctrico, que compren- de las bandas de frecuencias útiles para los servicios de radiocomunicación y abar- ca, desde frecuencias inferiores a 1 KHz hasta alrededor de 300 GHz. Los sistemas de comunicaciones ópticas funcionan a frecuencias superiores, correspondientes al espectro visible y en el infrarrojo. Las principales bandas del espectro radioeléctri- co suelen definirse en términos de las longitudes de onda, según la designación de la Unión Internacional de Telecomunicaciones, de la forma que se indica en la Tabla 1.2

Tabla 1.2 Nomenclatura de las Bandas de Frecuencias

La designación anterior es sumamente general, ya que cada una de las bandas se subdivide, a su vez, en numerosas bandas, o subbandas asignadas a diferentes tipos de servicios. En particular, las bandas de frecuencias de microondas son designadas de forma especial, con diferentes letras, como se indica en la Tabla 1.3.

Tabla 1.3 Designaciones de las Bandas de Microondas.

A su vez, las bandas anteriores se dividen en más subbandas, por ejemplo Se, que comprende de 1.55 a 1.65 GHz, Kp, de 10.9 a 12.25 GHz, etc.