- Medios de
transmisión - Líneas abiertas de dos
hilos - Microondas
terrestres - Radio
- Fuentes de atenuación y
distorsión - Atenuación
- Ancho de banda
limitado - Distorsión por
retardo - Ruido
- Contaminación
Electromagnética: ¿Un problema
ecológico? - Consideraciones
básicas - Planteo
ecológico
Para poder
transmitir datos binarios
por una línea de transmisión es preciso convertir
en señales eléctricas los dígitos binarios
que componen cada uno de los elementos por transmitir. Por
ejemplo, podemos transmitir un 1 binario aplicando una
señal (o nivel) de voltaje con amplitud de +V volts
al terminal de salida de una línea de transmisión,
y un 0 binario, aplicando –V volts. Al recibir estas
señales, el dispositivo receptor interpreta +V
volts como un 1 binario y -V volts como un 0
binario.
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FIGURA
2.1
En la práctica, el
medio de transmisión atenúa (reduce) y
distorsiona (deforma) las señales eléctricas
transmitidas, hasta el punto en que el receptor no puede
distinguir entre las señales de 1 y 0 binarios, como se
aprecia en la figura 2.1.
El grado de atenuación y distorsión de la
señal depende en buena medida de:
·
el tipo de medio de transmisión;
·
la tasa de bits de los datos transmitidos;
·
la distancia entre los dos dispositivos en comunicación.
Como es posible cuantificar la distorsión y la
atenuación para los distintos tipos de medios de
transmisión y las diferentes separaciones
físicas, se han definido normas
internacionales para la interfaz eléctrica entre dos
equipos de comunicación de datos. Estas normas no
sólo definen los niveles de señal eléctrica
que debe usarse, sino también el empleo y
significado de cualesquiera señales y convenciones de
control
adicionales que se utilicen en la interfaz física.
Los dos organismos que formulan normas para
interconectar equipo de comunicación de datos son la
Unión Internacional de Telecomunicaciones – Sector Telecomunicaciones
(ITU-T: International Telecommunications Union –
Telecommunications Sector) – que antes era el
Comité consultor internacional de teléfonos y
telégrafos
(CCITT)- en Europa y la
Electrical Industries Associafion (EIA:
Asociación de industrias
eléctricas) en Estados Unidos.
Aunque las normas definidas por ambos organismos cuentan con
terminologías un poco distintas, las señales
básicas y su significado son los mismos.
Este capítulo se divide en seis secciones:
en las dos primeras se describen los medios de
transmisión de uso más generalizado, y en las dos
siguientes, las diferentes formas de señales
eléctricas; en la quinta sección se describen las
características de los circuitos de
portadora pública, y en la sexta, algunos aspectos
adicionales de las normas de interfaz de capa física
más comunes. Aunque en casi todos los casos consideraremos
la interfaz de un computador con
las diferentes interfaces de comunicación de datos, lo
normal es usar el término más general de equipo
terminal de datos (DTE: data terminal equi4>ment) en
lugar de computador, ya que implica cualquier tipo de
equipo.
Para transmitir una señal
eléctrica se requiere un medio de transmisión que
normalmente es una línea de transmisión. En
algunos casos, dicha línea consiste en un par de
conductores o alambres (hilos). Las alternativas más
comunes son un rayo de luz guiado por
una fibra de vidrio y ondas
electromagnéticas que se propagan por el espacio libre. El
tipo de medio de transmisión es importante, ya que
determina el número máximo de bits (dígitos
binarios) que es posible transmitir cada segundo (bits por
segundo, bps). En las subsecciones siguientes analizaremos los
tipos más comunes de medios de
transmisión.
2.1.1
Líneas abiertas de dos hilos
Una línea abierta de dos hilos es
el medio de transmisión más simple. Cada uno de los
dos alambres está aislado del otro y ambos están
abiertos al espacio libre. Este tipo de línea es apropiado
para conectar equipo con una separación de hasta 50 m
cuando se utilizan tasas de bits moderadas (de menos de 19.2
kbps, digamos). La señal, por lo regular un nivel de
voltaje o corriente relativo a cierta referencia de tierra, se
aplica a un alambre, y la referencia de tierra se aplica al
otro.
Aunque es posible conectar directamente dos
computadoras
(DTE) con líneas abiertas de dos hilos, su uso principal
es conectar un DTE a un equipo terminal del circuito de datos
(DCE: data circuit-terminating equipment) local, por
ejemplo un módem. En este tipo de conexiones por lo
regular se emplean lineas múltiples, y la
disposición más generalizada es un alambre aislado
individual para cada señal y un solo alambre para la
referencia de tierra común. Por ello, el conjunto de
alambres se encierra en un solo cable mulfihilo protegido
o se moldea para producir un cable plano, como se ilustra en la
figura 2.2(a).
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FIGURA
2.2a
Con este tipo de línea, hay que tratar de
evitar que en el mismo cable haya un acoplamiento cruzado de las
señales eléctricas entre alambres adyacentes. A
esta interferencia se le conoce como diafonía, y es
provocada por el acoplamiento capacitivo entre los dos hilos.
Además, su estructura
abierta lo hace susceptible de captar señales de
ruido
espurias de otras fuentes de
señales eléctricas, producidas por alguna radiación
electromagnética. El problema principal con las
señales de este tipo es que podrían ser captadas en
un solo alambre – por ejemplo, el alambre de señal- y
crear una diferencia de señal adicional entre ambos
alambres.
Puesto que el receptor normalmente funciona
basándose en la diferencia de señal entre los dos
alambres, esto puede conducir a una interpretación errónea de la
señal recibida combinada (señal más ruido).
Todos estos factores contribuyen a limitar la longitud de las
líneas y las tasas de bits con las que obtenemos
resultados confiables.
Todos los medios de transmisión vistos
hasta ahora se valen de una línea fisica para transportar
la información transmitida. Sin embargo, los
datos también pueden transmitirse por medio de ondas
electromagnéticas (de radio) a
través del espacio libre, como en los sistemas por
satélite. Un haz de microondas
colimado, sobre el cual se modulan los datos, se transmite al
satélite desde la superficie terrestre. Este haz se recibe
y retransmite (reenvía) al destino o destinos previamente
determinados mediante un circuito a bordo del satélite
denominado transpondedor. Cada satélite tiene
muchos transpondedores, cada uno de los cuales cubre una banda de
frecuencias determinada.
Un canal de satélite representativo tiene
un ancho de banda extremadamente alto (500 MHz) y puede enlazar
centenas de datos con alta tasa de bits mediante una
técnica llamada multiplexión. En la
sección 2.5.2 describiremos esto pero digamos que,
en esencia, la capacidad total disponible del canal se divide en
varios subcanales, que pueden sustentar, cada uno, un enlace de
alta tasa de bits.
Por lo regular, los satélites dedicados
a~las comunicaciones
son geostacionanos; esto quiere decir que el satélite
completa una órbita terrestre cada 24 horas, en
sincronía con la rotación del planeta, así
que desde la superficie parece mantener una posición
estacionaria. La órbita del satélite se escoge de
modo que haya un camino de comunicación en línea
recta entre la o las estaciones transmisoras y la o las
estaciones receptoras. El grado de colimación del haz de
microondas retransmitido por el satélite puede ser grueso,
para que la señal se pueda captar en un área
geográfica extensa, o finamente enfocado, para que
sólo pueda captarse en un área limitada. En el
segundo caso la potencia de la
señal es más alta, lo que permite usar receptores
de diámetro más pequeño, llamados antenas o
parabólicas – también conocidos como terminales de
abertura muy pequeña (VSAT: very small aperture
terminals-. Es muy común utilizar los satélites
para aplicaciones de transmisión de datos que van desde la
interconexión de diferentes redes nacionales de
comunicación de computadores hasta el suministro de
caminos de alta tasa de bits para enlazar redes de
comunicación en diferentes áreas del mismo
país.
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FIGURA 2.4
En la figura 2.4(a) se ilustra un sistema de
satélite representativo. Sólo se muestra un camino
de transmisión unidireccional, pero en casi todas las
aplicaciones prácticas se emplea un camino dúplex
en el que los canales ascendente y descendente asociados a cada
estación terrena operan a distinta frecuencia.
Otras configuraciones comunes tienen una estación
terrestre central que se comunica con varias estaciones
terrestres de VSAT distribuidas en todo el país. Por lo
regular, un computador está conectado a cada VSAT y puede
comunicarse con un computador central conectado a la
estación central, como se aprecia en la figura 2.4(b). Lo
más común es que el sitio central transmita a todas
las VSAT en una misma frecuencia, pero cada VSAT transmita en la
dirección opuesta en una frecuencia
distinta.
Para lograr la
comunicación con una VSAT especifico el sitio central
transmite el mensaje incluyendo, como cabecera, la identidad de
la VSAT de destino. En aplicaciones que requieren una
comunicación VSAT-VSAT, todos los mensajes se
envían primero al sitio central-vía
satélite-, el cual, a continuación, los transmite a
su destinatario. Con la siguiente generación de
satélites de alta potencia se podrá realizar el
enrutamiento a bordo del satélite sin pasar por un sitio
central. Esto hará posible la
co7unicación directa entre dos VSAT.
Se ha difundido mucho el uso de enlaces
terrestres de microondas para establecer enlaces de
comunicación, cuando no resulta práctico o
costeable instalar medios de transmisión fisicos; por
ejemplo, de un lado a otro de un río o quizá un
pantano o un desierto. Debido a que el haz de microondas colimado
viaja a través de la atmósfera, puede
sufrir perturbaciones por factores como construcciones o
condiciones climáticas adversas. En cambio, con un
enlace por satélite el principal medio de
transmisión del haz es el espacio libre y por tanto es
menos propenso a sufrir tales efectos. No obstante, la
comunicación por microondas en línea recta a
través de la atmósfera terrestre puede ser
confiable hasta distancias de más de 50
kilómetros.
También se usan ondas de
radio de baja frecuencia en lugar de enlaces fijos para
cubrir distancias más modestas con transmisores y
receptores terrestres. Estas ondas pueden servir, por ejemplo,
para conectar muchos computadores de recolección
de datos distribuidos en un área rural extensa con un
computador remoto encargado de almacenar y monitorizar los datos,
o para conectar computadores (o terminales computarizadas) de una
ciudad o una metrópoli con un computador local o
remoto.
Como el costo de instalar
cables fijos para tales aplicaciones sería muy alto, a
menudo se usan ondas de radio para establecer un enlace
inalámbrico entre un punto de terminación de
cable fijo y los computadores distribuidos.
Como se ilustra en la figura 2.5(a), en el punto
de terminación del cable fijo se coloca un transmisor de
radio (denominado estación base) que establece un
enlace inalámbrico entre cada uno de los computadores y el
sitio central.
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FIGURA 2.5
En el caso de aplicaciones que requieren una mayor
área de cobertura o que tienen una mayor densidad de
usuarios hay que emplear estaciones de múltiples bases. El
área de cobertura de cada estación es restringida –
al limitar su potencia de salida- de modo que sólo
proporciona suficientes canales para sustentar la carga total de
esa área. La cobertura se amplía si se dispone de
varias estaciones base en una estructura celular como se muestra
en la figura 2.5(b). En la práctica, el
tamaño de cada celda varía y está
determinado por factores como la densidad de terminales y la
topografía local.
Cada estación base trabaja con una banda de
frecuencias distinta de la de sus vecinas, pero como el campo de
cobertura de cada estación base es limitado, es factible
reutilizar su banda de frecuencias en otras partes de la red. Las estaciones base se
conectan con la red fija igual que la estación base
única. Por lo regular, la tasa de bits con que pueden
transmitir los computadores dentro de una celda es del orden de
decenas de kilobits por segundo.
Para contar con enlaces inalámbricos a los
equipos computarizados de cada oficina podemos
servirnos de un arreglo similar en un mismo edificio. En estos
casos se sitúa una o más estaciones base en cada
piso del edificio y se conectan a la red fija. Cada
estación base proporciona enlaces inalámbricos con
la red fija a todos los computadores que están en su campo
de alcance. Con ello no es necesario cambiar el cableado cada vez
que se instala o cambia de lugar un computador, a expensas de
tener que adquirir unidades de radio que conviertan los datos en
señales de radio, y viceversa. En muchos casos, la tasa de
bits utilizable es más baja que la del cableado
fijo.
2.2 Fuentes
de atenuación y distorsión
En la figura 2.6 se ilustran los diversos efectos
de atenuación y distorsión que pueden degradar una
señal durante su transmisión. Cualquier
señal transportada por un medio de transmisión
acusa efectos de atenuación, ancho de banda limitado,
distorsión de retardo y ruido. Aunque todos estos factores
se presentan y producen un efecto combinado, consideraremos cada
uno de estos deterioros por separado.
Conforme una señal se propaga por un medio
(línea) de transmisión, su amplitud disminuye. A
esto se le llama atenuación de la señal. En
condiciones normales, para corregir la atenuación, se
establece un límite a la longitud del cable que puede
usarse, para así garantizar que los circuitos receptores
podrán detectar e interpretar con confiabilidad la
señal atenuada recibida. Si el cable es más largo,
se inserta uno o más amplificadores – también
llamados repetidores- a intervalos a lo largo del cable a fin de
restablecer la señal recibida a su nivel
original.
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FIGURA 2.6
La atenuación de la señal aumenta con la
frecuencia, y como una señal comprende un intervalo de
frecuencias, también se distorsiona. Para resolver este
problema, se diseñan los amplificadores de modo que
amplifiquen las señales de distintas frecuencias en grados
diferentes. Como alternativa, se pueden usar los dispositivos
llamados ecualizadores para igualar la atenuación dentro
de una banda de frecuencias definida.
Todo canal de comunicación/medio de
transmisión – alambre de par trenzado, cable coaxial,
radio, etc.- tiene un ancho de banda definido asociado a
él que especifica la banda de componentes de frecuencia
senoidal que el canal transmitirá sin atenuación.
Por ello, al transmitir datos por un canal, necesitaremos
cuantificar el efecto que tendrá el ancho de banda del
canal sobre la señal de datos transmitida.
Podemos valernos de la técnica matemática
denominada análisis de Fourier para demostrar que
cualquier señal periódica -es decir, una
señal que se repite a intervalos de tiempo
regulares (el periodo)- está formada por una serie
infinita de componentes de frecuencia senoidales. El periodo de
la señal determina la componente de frecuencia
fundamental: el recíproco del periodo en segundos da
la frecuencia en ciclos por segundo (Hz). Las demás
componentes tienen frecuencias que son múltiplos de
ésta y se denominan armónicas de la
fundamental.
Para fines de transmisión existen dos tipos de
señal binaria básicos: unipolar y
bipolar (véase la Sec. 2.3). Con una señal
unipolar, la amplitud de la señal varía entre un
voltaje positivo (digamos +V) y 0 volts. A éstas las
llamamos señales con retorno a cero (Rz:
return-to-zero). Con una señal bipolar, la amplitud
de la señal varia entre un nivel de voltaje positivo y uno
negativo (digamos, entre #V y – V). Éstas son
señales sin retorno a cero (NRZ:
non-return-to-zero). Una señal unipolar tiene un
nivel de señal medio de V/2, en tanto que una
señal bipolar tiene una media de cero. La variación
de amplitud de una señal unipolar es V, y para una
bipolar, 2 V. Estas diferencias producen series de
Fourier ligeramente distintas que, para los dos tipos de
señal, son:
Como por lo regular el ancho de banda de un canal se
mide en hertz, en la figura 2.7(c) lo representamos como una
función
de la frecuencia. En esa figura hay tres alternativas de ancho de
banda: la primera permite el paso sin atenuación de
señales senoidales con frecuencias de hasta fo; la
segunda, hasta 3f0, y la tercera, hasta
5f0. En la práctica, empero, si sólo se
transmite una señal de dos niveles (binaria), el receptor
se limita a muestrear la señal recibida en el centro de
cada intervalo de celda de bit. Esto significa que el receptor
sólo necesita distinguir entre los niveles de 1 y O
binarios en el instante del muestreo, y la
forma exacta de la señal
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FIGURA 2.8
La tasa de propagación de una señal
senoidal a lo largo de una línea de transmisión
varía con la frecuencia de la señal. En
consecuencia, cuando transmitimos una señal digital, las
diversas componentes de frecuencia que la constituyen llegan al
receptor con retrasos variables, y
esto produce una distorsión por retardo de la
señal recibida. La magnitud de la distorsión
aumenta conforme se eleva la tasa de bits de los datos
transmitidos, por la siguiente razón: conforme se
incrementa la tasa de bits, algunas de las componentes de
frecuencia asociadas a cada transición de bit se retrasan
y comienzan a interferir las componentes de frecuencia asociadas
a un bit posterior. La distorsión por retardo
también se conoce como interferencia entre símbolos; su efecto consiste en variar
los instantes de transición de bit de la señal
recibida. Puesto que la señal recibida normalmente se
muestrea en el centro nominal de cada celda de bit, al aumentar
la tasa de bits esto puede ocasionar una interpretación
incorrecta de la señal recibida.
La mejor manera de observar el nivel de
interferencia entre símbolos asociada a un canal de
transmisión es con un diagrama de ojo, de lo cual
se presenta un ejemplo en la figura 2.8. Este diagrama se
obtiene exhibiendo la señal recibida del canal en un
osciloscopio
activado por las transiciones de la señal. Así
pues, suponiendo que la señal recibida contiene
transiciones aleatorias de señal binaria 1 y 0, el
oscíloscopio mostrará todas las posibles
señales superpuestas entre sí. En la figura se
ilustran dos ejemplos. Si no hay interferencia entre
símbolos, la señal tendrá la forma que se
muestra en A, pero sí hay interferencia la
señal será como la de B. Podemos deducir que
cuanto mayor sea el nivel de interferencia, más
pequeña será la sección central, a la que
llamamos ojo.
Cuando no hay señal, en condiciones ideales
una línea o canal de transmisión presenta una
señal eléctrica nula, pero en la práctica la
línea exhibe perturbaciones aleatorias, aun cuando no se
esté transmitiendo ninguna señal. A ello se le
llama nivel de ruido de la línea. En el
límite, al atenuarse una señal transmitida, su
amplitud se reduce a la del ruido (de fondo) de la línea.
Por tanto, uno de los parámetros importantes asociados a
los medios de transmisión es la relación entre la
potencia medía de una señal recibida, 5, y la
potencia del nivel de ruido, N. La relación
SIN se denomina razón señal a ruido
(SNR: signal-to-noise ratio), que suele expresarse en
decibeles; esto es:
SNR = 10 log10( S )
dB.
N
Desde luego, una SNR alta indica que la señal
tiene una potencia alta en relación con el nivel de ruido
prevaleciente, y por tanto tendrá buena calidad. Por otro
lado, una SNR baja implica una señal de baja calidad. La
tasa de información (de datos) máxima
teórica de un canal de transmisión está
relacionada con la SNi~, y podemos determinar dicha tasa con una
fórtnula atribuida a Shannon y Hartley. Esta se conoce
como ley de Shannon-Hartley, y afirma que:
C = W log2 ( 1 + S )
bps,
N
donde C es la tasa de información
(de datos) en bps, W es el ancho de banda de la
línea/canal en Hz, S es la potencia medía de la
señal en watts y N es la potencia del ruido aleatorio en
watts.
Contaminación Electromagnética:
¿Un problema ecológico?
Cien años después de
las experiencias de Guglielmo Marconi en Inglaterra y
posiblemente de Popoff en Rusia, la
humanidad enfrenta una situación novedosa y, a la vez,
preocupante. No es aventurado decir que cualquier actividad
humana está íntimamente relacionada con sistemas
industriales, científicos, médicos, de
comunicaciones de todo tipo, de navegación, de computación, etc, cuyo funcionamiento, de
una manera u otra, depende de la existencia de señales
eléctricas y de ondas electromagnéticas.
Por lo tanto, la cantidad de generadores de campos
electromagnéticos de todo tipo se ha multiplicado en forma
exponencial, cubriendo, prácticamente, todo el
espectro.
La posibilidad de recepción de las señales
deseadas depende de que el sistema emisor "coloque" en el lugar
apropiado una intensidad de campo de nivel suficiente como para
superar el mínimo indispensable para el receptor. Dicho
mínimo depende de una cantidad de factores: tipo de
servicio,
antenas utilizadas, frecuencia, condiciones del entorno, etc, que
excede el objetivo del
presente trabajo.
La presencia de cualquier emisor, deseado o no, se
manifiesta por la existencia de un campo electromagnético,
que es necesario para el funcionamiento del sistema pero que,
también, da lugar a contaminación cuando se lo considera desde
el punto de vista de otros equipos que puedan ser susceptibles a
él.
El campo que abarca el estudio de toda esta
problemática es muy amplio. Hace años que en el
mundo se trata el tema dividiéndolo en sus diferentes
aspectos:
- Se consideran los efectos en tejidos vivos
en general, existiendo dentro de este ámbito, y como es
lógico suponer, muchas áreas distintas aunque
relacionadas. - Por separado, se estudian efectos en cada uno de los
sistemas "hechos por el hombre"
que son o pueden ser susceptibles a este tipo particular de
contaminación.
Es decir, de hecho se ha establecido una clara
separación entre lo que podría considerarse
biofísico y lo que sería
tecnológico.
En primer lugar, debe tenerse presente que desde el
origen mismo de la vida en la tierra, los
seres vivos estuvieron constantemente inmersos en campos
electromagnéticos. Esos campos son naturales, en general
de frecuencias e intensidades muy bajas. Son perfectamente
tolerables, porque la evolución de todos los vegetales y animales,
incluido el hombre, se ha
producido en su presencia.
Los campos artificiales o generados por el hombre suelen
tomar valores varios
órdenes de magnitud superiores, a la vez que sus
intensidades pueden estar varios miles de veces por encima de las
de los naturales. Lógicamente, ya no es dable esperar la
misma adaptabilidad. Además, los seres humanos y muchos
otros animales, especialmente los superiores, no tenemos medios
para detectar campos electromagnéticos (salvo en
frecuencias ópticas), aunque eso está lejos de
significar que no sean afectados: está comprobado que
efectivamente es así, aunque no se ha demostrado sí
en forma positiva o negativa.
Este tipo de radiación se denomina no-ionizante,
porque no provoca la descomposición química de los
elementos constituyentes de la materia en
iones y, por lo tanto, no existe la peligrosa posibilidad de
recombinación.
Como se ha dicho, los campos electromagnéticos
"invaden" sin permiso alguno la vida cotidiana de todos los seres
humanos, en mayor o menor medida, según su hábitat. Desde éste punto de vista
se puede asimilar a una contaminación del medio
ambiente, que reúne algunas características
particulares y peligrosas: su exposición
es ineludible y no pueden ser detectadas por el ser humano de por
sí.
La tendencia de aplicación de las normas de
control, es en lo referente al contralor de las nuevas estaciones
o a las existentes, consideradas como entes individuales.
Éste proceso lo
podemos asimilar a la medición de la
contaminación gaseosa de una fuente contaminante, como
podría ser un automóvil. Es decir, si mantenemos
este paralelismo, es la medición o la
caracterización de emisión de una
fuente contaminante. Pero, en ecología existe un
concepto que
no se aplica en las telecomunicaciones: la
inmisión. Es decir, siguiendo con el ejemplo
del automóvil, una vez que está verificado que el
mismo cumple con las normativas de emisión, debo medir el
nivel de contaminación de todos los vehículos en
puntos alejados de las fuentes contaminantes
particulares.
Las mediciones de inmisión corresponden a los
entes de aplicación gubernamentales, dado que sería
imposible que los costos los
pudiese afrontar alguien en particular.
De igual modo, cabría que los mismos, velaran por
la "inmisión" electromagnética. Es decir,
establecer mediciones periódicas en distintos puntos de la
ciudad a fin de evaluar que la suma de todos los niveles de las
intensidades de campo a las que está sometido el
público, no exceda los máximos establecidos por las
normas.
M.C. Gustavo Lopez 1
Carlos Valdez 2
Mario Vilchis 2
1 Investigador-Académico,
CETYS-Universidad,
Mexicali, B.C.
2 Alumnos investigadores.