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
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.
Se pueden realizar las siguientes consideraciones respecto a la atenuación: a) La señal recibida debe tener suficiente energía para que el receptor pueda detectar la señal adecuadamente.
b) Para ser recibida sin error, la señal debe conservar un nivel suficientemente mayor que el ruido.
c)L a atenuación es habitualmente una función creciente de la frecuencia.
Los dos primeros problemas se resuelven controlando la energía de la señal, para ello se usan amplificadores o repetidores. En un enlace punto a punto, la energía de la señal en el transmisor debe tener el nivel suficiente como para que se reciba con inteligibilidad.
A partir de cierta distancia, la atenuación es inaceptable, lo que
requiere la utilización de repetidores o amplificadores que incrementen el nivel de la señal periódicamente.
Este tipo de problemas son todavía más complejos en líneas multipunto, en las que la distancia entre el transmisor y el receptor es variable.
El tercer problema es especialmente relevante para el caso de las señales analógicas ya que la atenuación varía en función de la frecuencia, la señal recibida está distorsionada, reduciendo así la inteligibilidad. Para soslayar este problema, existen técnicas para ecualizar la atenuación en una banda de frecuencias dada. Otra aproximación alternativa es la utilización de amplificadores que amplifiquen más las frecuencias altas que las bajas.
Generalmente, el ruido impulsivo no tiene mucha trascendencia para los datos analógicos.
La transmisión de voz se puede perturbar mediante chasquidos o crujidos cortos, sin que ello implique pérdida significativa de inteligibilidad. Sin embargo, el ruido impulsivo es una de las fuentes principales de error en la comunicación digital de datos.
Por ejemplo, un pico de energía con duración de 0.01 segundos no inutilizaría datos de voz, pero podría corromper aproximadamente 560 bits si se transmitieran a 56 Kbps
Sub Transmisión de Señales Digitales
Es conveniente antes de adentrarse en el tema de este Modulo,definir la diferencia entre una señal analogica de una digital.
Como se ha visto en el Modulo anterior una señal analógica es un tipo de señal generada por una fenomeno electromagnetico y que es representable por una una funcion matematica 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 expresion:
Donde:
f es la frecuencia de la señal
T es el periodo de la misma
La señal digital es la representacion de una señal analogica mediante valores discretos.
Es decir que no es una funcion continua sino que toma valores discretos pero de una manera continua.
La siguiente es una representacion grafica de una señal analogica tipica:
Señal digital: 1) Nivel bajo, 2) Nivel alto, 3) Flanco de subida y 4) Flanco de bajada.
Los sistemas digitales, como por ejemplo una computadora, usan logica de dos estados representados por dos niveles de tension electrica, uno alto,y otro bajo.Dichos estados se sustituyen por ceros y unos, lo que facilita la aplicación de la logica y la aritmetica binaria. Eel nivel alto se representa por 1 y el bajo por 0.
Estos valores discretos se definen como unidades binarias.
Bit es el acronimo de Binary digit. (dígito binario). Un bit es un dígito del sistema de numeracion binario.
Mientras que en el sistema de numeración decimal se usan diez digitos (0 al 9), en el binario se usan sólo dos dígitos, el 0 y el 1. Un bit o dígito binario puede representar uno de esos dos valores: 0 ó 1
Con un bit podemos representar solamente dos valores, que suelen representarse como 0, 1. Para representar o codificar más información en un dispositivo digital, necesitamos una mayor cantidad de bits. Si usamos dos bits, tendremos cuatro combinaciones posibles:
00 01 10 y 11
Con estas cuatro combinaciones podemos representar hasta cuatro valores diferentes, como por ejemplo, los colores azul, verde, rojo y amarillo.
A través de combinaciones de bits, se puede codificar cualquier valor discreto como números, palabras, e imágenes.
Cuatro bits forman un nible, y pueden representar hasta 24 = 16 valores diferentes; ocho bits forman un octeto, y se pueden representar hasta 28 = 256 valores diferentes. En general, con un número n de bits pueden representarse hasta 2n valores diferentes.
En cualquier sistema de numeracion, el valor de los dígitos depende de la posición en que se encuentren.
En el sistema decimal, por ejemplo, el dígito 3 puede valer 3 si está en la posición de las unidades, pero vale 30 si está en la posición de las decenas, y 300 si está en la posición de las centenas.
Generalizando, cada vez que nos movemos una posición hacia la izquierda el dígito vale 10 veces más, y cada vez que nos movemos una posición hacia la derecha, vale 10 veces menos. Esto también es aplicable a números con decimales.
Por tanto, el número 153,7 en realidad es: 1 centena + 5 decenas + 3 unidades + 7 décimas, es decir:
100 + 50 + 3 + 0,7 = 153,7.
En el sistema binario es similar, excepto que cada vez que un dígito binario (bit) se desplaza una posición hacia la izquierda vale el doble (2 veces más), y cada vez que se mueve hacia la derecha, vale la mitad (2 veces menos).
Por ejemplo la representacion del número 19:
16 + 2 + 1 = 19
Es decir que el numero binario que representa el numero decimal 19 es: 10011
Byte u octeto es una secuencia de bits contiguos, cuyo tamaño depende del codigo de informacion o codigo de caracteres en que sea definido.
Se usa comúnmente como unidad básica de almacenamiento de datos en combinación con los prefijos de cantidad. Originalmente el byte fue elegido para ser un submúltiplo del tamaño de palabra de un ordenador, desde cinco a doce bits. La popularidad de la arquitectura IBM S/360 que empezó en los años 60 y la explosión de las microcomputadoras basadas en microprocesadores de 8 bits en los en los años 80 ha hecho obsoleta la utilización de otra cantidad que no sean 8 bits. El término "octeto" se utiliza ampliamente como un sinónimo preciso donde la ambigüedad es indeseable.
Un conjunto de bits, como por ejemplo un byte representa un conjunto de elementos ordenados. Se llama bit mas significativo (MSB) al bit que tiene un mayor peso (mayor valor) dentro del conjunto, análogamente, se llama bit menos significativo (LSB) al bit que tiene un menor peso dentro del conjunto.
En un Byte, el bit más significativo es el de la posición 7, y el menos significativo es el de la posición 0.
Tomemos, por ejemplo, el número decimal 27 codificado en forma binaria en un octeto:
Cuando se habla de CPUs o microprocesadores de 4, 8, 16, 32, 64 bits, se refiere al tamaño, en número de bits, que tienen los registros internos del procesador y también a la capacidad de procesamiento de la Unidad Aritmetico Logica (ALU). Un microprocesador de 4 bits tiene registros de 4 bits y la ALU hace operaciones con los datos en esos registros de 4 bits, mientras que un procesador de 8 bits tiene registros y procesa los datos en grupos de 8 bits.
Los procesadores de 16, 32 y 64 bits tienen registros y ALU de 16, 32 y 64 bits respectivamente, y generalmente pueden procesar los datos, tanto en el tamaño en bits de sus registros como, dependiendo que su diseño lo permita, en determinados submúltiplos de éstos.
VENTAJAS DE LAS SEÑALES DIGITALES SOBRE LAS ANALOGICAS
a) Cuando una señal digital es atenuada o experimenta perturbaciones leves, puede ser reconstruida y amplificada mediante sistema de regeneracion de señales.
b) Cuenta con sistemas de detecion y errores, que se utilizan cuando la señal llega al receptor; entonces comprueban (uso de redundancia) la señal, primero para detectar algún error, y, algunos sistemas, pueden luego corregir alguno o todos los errores detectados previamente.
c) Facilidad para el procesamiento de la señal. Cualquier operación es fácilmente realizable a través de cualquier software de edición o procesamiento de señal.
d) La señal digital permite la multiregeneracion infinita sin pérdidas de calidad.
e) Es posible aplicar técnicas de compresión de datos sin pérdidas o técnicas de compresión con pérdidas basados en la codificación perceptual mucho más eficientes que con señales analógicas.
DESVENTAJAS DE LAS SEÑALES DIGITALES
Se necesita una conversión analógica-digital previa y una decodificación posterior, en el momento de la recepción.
Si no se emplea un número suficiente de niveles de cuantificación en el proceso de digitalización, la relación señal a ruido resultante se reducirá con relación a la de la señal analógica original que se cuantificó. Esto es conocido como error de cuantificacion.
Se hace necesario emplear siempre un filtro activo analógico pasa bajo sobre la señal a muestrear con objeto de evitar el fenómeno conocido como aliasing.
Sub Conversión Analógico Digital
La tecnica de una conversion de una señal analogica a otra digital son los siguientes:
Muestreo
Cuantificacion
Codificacion
Muestreo
El muestreo (en inglés, sampling) consiste en tomar muestras periódicas de la amplitud de onda. La velocidad con que se toma esta muestra, es decir, el número de muestras por segundo, es lo que se conoce como frecuencia de muestreo.
Cuantificacion
En el proceso de cuantificación se mide el nivel de voltaje de cada una de las muestras. Consiste en asignar un margen de valor de una señal analizada a un único nivel de salida.
CodificacionLa codificación consiste en traducir los valores obtenidos durante la cuantificación al codigo binario.
Durante el muestreo, la señal aún es analógica, puesto que aún puede tomar cualquier valor. No obstante, a partir de la cuantificación, cuando la señal ya toma valores finitos, la señal ya es digital.
Los pasos en el proceso de conversion de una señal analogica a digital:
Establecidas las diferencias entre las señales analogicas y las digitales,es necesario analizar la manera de convertir una señal analogica a su contrapartida la digital.
Pero antes de eso conviene describir las razones de la conveniencia de la digitalizacion de una señal analogica
Hemos visto que las señales analogicas a transmitirse por cualquier medio se atenuan, y distorsionan por efecto de interferencias,distintos tipos de ruido,etc.
Por lo tanto la alternativa de amplificar la señal no es una solucion efectiva,debido a que en el proceso de amplificacion se incrementa tambien el ruido que se puede considerar como otra señal superpuesta a la original.
No sucede lo mismo con las señales digitales como puede demostrarse.
Según el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, para poder replicar con exactitud (es decir, siendo matemáticamente reversible en su totalidad) la forma de una onda es necesario que la frecuencia de muestreo sea superior al doble de la máxima frecuencia a muestrear.
Para la conversion adecuada de analogico a digital de una señal de voz (teniendo en cuenta que según estadisticas mundiales varia entre 300 y 3400 Hz ) se utilizan 8.000 muestras por segundo.
En audio, la máxima audiofrecuencia perceptible para el oido humano joven y sano está en torno a los 20 kHz, por lo que teóricamente una frecuencia de muestreo de 40000 sería suficiente para su muestreo; no obstante, el estándar introducido por el CD, se estableció en 44100 muestras por segundo
Se define como error de cuantificación o ruido de cuantificación a la señal en tiempo discreto y amplitud continua introducida por el proceso de cuantificacion (uno de los procesos que intervienen en la conversion analogica digital), que sigue al de muestreo y precede al de codificacion) y que resulta de igualar los niveles de las muestras de amplitud continua a los niveles de cuantificación más próximos.
Una vez cuantificadas las muestras podrán ser codificadas ya que siempre se podrá establecer una correspondencia biunívoca entre cada nivel de cuantificación y un número entero. Para el caso del cuantificador ideal se trata del único error que introduce el proceso.
Teóricamente, la cuantificación de las señales analógicas resulta siempre en una pérdida de información (incluso en su caso ideal).
Éste es el resultado de la ambigüedad introducida por la cuantificación. De hecho, la cuantificación es un proceso no reversible, dado que a todas las muestras a un intervalo inferior a ?/2 de un determinado nivel se les asignan el mismo valor.
En las siguientes figuras se puede visualizar las diferencias entre una señal continua (analogica) y su salida del proceso de cuantificacion
Muestreo y cuantificación de una onda senoidal en código de 4-bits
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