Codificación
La codificación es la representación de la Información digital mediante una señal digital. Básicamente consiste en traducir los ceros y unos binarios que se desea transmitir a una secuencia de pulsos de voltaje, adecuada para su transmisión. La codificación es la técnica fundamental utilizada en las transmisiones digitales en banda base.
Recordemos! Banda Base: se denomina banda base al conjunto de señales que no sufren ningún proceso de modulación a la salida de la fuente que las origina, es decir son señales que son transmitidas en su frecuencia original. Dichas señales se pueden codificar y ello da lugar a los códigos de banda base. Las señales empleadas en banda base se pueden clasificar en: UNIPOLARES, POLARES Y BIPOLARES.
Se pueden codificar los datos de forma digital sobre señal analógica o digital y codificar los datos de forma analógica sobre señal digital o analógica; la elección dependerá de los requisitos exigidos, así como del medio de transmisión y los recursos asignados para dicha comunicación.
Datos digitales sobre señales digitales
Si se quiere transmitir datos digitales sobre señales digitales se tienen que tratar de manera digital a través de técnicas de codificación, siendo las mas importantes:
Codificación UNIPOLAR o Retorno a Zero (RZ)
La más básica de las codificaciones se conoce como codificación unipolar. Para codificar Información digital (ceros y unos) mediante esta técnica, se asigna a cada nivel lógico un nivel de voltaje usando únicamente una polaridad.
Esta codificación presenta los problemas:
- Pérdida de sincronismo de la señal (cuando se enviar frecuencias largas de 0 o de 1)
- Componente continua, sería como el valor medio de la señal, interesa que sea la más baja posible. Para anular la componente continua cada código debe transmitir de tal forma que contenga el mismo número de impulsos positivos que negativos.
Codificación POLAR
Este tipo de codificación utiliza dos niveles de voltaje, uno para el positivo y otro para el negativo. Gracias a este uso de dos niveles se reduce el nivel de tensión medio de línea, reduciendo los riesgos de problemas en el componente de corriente continua (DC) existente en la codificación unipolar.
Codificación SIN RETORNO A CERO: NRZ (Non Return to Zero)
Este sistema es poco recomendable para utilizar en largas distancias, ya que por un lado pueden presentar niveles residuales de corriente continua y por otro pueden tener una recuperación poco fiable de la señal de temporización.
Codificación NRZ-I (Sin Retorno a Cero -Invertido)
Es un tipo de codificación polar que utiliza dos niveles de voltaje, con la misma amplitud pero con polaridades diferentes, es decir, un nivel con polaridad positiva y el otro con polaridad negativa. con esta característica se consigue reducir la componente continua.
En la codificación NRZ-I, un nivel lógico 1 se representa con una inversión del nivel de voltaje, y un nivel lógico 0 se representa sin ningún cambio de polaridad.
Resumen:
- 1=>se representa con la inversión de nivel de voltaje
- 0=>no hay cambio de polaridad
Problema:
- Pérdida de sincronismo en las secuencias largas de 0
Codificación NRZ-L (Sin Retorno a Cero a Cero Nivel)
Mantiene la tensión durante la duración del bit mientras sea el mismo. El 1 binario se representa mediante una tensión negativa y en el 0 binario se utilizará una tensión positiva.
Codificación BIFÁSICA
Estas codificaciones solucionan el problema de la SINCRONIZACIÓN.
Codificación MANCHESTER
En la codificación manchester, también conocida como codificación bifásica, se usa una inversión de la polaridad de la señal en mitad de cada intervalo de bit. el sentido de la inversión es el que indica el valor del bit codificado. Una transición de negativo a positivo representa un 1 binario y una transición de positivo a negativo representa un 0 binario.
Resumen:
De negativo a positivo (1)
De positivo a negativo (0)
Codificación Manchester Diferencial
Supone una variación de la codificación Manchester, indicando en ella un valor 1 por la ausencia de transición al inicio del intervalo, mientras que un valor 0 se indicará por la presencia de transición en el inicio. Este tipo de codificación necesita un cambio de señal para representar el 1 binario y dos cambios de señal para representar el 0.
Codificación BIPOLAR
Esta codificación utiliza tres niveles o valores utilizados para codificar la señal binaria, los cuales variarán entre los estados positivos y negativos. La falta de voltaje representa el bit 0. Los bits 1 se codifican como positivo y negativo de forma alterna; si el primer 1 se codifica como positivo, el segundo lo hará como negativo, y el tercero como positivo alternándose en esta cadena sucesivamente.
Codificación AMI Bipolar (Bipolar con inversión de marca alternada)
La codificación AMI es un tipo de codificación bipolar, en la que se utilizan tres niveles de voltaje: positivo, negativo y cero. el nivel cero se utiliza para codificar el 0 lógico y el 1 lógico se representa alternando polaridad positiva y negativa.
Resumen:
- 1=>se representa con la inversión de nivel de voltaje
- 0=>se representa en el nivel 0 de voltaje
Problema:
- Pérdida de sincronismo en las secuencias largas de 0
Codificación B8ZS (Bipolar con 8 ceros de sustitución)
B8ZS es la técnica basada en AMI para proporcionar una solución a través de una sincronización en las secuencias largas de 0. Esta técnica es la adoptada en Norteamérica. La diferencia entre la AMI bipolar se produce cuando se encuentran cadenas de ocho más 0 consecutivos.
La solución provista es forzar cambios de señal, denominadas violaciones, y transiciones de polaridad dentro del patrón de 0, solucionándolo al introducir un cambio de patrón cada vez que sucede una comunicación seguida de ocho 0 basados en la polaridad del bit 1 último. Por tanto, si el valor 1 último era positivo, entonces se codificará los ocho bits 0 como 0, 0, 0, +, 0, – ,+.
En cambio, si el último valor fue negativo, la codificación de los ocho bits 0 quedará como 0, 0, 0, +, 0, +, El receptor verificará que se trata de una excepción o violación y no de un error y lo interpretará convenientemente como un octeto de 0.
Codificación HDB3 (RDSI)
La codificación HDB3 es la solución de codificación adoptada en europa (también se utiliza en Japón) para las líneas digitales como las líneas e-1, e-3 y líneas RDSI. Utiliza las mismas reglas que la codificación AMI, pero introduce una modificación en este funcionamiento para evitar que las secuencias largas de ceros produzcan problemas de sincronismo. Para ello, cuando se debe codificar una secuencia de cuatro ceros se introduce un patrón determinado llamado patrón de violación, llamado así porque introduce una violación de la regla general de la codificación bipolar precisamente con la finalidad de identificar el patrón claramente. el patrón que se utiliza depende del número de unos codificados desde la última sustitución, es decir, desde la última aplicación del patrón.
Patrón de sustitución “impar” para la codificación HDB3.
Resumen:
- SI EL Nº 1 ES IMPAR
- 1=>se representa con la inversión de nivel de voltaje
- 0=>se representa en el nivel 0 de voltaje y al cuarto cero se agrega una violación representada con la “V”
Patrón de sustitución “par” para la codificación HDB3.
Resumen:
- SI EL Nº 1 ES PAR
- 1=>se representa con la inversión de nivel de voltaje
- 0=>se representa en el nivel 0 de voltaje y el primero 0 se simboliza con una “B” y al cuarto cero se agrega una violación representada con la “V”
Ejemplo de codificación HDB3
Recordemos: Hay dos tipos de señales “Analógica” y Digital”, cuando hablamos de analógicas hablamos de “Modulación de Datos” y cuando hablamos de digital, hablamos de “Codificación”.
Datos Digitales sobre señales Analógicas
La técnica para obtener una señal analógica a partir de unos datos digitales se conoce como modulación. Esta señal se transmite y el receptor debe realizar un proceso contrario al mismo llamado desmodulación para poder recuperar estos datos.
La situación más habitual que se encontrará es el envío de datos digitales a través de la red telefónica, la cual está diseñada para trabajar con señales analógicas en un rango de frecuencia de voz humana (entre 300 y 3.400 Hz).
ASK (Amplitude Shift Keying) Modulación por Desplazamiento de Amplitud
La modulación por desplazamiento de amplitud, es una forma de modulación en la cual se representan los datos digitales como variaciones de amplitud de la onda portadora en función de los datos a enviar.
La forma más simple y común de ASK funciona como un interruptor que apaga/enciende la portadora, de tal forma que la presencia de portadora indica un 1 binario y su ausencia un 0. Este tipo de modulación por desplazamiento on-off es el utilizado para la transmisión de código Morse por radiofrecuencia, siendo conocido el método como operación en onda continua.
ASK se puede ilustrar de la siguiente manera:
- Señal coseno de amplitud = 0 por lo que en este estado se encontrará en estado 0
Señal coseno de amplitud = 1 por lo que en este estado se encontrará en estado 1
FSK (Frecuency Shift Keying) Modulación Digital de Frecuencia
La modulación por desplazamiento de frecuencia es una técnica de modulación para la transmisión digital de Información utilizando dos o más frecuencias diferentes para cada símbolo. La señal moduladora solo varía entre dos valores de tensión discretos formando un tren de pulsos donde uno representa un “1” o “marca” y el otro representa el “0” o “espacio”.
En la modulación digital, a la relación de cambio a la entrada del Modulador se le llama bit-rate y tiene como unidad el bit por segundo (bps).
A la relación de cambio a la salida del Modulador se le llama baud-rate. En esencia el baud-rate es la velocidad o cantidad de símbolos por segundo.
En FSK, el bit rate = baud rate. Así, por ejemplo, un 0 binario se puede representar con una frecuencia f1, y el 1 binario se representa con una frecuencia distinta f2.
PSK (Phase Shift Keying) Modulación por Desplazamiento de Fase
La modulación por desplazamiento de fase es una forma de modulación angular que consiste en hacer variar la fase de la portadora entre un número de valores discretos. La diferencia con la modulación de fase convencional (PM) es que mientras en ésta la variación de fase es continua, en función de la señal moduladora, en la PSK la señal moduladora es una señal digital y, por tanto, con un número de estados limitado.
La modulación PSK se caracteriza porque la fase de la Señal Portadora representa cada símbolo de Información de la señal moduladora, con un valor angular que el Modulador elige entre un conjunto discreto de “n” valores posibles.
Un Modulador PSK representa directamente la Información mediante el valor absoluto de la fase de la señal modulada, valor que el demodulador obtiene al comparar la fase de ésta con la fase de la portadora sin modular.
Diferentes técnicas dependiendo del número de posibles fases a tomar:
- QPSK con 2 Fases: es la forma más habitual de codificar un número entero de bit por cada símbolo.
- QPSK con 4 Fases: Este esquema de modulación es conocido también como Quaternary PSK (PSK Cuaternaria), Quadriphase PSK (PSK Cuadrafásica) o 4-QAM, pese a las diferencias existentes entre QAM y QPSK. Esta modulación digital es representada en el diagrama de constelación por cuatro puntos equidistantes del origen del coordenadas. Con cuatro fases, QPSK puede codificar dos bits por cada símbolo. La asignación de bits a cada símbolo suele hacerse mediante el código Gray, que consiste en que, entre dos símbolos adyacentes, los símbolos solo se diferencian en 1 bit, con lo que se logra minimizar la tasa de bits erróneos.
- 8-PSK con 8 Fases: a mayor número de fases, mayor cantidad de Información enviada, pero también mayor su sensibilidad ante fenómenos como el ruido y las interferencias.
QAM: La modulación de amplitud en cuadratura o QAM (acrónimo de Quadrature Amplitude Modulation, por sus siglas en inglés) es una técnica que transporta dos señales independientes, mediante la modulación de una Señal Portadora, tanto en amplitud como en fase. Esto se consigue modulando una misma portadora, desfasada en 90°. La señal modulada en QAM está compuesta por la suma lineal de dos señales previamente moduladas en Doble Banda Lateral con Portadora Suprimida.
- QAM Analógica: La modulación QAM Analógica permite que dos señales provenientes de dos fuentes independientes, pero con características de ancho de banda similares, ocupen el mismo ancho de banda de transmisión y se puedan separar en el extremo receptor, ahorrando así el uso del ancho de banda disponible.
- QAM Digital o QAM Cuantizada: La QAM Digital, conocida también como QAM Cuantizada (de la expresión inglesa Quantized QAM), se basa en los principios de su similar analógica, con la diferencia de que tiene como entrada un flujo de datos binarios, el cual es dividido en grupos de tantos bits como se requieran para generar N estados de modulación, de allí que se hable de N-QAM. Por ejemplo, en 8-QAM, cada tres bits de entrada, que proporcionan ocho valores posibles (0-7), se alteran la fase y la amplitud de la portadora para derivar ocho estados de modulación únicos. En general, en N-QAM, cada grupo de m-bits genera m estados de modulación.
Para representar los estados de modulación posibles en los distintos tipos de modulación digital, como la QAM Cuantizada, se utiliza el llamado diagrama de constelación en analogía con la astronomía. Los puntos de la “constelación” están uniformemente dispuestos en una rejilla cuadrada con igual separación vertical y horizontal, aunque son posibles otras configuraciones. Puesto que en las telecomunicaciones digitales los datos son binarios, el número de puntos del diagrama es normalmente una potencia de 2. Ya que el número de estados de modulación en QAM es generalmente un número cuadrado, las formas más comunes son:
- 4-QAM
- 8-QAM
- 16-QAM
- 64-QAM
- 256-QAM
