TEMA 4:
CODIFICACIÓN DE DATOS.



 


 
 
 

1.- Introducción.

            Entendemos por codificación de datos las técnicas que vamos a usar para mandar un tipo de datos utilizando señales analógicas o digitales. 

    Motivación de las Técnicas:

  • Aprovechar ancho de banda.
  • Sincronización. A partir de la señal que mando me gustaría poder recuperar el reloj del emisor.
  • Inmunidad ante el ruido e interferencias.
  • Abaratar los costes.
  • Disminuir la complejidad.

 

2.-Tipos de codificaciones.

2.1.- Datos digitales / Señales Digitales.

  • NRZ (Non-Return-to-Zero).
            Intuitivamente la forma más simple de codificar un mensaje es asignando a cada símbolo un nivel de tensión, despreciando las transiciones. Encontramos dos posibles tipos de NRZ: 
  • NRZ-L: No retornamos a nivel cero.
      • Para transmitir:
      • Cero ® Nivel Alto
      • Uno ® Nivel Bajo
      • NRZI: No retornamos a cero e invertimos al transmitir el uno.
              • Cuando mando: 
              • Cero ® No hay ninguna transición.
              • Uno ® Hay una transición a nivel positivo o negativo.
                Tienen mejor comportamiento frente al ruido, ya que es más fácil detectar un cambio de nivel que el nivel propiamente dicho. Son más fáciles de implementar y hacen un uso eficiente del ancho de banda.
                Los mayores inconvenientes de esta codificación son la presencia de una componente continua (largas cadenas de ceros o unos) y la falta de sincronización. 
                Su principal aplicación es la grabación magnética, pero son demasiado limitados para la transmisión de señales. 
    • Binario Multinivel. 
                Se diferencian de los NRZ en que utilizan más de dos niveles de señal, con lo que consiguen superar algunas de sus desventajas. 
      •  AMI Bipolar (Alternate Mark Inversion):
      • Cero ® No hay señal.
      • Uno ® Pulso positivo o negativo de forma alterna.
        •                      La transición que se produce cada vez que hay un 1 garantiza que no haya componente continua, y también constituye un medio para que emisor y receptor permanezcan sincronizados a pesar de que se produzcan largas cadenas de 1. Además el ancho de banda necesario se reduce significativamente con respecto al que empleaba NRZ. Finalmente la alternancia entre pulsos positivos y negativos simplifica la detección de errores (habrá un error cuando se incumpla la condición de alternancia).
         
      • PSEUDOTERNARIO:
      • Cero ® Pulso positivo o negativo de forma alterna.
      • Uno ® No hay señal.
                         Tiene las mismas propiedades que el AMI.
    Codificacione NRZ-L, NRZI, Bipolar-AMI y Pseudoternario.
    • BIFASE.
                Estas técnicas fuerzan una transición por cada bit, pudiendo haber hasta dos. Como consecuencia la velocidad de trasnmisión será el doble que en NRZ y el ancho de banda necesario mayor.
      • Manchester:
      • Cero ® Existirá una transición de + a - (o al revés) en la mitad del intervalo.
      • Uno ® Transición de - a + (o al revés) en la mitad del intervalo.
        •
    Ventajas: 
     - Mejor comportamiento frente al ruido. 
     - Mejores propiedades de sincronización.
  • Manchester Diferencial:
    •
      • Cero ® Existirá una transición de + a - (o al revés) tanto al principio como a la mitad del intervalo.
      • Uno ® Transición de - a + (o al revés) en la mitad del intervalo.
    Ventaja: Se detectan muy fácilmente errores de transición. Propiedades de los códigos Bifase:

        - Autosincronizado: el receptor se sincroniza utilizando la transición obligatoria de todo bit.
        - No DC.
        - Detección de Errores: la no transición en mitad de un intervalo supone un error fácil de detectar.

                     Los códigos bifase son muy populares en redes de distancias cortas, como por ejemplo en transmisión de datos con C.Manchester en Ethernet, pero no es así en largas distancias debido a la alta velocidad de elementos de señal que requiere comparada con la velocidad de los datos que ofrece.
    Codificación Manchester y Manchester diferencial.
    • Técnicas de Altibajos.
                Consisten en sustituir secuencias de bits que provocan niveles de tensión constantes por otras que garantizan la anulación de la componente continua y la sincronización del receptor. La longitud de la secuencia queda inalterada, por lo que la velocidad de transmisión de datos es la misma; además el receptor debe ser capaz de reconocer estas secuencias de datos especiales.

                Existen dos técnicas, ambas basadas en AMI Bipolar: 

        • B8ZS ("Bipolar with 8-Zeros Substitution"): es la más generalizada en Estados Unidos:
    Valor de tensión anterior a los ocho ceros
    Positivo 000 + - 0 - +
    Negativo 000 - + 0 + -
    • HDB3 ("High Density Bipolar-3 Zeros"):
    Número de 1´s desde la última sustitución
    PAR
    IMPAR
    Pulso anterior positivo
    + 00 +
    000 +
    Pulso anterior negativo
    - 00 -
    000 -

                Estos códigos son muy adecuados para la transmisión de datos a altas velocidades, ya que su espectro es muy estrecho y se concentra en torno a la frecuencia correspondiente a la mitad de la razón de datos. 

    Multiniveles.

     
    2.2.-  Datos Digitales / Señales Analógicas.

                Un ejemplo de fuente de datos digital y medio de transmisión analógico es la transmisión de datos digitales a través de la línea telefónica empleando, por ejemplo, un módem.
                Encontramos tres tipos de codificación o modulación, cada uno de los cuáles, afecta a uno de los parámetros característicos de las señales analógicas:

              -ASK: Afecta a la amplitud.
              -FSK: Afecta a la frecuencia.
              -PSK: Afecta a la fase.
    • ASK.
                Típicamente la señal a transmitir será : 
          - Cero binario  ® s(t)= 0. (A = 0)
          - Uno binario  ® s(t) = A cos (2p fct).
                Dependiendo del valor que le demos a la amplitud transmitiremos uno u otro símbolo. 

                ASK es muy sensible a cambios en la amplitud y no es una modulación eficaz. Su uso más generalizado es en fibras ópticas; el LED emite mucha luz o muy poca (bias) para representar los pulsos: si hay pulso es que estoy mandando un 1 y si no lo hay es un cero. 

    • FSK.
                Los dos valores binarios están representados por dos frecuencias diferentes muy próximas a la portadora. - Cero  binario ® s(t)= A cos (2p f1 t) ® f1= fc + f ' ( donde f ' es un incremento de la frecuencia ). 
    - Uno  binario  ® s(t)= A cos (2p f2 t) ® f2 = fc - f '.                     FSK es menos sensible a errores que ASK. Se usa en radio en el intervalo comprendido entre los 3 y los 30 MHz.
    • PSK.
                 Los datos se representan mediante variaciones en la fase de la señal analógica:
        - Cero  p A cos ( 2pfct).
        - Uno p A cos ( 2pfct + p).
                La fase que sumamos en PSK será diferente en función del símbolo que queramos transmitir. Por ejemplo para QPSK ("Quadrature phase-shift keying"), se formará una constelación con 4 elementos, cada uno representando 2 bits. Dependiendo de lo que mande metemos un desfase u otro. 
      - 11 ®p= 45º
      - 10 ®p= 135º
      - 00 ®p= 225º
      - 01 ®p= 315º
                Este caso es ampliable a un número cualquiera de bits: por ejemplo, usando ocho fases se pueden transmitir tres bits cada vez. Pero es que además cada ángulo puede tener varias amplitudes por lo que un módem de 9600bps puede utilizar FSK de 12 ángulos con 2 posibles amplitudes.

     
    2.3.- Datos Analógicos / Señales Digitales.

                Para poderse transmitir por canales digitales las señales analógicas van a tener que sufrir un proceso de digitalización o conversión A/D. Este proceso consiste en tres pasos fundamentales: 

    1º: muestreo: la frecuencia a la que se toman muestras de la señal debe ser superior a dos veces su ancho de banda para poder reconstruirla después: ws > 2 wm.

    2º: cuantificación: aproximar cada muestra por el valor de tensión más cercano. Podrá ser de dos tipos: 

      - Cuantificación lineal: Tenemos un rango de valores distribuidos de forma uniforme para decidir cúal es el valor de la señal. 

      - Cuantificador no lineal: Agrupa los intervalos de cuantificación a lo largo del eje de forma no uniforme. 

    3º: codificación:  el código más sencillo es el NRZ-L, pero existen muchos otros que se usan en función del medio de transmisión. (Ver apartado 2.1) 
                El aparato que transforma los datos analógicos en digitales se denomina codec; las dos técnicas más importantes de modulación de los codecs son: la modulación por impulsos codificados y la modulación delta. 
        • Modulación por Codificación de Impulsos (PCM): es una cuantificación de los pulsos de una modulación por amplitud de impulsos (PAM). La PAM consiste en muestrear una señal a la suficiente frecuencia de manera que luego la señal sea recuperable (ver apartado del tema 2) y representar estas muestras en la amplitud de unos pulsos de corta duración. Debido al ruido que introduce la cuantificación la señal recuperada no será exactamente la original. 
        • Modulación Delta (DM): la señal analógica se aproxima a una "escalera " que sube o baja en cada periodo Ts dependiendo de si la amplitud de la señal es mayor o menor que el último valor de la escalera.
     

     
     
    2.4.- Datos Analógicos / Señales Analógicas.

                Hay varias razones para no transmitir la señal analógica tal y como la obtenemos: 

        • para que la transmisión tenga éxito y una cierta calidad seguramente será mejor utilizar una frecuencia mayor, por ejemplo es imposible transmitir señales en banda base en un medio hertziano.
        • la traslación en frecuencia permite la multiplexación que supone un mejor aprovechamiento del espectro.
                Las técnicas de modulación consisten en la combinación de la señal a transmitir ( x(t) ) con otra llamada portadora ( p(t) ) para dar lugar a una tercera señal ( s(t) ), cuyo espectro suele estar centrado en torno a la frecuencia (fc) en la que queremos situar la señal. 

                Existen varias técnicas de modulación analógica, las más importantes: AM, FM y PM. 

        • Modulación en Amplitud, AM:  s(t) = [ 1 + u x (t) ] cos (2pfct)]; donde u es el índice de modulación ( 0 < u < 1 ).
        • Modulación de Fase, PM: s(t) = cos (2pfct +f(t)); donde f(t) = np  · x(t), siendo np el índice de modulación en fase.
        • Modulación de Frecuencia, FM: s(t) = cos (2pfct +f(t)); donde f' (t)= nf · x(t), siendo la nf el índice de modulación en frecuencia. Un parámetro importante es la frecuencia instantánea: f i(t) = fc + (1/2p) f' (t).