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Comunicación digital – Guía rápida

octubre 16, 2021
necessity of digitization

La comunicación que se da en nuestro día a día es en forma de señales. Estas señales, como las señales de sonido, en general, son de naturaleza analógica. Cuando la comunicación debe establecerse a distancia, las señales analógicas se envían por cable, utilizando diferentes técnicas para una transmisión eficaz.

La necesidad de la digitalización

Los métodos convencionales de comunicación utilizaban señales analógicas para comunicaciones de larga distancia, que sufren muchas pérdidas como distorsión, interferencia y otras pérdidas, incluida la brecha de seguridad.

Para superar estos problemas, las señales se digitalizan utilizando diferentes técnicas. Las señales digitalizadas permiten que la comunicación sea más clara y precisa sin pérdidas.

La siguiente figura indica la diferencia entre señales analógicas y digitales. Las señales digitales constan de 1 s y 0 s que indican valores altos y bajos respectivamente.

Necesidad de digitalización

Ventajas de la comunicación digital

A medida que las señales se digitalizan, existen muchas ventajas de la comunicación digital sobre la comunicación analógica, tales como:

  • El efecto de la distorsión, el ruido y la interferencia es mucho menor en las señales digitales, ya que se ven menos afectadas.

  • Los circuitos digitales son más fiables.

  • Los circuitos digitales son fáciles de diseñar y más baratos que los circuitos analógicos.

  • La implementación del hardware en circuitos digitales es más flexible que la analógica.

  • La ocurrencia de diafonía es muy rara en la comunicación digital.

  • La señal no se altera ya que el pulso necesita una gran perturbación para alterar sus propiedades, lo cual es muy difícil.

  • Las funciones de procesamiento de señales, como el cifrado y la compresión, se emplean en circuitos digitales para mantener el secreto de la información.

  • La probabilidad de que ocurra un error se reduce empleando códigos de detección y corrección de errores.

  • La técnica de espectro ensanchado se utiliza para evitar la interferencia de la señal.

  • La combinación de señales digitales mediante la multiplexación por división de tiempo (TDM) es más fácil que la combinación de señales analógicas mediante la multiplexación por división de frecuencia (FDM).

  • El proceso de configuración de señales digitales es más fácil que las señales analógicas.

  • Las señales digitales se pueden guardar y recuperar de manera más conveniente que las señales analógicas.

  • Muchos de los circuitos digitales tienen técnicas de codificación casi comunes y, por lo tanto, se pueden usar dispositivos similares para varios propósitos.

  • La capacidad del canal se utiliza eficazmente mediante señales digitales.

Elementos de la comunicación digital

Los elementos que forman un sistema de comunicación digital están representados por el siguiente diagrama de bloques para facilitar su comprensión.

Comunicación digital

A continuación se muestran las secciones del sistema de comunicación digital.

Fuente

La fuente puede ser un cosa análoga señal. Ejemplo: Una señal de sonido

Transductor de entrada

Este es un transductor que toma una entrada física y la convierte en una señal eléctrica (Ejemplo: micrófono). Este bloque también consta de un análogo a digital convertidor donde se necesita una señal digital para procesos posteriores.

Una señal digital generalmente se representa mediante una secuencia binaria.

Codificador de fuente

El codificador de origen comprime los datos en un número mínimo de bits. Este proceso ayuda a la utilización eficaz del ancho de banda. Elimina los bits redundantes (bits en exceso innecesarios, es decir, ceros).

Codificador de canal

El codificador de canal realiza la codificación para la corrección de errores. Durante la transmisión de la señal, debido al ruido en el canal, la señal puede alterarse y, por lo tanto, para evitar esto, el codificador de canal agrega algunos bits redundantes a los datos transmitidos. Estos son los bits de corrección de errores.

Modulador digital

La señal a transmitir es modulada aquí por una portadora. La señal también se convierte a analógica desde la secuencia digital, para hacerla viajar a través del canal o medio.

Canal

El canal o medio permite que la señal analógica se transmita desde el extremo del transmisor al extremo del receptor.

Demodulador digital

Este es el primer paso en el extremo del receptor. La señal recibida se demodula y se convierte nuevamente de analógica a digital. La señal se reconstruye aquí.

Decodificador de canal

El decodificador de canal, después de detectar la secuencia, realiza algunas correcciones de errores. Las distorsiones que pueden ocurrir durante la transmisión se corrigen agregando algunos bits redundantes. Esta adición de bits ayuda a la recuperación completa de la señal original.

Decodificador de fuente

La señal resultante se vuelve a digitalizar mediante muestreo y cuantificación para que la salida digital pura se obtenga sin pérdida de información. El decodificador de origen recrea la salida de origen.

Transductor de salida

Este es el último bloque que convierte la señal a la forma física original, que estaba en la entrada del transmisor. Convierte la señal eléctrica en salida física (Ejemplo: altavoz).

Señal de salida

Esta es la salida que se produce después de todo el proceso. Ejemplo – La señal de sonido recibida.

Esta unidad se ha ocupado de la introducción, la digitalización de señales, las ventajas y los elementos de las comunicaciones digitales. En los próximos capítulos, aprenderemos sobre los conceptos de las comunicaciones digitales, en detalle.

Modulación es el proceso de variar uno o más parámetros de una señal portadora de acuerdo con los valores instantáneos de la señal del mensaje.

La señal de mensaje es la señal que se transmite para la comunicación y la señal portadora es una señal de alta frecuencia que no tiene datos, pero se utiliza para la transmisión de larga distancia.

Existen muchas técnicas de modulación, que se clasifican según el tipo de modulación empleada. De todas ellas, la técnica de modulación digital utilizada es Modulación de código de pulso (PCM).

Una señal es modulada por código de pulso para convertir su información analógica en una secuencia binaria, es decir, 1 s y 0 s. La salida de un PCM se parecerá a una secuencia binaria. La siguiente figura muestra un ejemplo de salida PCM con respecto a valores instantáneos de una onda sinusoidal determinada.

Modulación de código de pulso

En lugar de un tren de pulsos, PCM produce una serie de números o dígitos y, por lo tanto, este proceso se denomina como digital. Cada uno de estos dígitos, aunque en código binario, representa la amplitud aproximada de la muestra de señal en ese instante.

En la modulación por código de pulsos, la señal del mensaje está representada por una secuencia de pulsos codificados. Esta señal de mensaje se logra representando la señal en forma discreta tanto en tiempo como en amplitud.

Elementos básicos de PCM

La sección del transmisor de un circuito modulador de código de impulsos consta de Muestreo, cuantificación y Codificación, que se realizan en la sección del convertidor de analógico a digital. El filtro de paso bajo antes del muestreo evita el alias de la señal del mensaje.

Las operaciones básicas en la sección del receptor son regeneración de señales deterioradas, decodificación, y reconstrucción del tren de pulsos cuantificado. A continuación se muestra el diagrama de bloques de PCM que representa los elementos básicos de las secciones del transmisor y del receptor.

Elementos básicos de PCM

Filtro de paso bajo

Este filtro elimina los componentes de alta frecuencia presentes en la señal analógica de entrada que es mayor que la frecuencia más alta de la señal del mensaje, para evitar el alias de la señal del mensaje.

Dechado

Ésta es la técnica que ayuda a recolectar los datos de muestra en valores instantáneos de la señal del mensaje, para reconstruir la señal original. La frecuencia de muestreo debe ser superior al doble del componente de frecuencia más alta. W de la señal del mensaje, de acuerdo con el teorema de muestreo.

Cuantificador

La cuantificación es un proceso de reducción de bits excesivos y confinamiento de datos. La salida muestreada cuando se le da a Quantizer, reduce los bits redundantes y comprime el valor.

Codificador

La digitalización de la señal analógica la realiza el codificador. Designa cada nivel cuantificado mediante un código binario. El muestreo que se realiza aquí es el proceso de muestreo y retención. Estas tres secciones (LPF, Sampler y Quantizer) actuarán como un convertidor de analógico a digital. La codificación minimiza el ancho de banda utilizado.

Repetidor regenerativo

Esta sección aumenta la fuerza de la señal. La salida del canal también tiene un circuito repetidor regenerativo, para compensar la pérdida de señal y reconstruir la señal, y también para aumentar su fuerza.

Descifrador

El circuito decodificador decodifica la forma de onda codificada por pulsos para reproducir la señal original. Este circuito actúa como demodulador.

Filtro de reconstrucción

Después de que el circuito regenerativo y el decodificador realizan la conversión de digital a analógico, se emplea un filtro de paso bajo, llamado filtro de reconstrucción para recuperar la señal original.

Por lo tanto, el circuito modulador de código de pulso digitaliza la señal analógica dada, la codifica y muestrea, y luego la transmite en forma analógica. Todo este proceso se repite en un patrón inverso para obtener la señal original.

Muestreo se define como, «El proceso de medir los valores instantáneos de la señal de tiempo continuo en una forma discreta».

Muestra es un dato tomado de todos los datos que es continuo en el dominio del tiempo.

Cuando una fuente genera una señal analógica y si hay que digitalizarla, habiendo 1 s y 0 s es decir, alta o baja, la señal debe discretizarse en el tiempo. Esta discretización de la señal analógica se denomina muestreo.

La siguiente figura indica una señal de tiempo continuo x
Señal de tiempo continuo y muestreada

Tasa de muestreo

Para discretizar las señales, se debe arreglar el espacio entre las muestras. Esa brecha puede denominarse período de muestreo Ts.

$$ Muestreo : Frecuencia = frac {1} {T_ {s}} = f_s $$

Dónde,

Frecuencia de muestreo es el recíproco del período de muestreo. Esta frecuencia de muestreo, se puede llamar simplemente como Tasa de muestreo. La frecuencia de muestreo denota el número de muestras tomadas por segundo, o para un conjunto finito de valores.

Para que una señal analógica se reconstruya a partir de la señal digitalizada, la frecuencia de muestreo debe tenerse muy en cuenta. La velocidad de muestreo debe ser tal que los datos de la señal del mensaje no se pierdan ni se superpongan. Por lo tanto, se fijó una tasa para esto, llamada tasa de Nyquist.

Tasa de Nyquist

Suponga que una señal está limitada por banda sin componentes de frecuencia superiores a W Hertz. Eso significa, W es la frecuencia más alta. Para tal señal, para una reproducción efectiva de la señal original, la frecuencia de muestreo debe ser el doble de la frecuencia más alta.

Lo que significa,

$$ f_S = 2W $$

Dónde,

Esta tasa de muestreo se denomina Tasa de Nyquist.

Un teorema llamado, Teorema de muestreo, se estableció en la teoría de esta tasa de Nyquist.

Teorema de muestreo

El teorema de muestreo, que también se llama Teorema de Nyquist, ofrece la teoría de una frecuencia de muestreo suficiente en términos de ancho de banda para la clase de funciones con limitación de banda.

El teorema de muestreo establece que, «una señal se puede reproducir exactamente si se muestrea a la velocidad Fs que es mayor que el doble de la frecuencia máxima W. «

Para comprender este teorema de muestreo, consideremos una señal de banda limitada, es decir, una señal cuyo valor es distinto de cero entre algunos –W y W Hertz.

Tal señal se representa como $ x (f) = 0 : para : mid f mid> W $

Para la señal de tiempo continuo x
Teorema de muestreo

Necesitamos una frecuencia de muestreo, una frecuencia en la que no debería haber pérdida de información, incluso después del muestreo. Para esto, tenemos la tasa de Nyquist de que la frecuencia de muestreo debe ser dos veces la frecuencia máxima. Es la tasa crítica de muestreo.

Si la señal x

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