3.05.- Codificación y Modulación

La información se transmite en forma de señales, por lo que debe ser transformada antes de poder ser transportada a través de un medio de comunicación físico. Cómo transformar la información depende de su formato original y del formato usado por el hardware de comunicaciones. El primer paso es traducir la información a patrones digitales acordados (codificación de la información original) para ser almacenada en una computadora en forma digital (unos y ceros), para transportarlos fuera de la computadora es necesaria convertirlos en señales digitales, esto es una conversión digital a digital o codificación de los datos digitales dentro de una señal digital.

En general las posibilidades son mayores, en la codificación de la información puede darse una codificación de analógico a digital, y en la transmisión de información puede darse el caso de tener que convertir la información digital en señal analógica, que se denomina modulación de la señal digital, en otras ocasiones es una señal analógica la que se convierte en señal digital en lo que se conoce como digitalización de la señal, e incluso se puede dar la necesidad de convertir una señal analógica en analógica (modulación de la señal analógica).

5.1.- Conversión digital a digital.

La conversión digital a digital, codifica los unos y ceros en una secuencia de pulsos de tensión que se puedan propagar por un medio de transmisión.

De todos los mecanismos usados para la codificación digital a digital, se van a tratar los más utilizados para la transmisión de datos, que se pueden agrupar en tres amplias categorías: Codificación Unipolar que usa una sola técnica; Codificación Polar, que tiene tres subcategorías NRZ, RZ y bifásica; y la codificación bipolar que tiene tres variantes AMI, B8ZS y HDB3.

5.1.1.- Codificación unipolar.

La codificación es sencilla y primitiva, el sistema de transmisión funciona enviando pulsos de tensión por el medio de transmisión, habitualmente un hilo, hay un nivel de tensión para el 0 binario y otro nivel para el 1 binario. La polaridad del impulso indica si es positivo o negativo. La codificación se denomina unipolar porque usa únicamentec una polaridad, esta polaridad se asigna a uno de los estados binarios, habitualmente el 1, el otro estado binario, el 0, se representa por el nivel 0 de tensión. La imagen representa esta codificación, los 1 se codifican con valor positivo y los 0 con valor cero. Esta codificación es muy sencilla y tiene una implementación barata.

Sin embargo la codificacion unipolar tiene, al menos, dos problemas que la hacen poco deseable: una componente de corriente contínua DC y la sincronización.

Componente DC

La amplitud media de una señal con codificación unipolar no es cero, eso crea lo que se llama una componente de corriente continua (señal de frecuencia cero). Cuando una señal contiene una componente continua, no puede viajar a través de medios que no pueden gestionar este tipo de componentes.

Sincronización.

Cuando una señal no varía, el receptor no puede determinar el principio y el final de cada bit, por tanto la codificación unipolar puede tener problemas de sincronización siempre que el flujo de datos contenga una larga serie ininterrumpida de ceros o unos.

5.1.2.- Codificacion Polar.

La codificación polar usa dos niveles de tensión, uno positivo y otro negativo, gracias al uso de dos niveles, en la mayoría de los métodos de codificación polar se reduce el nivel de tensión medio de la línea y se alivia el problema de la componente DC existente en la codificación unipolar, en incluso anulandola completamente.

De las muchas variantes existentes, las más populares son: Sin Retorno a Cero (NRZ, Nor Return to Zero), Retorno a Cero (RZ Return to Zero) y bifásica. La codificación NRZ incluye dos métodos: sin retorno a cero, nivel (NRZ-L) y sn retorno a cero invertido (NRZ-I). El método bifásico también tiene dos variantes: Manchester y Manchester diferencial.

Sin Retorno a Cero (NRZ)

En la codificación NRZ, el nivel de la señal es siempre positivo o negativo, los dos métodos más usuales son:

NZR-L. En esta codificación, el nivel de la señal depende del tipo de bit que representa, habitualmente un valor de tensión positiva indica que el bit es un 0 y un valor de tensión negativa indica que el bit es un 1 (o viceversa), por tanto el nivel de la señal depente del estado del bit. Pero cuando hay un flujo grande de ceros o unos en los datos puede surgir el problema de la sincronización.

NZR-I. En esta codificación, una inversión de la tensión representa un bit, es la transición entre el valor de la tensión positiva y negativa, no la tensión en si misma, lo que representa un bit. Un bit 0 se representa sin ningún cambio. NZR-I es mejor que NZR-L debido a la sincronización implícita provista por el cambio de señal cada vez que se encuentra un 1. La existencia de unos en el flujo de datos permite al receptor sincronizar su temporizador con la llegada real de la transmisión. Las tiras de ceros todavía pueden causar problemas.

La figura muestra las representaciones NZR-L y NZR-I de la misma serie de bits. En la secuencia NZR-L las tensiones positiva y negativa tienen un significado específico: positivo para el 0, negativo para el 1. En la secuencia NZR-I, las tensiones no tienen significado por si mismas, es el cambio de nivel la base para reconocer los unos. El siguiente enlace explica con mayor profundidad este modelo codificacion NZR

Con retorno a cero (RZ)

Si los datos originales contienen tiras de unos o ceros, el receptor puede sufrir pérdidas por sincronización. Otra de las soluciones es incluir de alguna forma la sincronización dentro de la señal codificada, algo similar a la solución de NZR-I pero capaz de manejar tiras de unos y de ceros.

Para asegurar la sincronización debe haber un cambio de señal para cada bit, sea éste un 1 o un 0, el receptor puede usar estos cambios para construir, sincronizar o actualizar su reloj. La codificación RZ usa tres valores, una tensión positiva, una negativa y el nivel nulo de tensión. En RZ, la señal cambia durante cada bit, de modo que al igual que en NZR-L un nivel positivo indica un 1 y un nivel negativo un 0, pero, a diferencia de NZR-L, a mitad del bit, la señal vuelve al nivel nulo de tensión. Por tanto un 1 se representa por una transición del nivel +V a 0V, y un bit 0 por la transición del nivel -V a 0V. La principal desventaja de la codificación RZ es que necesita dos cambios de señal para codificar un bit.

Bifásica.

En este método, la señal cambia en medio del intervalo de bit pero no vuelve al nivel nulo de tensión, sino que continua al nivel opuesto. Estas transiciones intermedias permiten la sincronización. En esta codificación existen dos métodos: Manchester y Manchester diferencial.

Manchester. La codificación Manchester usa la inversión en mitad de cada intervalo de bit para sincronizar y representar los bits. Una transición de positivo a negativo indica un 1 y una de negativo a positivo un 0. La codificación Manchester logra el mismo nivel de sincronización que RZ pero con sólo dos valores de tensión.

Manchester diferencial. En esta codificación, la inversión en la mitad del bit se usa para la sincronización pero la presencia o ausencia de una transición al principio del intervalo se usa para identificar al bit: una transición indica un 0 mientras que la ausencia indica un 1. Esta página detalla más cómo funcina la codificación: codificacion manchester

5.1.3.- Codificación Bipolar

La Codificación bipolar usa tres niveles de tensión como la Polar RZ: positivo, nulo y negativo. Pero, a diferencia de ésta, el nivel tensión cero se usa para representar el bit 0. El bit 1 se representa alternando los niveles positivos y negativos, de forma que si el primer 1 se indica con tensión positiva, el segundo 1 tendrá tensión negativa, y el tercero volvería a tener tensión positiva. Hay tres tipos de codificación bipolar:

Bipolar con inversión de marca alternada AMI

Esta codificación bipolar es la más sencilla, en el nombre “inversión de marca alternada”, la palabra marca viene de la telegrafía y significa 1, por lo que AMI significa inversión a 1 alterno, siendo el valor de tensión nula o cero el bit 0, la figura muestra un ejemplo de esta codificación.

Existe una variante de esta codificación AMI bipolar denominada pseudoternaria en la que el bit 0 alterna entre valores positivos y negativos. Sin embargo si bien la codificación AMI resuelve el problema de la componente DC, y la sincronización cuando hay una larga serie de bits 1, no lo hace cuando la serie es de bits 0. Por ello se han desarrollado dos variantes para resolver este problema especialmente en las transmisiones a larga distancia, la primera se usa en Norteamérica y se denomina bipolar con sustitución de 8 ceros B8ZS, y la segunda, usada en Europa y Japón, denominada bipolar 3 de alta densidad HDB3.

5.2.- Conversión Analógico a Digital.

Los métodos son: Modulación por ancho de pulsos (PAM), Modulación por codificación de pulsos (PCM)

5.3.- Conversión de Digital a Analógico.

Existen tres mecanismos: Modulación por desplazamiento de amplitud (ASK), Modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) y Modulación por desplazamiento de fase (PSK), además un cuarto mecanismo o Modulación de amplitud en cuadratura (QAM)

5.4.- Conversión de Analógico en Analógico.

Tiene tres procedimientos: Modulación en amplitud (AM), Modulación en frecuencia (FM) y modulación en fase (PM)