Este documento describe los conceptos fundamentales de las señales analógicas y digitales, y la transmisión de información. Explica que los datos pueden ser analógicos o digitales, y las señales son codificaciones eléctricas o electromagnéticas de los datos. También cubre temas como las perturbaciones en la transmisión como la atenuación, distorsión y ruido, y los teoremas de Nyquist y Shannon sobre la capacidad máxima de un canal de transmisión.

1. Transmisión Digital
Material extraído y adaptado de las
laminas para clases de
William Stallings
Tema 2 – Fundamentos de señales
Analogicas y Digitales

2. Transmisión de Información
Analógicos y Digitales
En la transmisión de información se debe tomar
en cuenta la naturaleza de los datos, el medio
físico real utilizado para propagar los datos, y
los procesamientos y ajustes necesarios para
asegurar que el dato recibido sea legible.
Un punto importante a considerar es si se está
trabajando con entidades analógicas o digitales.
Los términos analógicos y digitales son
utilizados frecuentemente en comunicación de
datos en al menos tres contextos: Datos,
Señalización, Transmisión.

3. Transmisión de Datos
Analógicos y Digitales
Las Señales son codificaciones eléctricas o
electromagnéticas de los datos.
La Señalización es el acto de propagar la señal
a través de un medio adecuado.
Transmisión es la comunicación del dato por
medio de la propagación y/o procesamiento de
las señales.

4. Señal Analógica y Digital

5. Señales
Periódicas

6. Características de la onda

7. Variación de la amplitud,
frecuencia y fase en una señal
s(t) = A sin(2ft +)

8. Series de Fourier
La serie de Fourier busca demostrar que
cualquier señal que se repite a intervalos de
tiempo regulares (señal periódica), 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.

9. Series de Fourier
Existen dos tipos de señal binaria básicos:
 Señal unipolar, la amplitud de la señal varía entre un
voltaje positivo (digamos +V) y 0 volts. Son señales con
retorno a cero (Rz: return-to-zero).
 Señal bipolar, la amplitud de la señal varia entre un
nivel de voltaje positivo y uno negativo (digamos, entre
+V y -V). 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, 2V. Estas diferencias producen series
de Fourier ligeramente distintas.

10. Series de Fourier

11. Señal de audio
 Rango de Frecuencia 20Hz-20kHz
(Voz 100Hz-7kHz)
 Fácil de convertir a señales electromagnéticas
 Variación de volumen implica variación en
voltaje

12. Datos Digitales
 Generados por computadores.
 Tienen 2 componentes
 Bandwidth depende de la velocidad de
transmisión

13. Analog Signals

14. Capacidad del canal
Se denomina capacidad del canal a la velocidad a la que se
pueden transmitir los datos en un canal o ruta de comunicación
de datos. Hay cuatro conceptos relacionados con la capacidad,
que son:
 La velocidad de los datos: velocidad expresada en bits por
segundo (bps), a la que se pueden transmitir los datos.
 El ancho de banda: está limitado por el transmisor y por la
naturaleza del medio de transmisión.
 El ruido: el nivel medio de ruido a través del camino de
transmisión.
 La tasa de errores: razón a la que ocurren los errores, donde se
considera un error cuando se recibe un 1 habiendo transmitido un
0 o se recibe un 0 cuando se haya transmitido un 1.

15. Ancho de Banda de Nyquist
 Considere un canal libre de ruidos
 Si la velocidad de transmisión es 2B, entonces una
señal con frecuencia B es suficiente para transmitir
dicha señal.
 Dado un ancho de banda B, la mayor velocidad de
transmisión de la señal es 2B.
 Para transmitir a una velocidad de 2B bps se necesita
B Hz de ancho de banda.
 Se puede incrementar la velocidad de transmisión
usando M niveles en la señal
 Formula de Nyquist: C = 2B log2M

16. Ancho de Banda de Nyquist
Para M=8, y B=3.100Hz, la capacidad resulta
ser 18600 bps.
Por tanto, para un ancho de banda dado, la
velocidad de transmisión de datos se puede
incrementar considerando un número mayor de
señales diferentes. Sin embargo, esto supone
una dificultad mayor en el receptor: en lugar de
tener que distinguir una de entre dos señales,
deberá distinguir una de entre M posibles. El
ruido y otras dificultades en la línea de
transmisión limitan el valor de M.

17. Ancho de Banda de Nyquist

18. Ancho de Banda de Nyquist

19. Perturbaciones en la transmisión
En los sistema de comunicaciones la señal que
se recibe difiere de la señal transmitida debido a
varias adversidades y percances en la
transmisión.
En las señales analógicas, estas dificultades
introducen diversas alteraciones aleatorias que
degradan la calidad de la señal. En las señales
digitales, se producen bits erróneos: un 1 binario
se transformará en un 0 y viceversa. Ahora
examinaremos esas perturbaciones de las
señales.

20. Perturbaciones en la transmisión
Las perturbaciones más significativas son:

21. Perturbaciones en la transmisión
Atenuación
La energía de la señal decae con la distancia en cualquier
medio de transmisión. Se pueden establecer tres
consideraciones respecto a la atenuación:
 La señal recibida debe tener suficiente energía para
que el receptor pueda detectar e interpretar la señal
adecuadamente.
 Para ser recibida sin error, la señal debe conservar un
nivel suficientemente mayor que el ruido.
 La atenuación es una función creciente de la
frecuencia.
Para controlar la energía de la señal se usan
amplificadores o repetidores.

22. Perturbaciones en la transmisión
Distorsión de retardo
Es causada por el hecho de que la velocidad de
propagación de la señal en el medio varía con la
frecuencia, las distintas componentes en frecuencia de la
señal llegarán al receptor en instantes diferentes de
tiempo.
Se llama distorsión de retardo, ya que la señal recibida
está distorsionada debido al retardo variable que sufren
sus componentes. Supóngase que se está transmitiendo
una secuencia de bits usando tanto señales analógicas
como digitales. Debido a la distorsión de retardo, algunas
de las componentes de la señal en un bit se desplazarán
hacia otras posiciones, provocando la interferencia entre
símbolos

23. Perturbaciones en la transmisión
Ruido
Son señales no deseadas que se insertan entre el
emisor y el receptor. El ruido es el factor de mayor
importancia a la hora de limitar las prestaciones de
un sistema de comunicación. El ruido puede
clasificarse según su origen en:
 Ruido térmico
 Ruido de intermodulación
 Diafonía
 Ruido impulsivo

24. Perturbaciones en la transmisión
El ruido térmico se debe a la agitación térmica de
los electrones dentro del conductor. 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 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 en las prestaciones de los sistemas de
comunicación.

25. Perturbaciones en la transmisión
El ruido de intermodulación se produce cuando
señales de distintas frecuencias comparten el
mismo medio de transmisión.
El efecto del ruido de intermodulación es generar
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
frecuencias f1+f2. Estas componentes espurias
podrían interferir con otras a la frecuencia f1+f2.

26. Perturbaciones en la transmisión
La diafonía es el acoplamiento no deseado entre las
líneas que transportan las señales. El mejor ejemplo es
cuando al usar el teléfono escuchamos otra conversación.
Puede ocurrir por el acoplamiento eléctrico entre cables de
pares cercanos, o en raras ocasiones, en líneas de cable
coaxial que porten varias señales.
La diafonía también puede aparecer cuando las señales no
deseadas se captan en las antenas de microondas;
aunque son altamente direccionales, la energía de las
microondas se dispersa durante la transmisión.
Típicamente, la diafonía es del mismo orden de magnitud
que el ruido térmico.

27. Perturbaciones en la transmisión
El ruido impulsivo está constituido por pulsos o
picos irregulares de corta duración y de amplitud
relativamente grande. Se generan por una gran
diversidad de causas, como por ejemplo por
perturbaciones electromagnéticas exteriores
producidas por tormentas atmosféricas, o fallos y
defectos en los sistemas de comunicación.

28. Perturbaciones en la transmisión

29. Capacidad de Shannon
 Existe una relación entre velocidad de transmisión, nivel
de ruido y porcentaje de error en los datos recibidos.
 cuanto mayor es la velocidad de transmisión, mayor es
el daño que puede ocasionar el ruido. Dado un nivel de
ruido, es de esperar que incrementando la energía de la
señal se mejoraría la recepción de datos en presencia
de ruido. Un parámetro fundamental en el desarrollo de
este razonamiento es la relación señal-ruido (S/N), que
se define como el cociente de la potencia de la señal
entre la potencia del ruido presente en un punto
determinado en el medio de transmisión. Usualmente la
S/N se presenta en decibelios.

30. Capacidad de Shannon
(S/N)dB = 10log potencia de señal
potencia de ruido
La expresión muestra en decibelios cuanto excede la
señal al nivel de ruido. Una S/N alta significará una
señal de alta calidad y la necesidad de un reducido
número de repetidores. La relación señal-ruido es
importante en la transmisión de datos digitales ya que
ella establece la máxima velocidad de transmisión que
se puede conseguir. Una conclusión de Shannon es que
la capacidad máxima del canal, en bits por segundo,
verifica la ecuación

31. Capacidad de Shannon
Una conclusión de Shannon es que la capacidad
máxima del canal, en bits por segundo, verifica la
ecuación
C = Wlog2(1 + S/N)
donde C es la capacidad del canal en bits por segundo y
W es el ancho de banda del canal en hertzios.
Por ejemplo, sea un modem que transmite datos
digitales sobre un canal de voz, La capacidad tal como
se ha calculado en la fórmula precedente se denomina
capacidad libre de errores. Shannon probó que si la
tasa de información real en el canal es menor que la
capacidad libre de errores, entonces es posible
teóricamente usar una codificación de la señal que
consiga una transmisión exenta de errores a través del
canal.

32. Ejercicios
Suponga que la imagen de TV será transmitida por un canal
con un ancho de banda de 4.5MHz. y una relación de señal a
ruido de 30dB. Encuentre la capacidad del canal.
R:
W = 4.5 Mhz = 4.500.000 Hz
(S/N)dB = 30dB
C = ?
Siguiendo la Ley de Shannon:
C = W log2(1 + S/N)
Calculamos S/N
(S/N)dB = 10 log10(S/N)  S/N = 10(S/N)db/10 = 1030/10 = 103 = 1000
Luego:
C = 4.5 x 106 x log2(1 + 1000) = 4.5 x 106 x 9,97 = 44,87 Mbps

33. Ejercicios
Ejercicio 2.
Los canales de TV tienen un ancho de banda de 6 MHz.
¿Cuántos bps se pueden enviar, si se utilizan señales
digitales de 4 niveles?. Suponga un canal sin ruido.
R:
C = ?
W = 6 Mhz = 6 x 106 Hz
M = 4
Utilizando el teorema de Nyquist:
C = 2W log2M
C = 2 x 6 x 106 Hz x log24 = 2 x 6 x 106 x 2
= 24 x 106bps = 24 Mbps

34. Ejercicios
Ejercicio 3.
Se requiere que un sistema digital opere a 9600 bps. Si
un elemento de señal codifica una palabra de 4 bits.
¿Cuál debe ser el ancho de banda mínimo del canal?.
R:
C = 9600 bps
W = ?
n = 4 bits
Utilizando el teorema de Nyquist:
C = 2W log2M = 2Wn  W = C/2n
W = 9600/(2 x 4) = 9600 / 8 = 1200 Hz

35. Ejercicios
Ejercicio 4.
Suponga un canal con una capacidad proyectada
de 20 Mbps. El ancho de banda del canal es de
3Mhz. ¿Cuál es el radio de señal a ruido requerido
para obtener dicha capacidad?.
W = 3 Mhz = 3 x 106 Hz
S/N = ?
C = 20 Mpbs = 20 x 106 bps
Siguiendo la Ley de Shannon:
C = W log2(1 + S/N)  S/N = 2C/W – 1
Calculamos S/N
S/N = 2C/W – 1 = 220/3 – 1 = 101,6 – 1 = 100,6dB

36. Ejercicio 5.
¿Cuál es la relación señal/ruido necesaria para un
dispositivo periférico, si la capacidad del canal es de 3
Kbps y un ancho de banda de 500 Hz
R:
W = 500 Hz
S/N = ?
C = 3 Kpbs = 3000 pbs
Siguiendo la Ley de Shannon:
C = W log2(1 + S/N)  S/N = 2C/W – 1
Calculamos S/N
S/N = 2C/W – 1 = 23000/500 – 1 = 230/5 – 1 = 26 – 1 = 64 – 1
= 63
Luego S/N = 63dB

37. Transmisión de Datos
La transmisión de datos depende
principalmente de 2 factores; La
calidad de la señal a transmitir y el
medio de transmisión

38. Transmisión de Datos
 La transmisión de datos ocurre entre dos
puntos (origen y destino) a través de algún
medio de transmisión.
 Medio de transmisión guiado
 Par trenzado, cable coaxial, fibra óptica
 Medio de transmisión no guiado
 Microondas, Satélites

39. Transmisión de Datos
Transmisión guiada
 Configuración punto a punto
• Enlace directo, sin dispositivos intermedios
• Solo 2 dispositivos comparten el enlace
 Configuración multipunto
• Mas de 2 dispositivos comparten el medio de
transmisión

40. Transmisión de Datos
 simplex
 La señal viaja en una sola dirección
• Televisión, radio
 half duplex
 Ambas estaciones pueden transmitir, pero solo una a
la vez
• Radios (radio aficionados)
 full duplex
 Ambas estaciones pueden transmitir al mismo tiempo
• teléfonos

41. Transmisión de Datos
 Señal: Es la codificación eléctrica o
electromagnética de los datos.
 Dominio de tiempo: Es la representación de una
señal como función del tiempo
 Dominio de la Frecuencia: Es la representación de
una señal como función de su frecuencias.
 Espectro de la señal: Es el rango de frecuencias
componentes que contienen la señal.
 Ancho de banda: Es el ancho del espectro, es
decir, la diferencia entre las componentes de
frecuencia mayor y menor en el espectro.

42. Transmisión de Datos
 Amplitud (A): Es el valor pico o potencia de la
señal en el tiempo; típicamente medida en
voltios o vatios.
 Frecuencia (f): Es la rata (en ciclos por
segundos o Hertz (Hz)) a la cual la señal se
repite.
 Período (T): Es un parámetro inverso de la
frecuencia y representa el tiempo que toma
completar un ciclo de la señal.
 Fase: Es una medida de la posición relativa de
la señal con respecto al tiempo dentro de un
solo período de la señal.

43. Tipos de Transmisión de Datos
Transmisión en Paralelo en la transmisión de datos entre
computadores y terminales mediante cambios de corriente
o tensión por medio de cables o canales; la transferencia
de datos es en paralelo si transmitimos un grupo de bits
sobre varias líneas o cables.
En la transmisión de datos en paralelo cada bit de un
carácter se transmite sobre su propio cable. En la
transmisión de datos en paralelo hay un cable adicional en
el cual enviamos una señal llamada reloj; esta señal le
indica al receptor cuando están presentes todos los bits
para que se puedan tomar muestras de los bits o datos
que se transmiten y además sirve para la temporización
que es decisiva para la correcta transmisión y recepción de
los datos.

44. Tipos de Transmisión de Datos
Transmisión en Paralelo
La transmisión de datos en paralelo se utiliza en sistemas
digitales que se encuentran colocados unos cerca del otro,
además es mucho más rápida que la serie, pero además
es mucho más costosa

45. Tipos de Transmisión de Datos
Transmisión en Serie los bits se trasladan uno detrás del
otro sobre una misma línea, también se transmite por la
misma línea. Este tipo de transmisión se utiliza a medida
que la distancia entre los equipos aumenta a pesar que es
más lenta que la transmisión paralelo y además menos
costosa. Los transmisores y receptores de datos serie son
más complejos debido a la dificultad en transmitir y recibir
señales a través de cables largos.

46. Tipos de Transmisión de Datos
Transmisión en Serie
La transmisión serie es síncrona si en el momento exacto
de transmisión y recepción de cada bit esta determinada
antes de que se transmita y reciba y asíncrona cuando la
temporización de los bits de un carácter no depende de la
temporización de un carácter previo.

47. Sincronización
El receptor debe saber la velocidad a la que se
están recibiendo los datos, de tal manera que
pueda muestrear la línea a intervalos constantes
de tiempo para así determinar cada uno de los bits
recibidos. Para este propósito, se utilizan
habitualmente dos técnicas:
 Transmisión Asíncrona
 Transmisión Síncrona

48. Transmisión Asíncrona
El problema de la temporización se evita no enviando
cadenas de bits largas de forma ininterrumpida. En su
lugar, los datos se transmiten enviándolos carácter a
carácter. Normalmente, cada carácter tiene la longitud de 5
a 8 bits. La temporización o sincronización se debe
mantener solamente durante la duración de un carácter, ya
que el receptor tiene la oportunidad de resincronizarse al
principio de cada nuevo carácter.
Cuando no se transmite ningún carácter, la línea entre el
emisor y el receptor esta en estado de reposo. La
definición de reposo es equivalente al 1 binario. Así, el
estado de reposo correspondería con la presencia de una
tensión negativa en la línea. El principio de cada carácter
se indica mediante un bit de comienzo que corresponde al
valor binario 0.

49. Transmisión Asíncrona
A continuación se transmite el carácter, comenzando por el
bit menos significativo. En algunos casos, a los bits de
datos se les añade un bit de paridad, el cual ocupa la
posición correspondiente al bit más significativo. El bit de
paridad se determina en el emisor, de tal manera que el
numero de 1’s dentro del carácter, incluyendo al bit de
paridad, sea par (paridad par) o impar (paridad impar),
dependiendo del criterio que se elija. Este bit se usa en el
receptor para detectar errores. Por último, está el
denominado elemento de parada, que corresponde a un 1
binario. Se debe especificar la longitud mínima del
elemento de parada, la cual normalmente es igual a 1, 1.5
o 2 veces la duración de un bit convencional.

50. Transmisión Asíncrona

51. Transmisión Síncrona
En la transmisión síncrona, cada bloque de bits se transmite
como una cadena estacionaria sin utilizar códigos de comienzo
o parada. El bloque puede tener una longitud de muchos bits.
Para prevenir la perdida de sincronismo entre emisor y receptor,
sus relojes se deberán sincronizar de alguna manera. Una
posibilidad puede ser proporcionar la señal de reloj a través de
una línea independiente. Uno de los extremos enviara
regularmente un pulso de corta duración. El otro extremo usará
esta señal a modo de reloj. Esta técnica funciona bien a
distancias cortas. Sin embargo, a distancias superiores, los
pulsos de reloj pueden sufrir las mismas dificultades y defectos
que las señales de datos, por lo que pueden aparecer errores de
sincronización. La otra alternativa consiste en incluir la
información relativa ala sincronización en la propia señal de
datos.

52. Transmisión Síncrona
En la transmisión síncrona se requiere además un nivel de
sincronización adicional para que el receptor pueda
determinar donde esta el comienzo y el final de cada
bloque de datos. Para llevar a cabo esto, cada bloque
comienza con un patrón de bits denominado preámbulo y
por lo general termina con un patrón de bits llamado final
(muchas veces llamados simplemente delimitadores).
Además de los anteriores, se añaden otros bits que se
utilizan en otros procedimientos de control. Al conjunto de
bits, o unidad de información formada por los datos más
los bits de control se le denomina trama.

53. Transmisión Síncrona
Formato de una trama síncrona