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Como dice en la cabecera, este texto es una transcripción de un documento que recibí de la empresa RadioCom, como me pareció interesante, decidí difundir su contenido a través de la red de BBS de FidoNet, el texto original, en formato ASCII se perdió en alguno de mis cambios de equipo o hardware, casualmente lo encontré en una web de la cual lo he recuperado para incluirlo aquí, con el permiso de su propietario. Actualmente la página ya no existe en dicha web.
El canal telefónico se concibió inicialmente para comunicaciones verbales, dada la gran infraestructura existente, era el medio más práctico disponible para la comunicación de datos, a pesar de no estár diseñado ni ser adecuado para ello.
Los sonidos desde el punto de vista de la frecuencia, se encuentran entre los 20 y 20.000 Hz. para las frecuencias audibles por el hombre. Para que un canal que transmita sonido fuera de alta fidelidad, debería tener un ancho (denominado ancho de banda) que permitiera transmitir todas las frecuencias sin recortarlas. Pero el canal telefónico sólo permite frecuencias entre 300 y 3.400 Hz.
Por esto quedan recortadas todas frecuencias inferiores a los 300 Hz. y superiores a los 3.400 Hz., con lo cual queda un ancho de banda aproximadamente de 3.000 Hz.
La información digital, entendida como onda cuadrada que representa ceros y unos, tiene unos componentes en frecuencia que sobrepasan los límites de la banda telefónica.
Esta es la razón de que se utilice la técnica de la MODULACIÓN, que consiste en transformar una señal digital en otra con distinta forma y que cumpla dos condiciones:
Cuanto mayor es la velocidad a la que se transmiten los datos, mayor es la dificultad para conseguir modular dichos datos sobre la línea telefónica.
Una onda podemos caracterizarla, en un instante determinado, por su frecuencia, amplitud y fase. Por este motivo, son estos parámetros los únicos que podemos variar para que incorporen la información que debe transmitir la onda: los datos.
La frecuencia se mide en ciclos por segundo (Hz.), la amplitud en voltios y la fase en grados, dado que medimos el retardo entre ciclos de la oscilación.
La utilización de cada uno de estos parámetros establece una primera clasificación de los métodos de modulación en función de qué propiedad de la onda se altera para transportar las propiedades binarias del mensaje: modulación en frecuencia, en amplitud y en fase.
La modulación de amplitud no se usa por sí misma, en comunicación de datos, debido a que es muy sensible al ruido eléctrico y daría rendimientos muy malos en la transmisión de la información.
En este sistema se adecúa la frecuencia de la transmisión en función de la trama de bits. Este método recibe la denominación FSK (Frecuency Shift Keying ó modulación por desplazamiento de frecuencia). El sistema, básicamente cambia la frecuencia de la transmisión cuando hay un 0 o cuando hay un 1. Así, los ceros se transmiten a 980 Hz. y los unos a 1.180 Hz.
La modulación en frecuencia requiere bastante ancho de banda. El concepto de ancho de banda es el más importante y complicado de entender en la comunicación de datos.
Para entenderlo, pensamos que cualquier onda de cualquier forma puede conceptualmente conseguirse sumando ondas senoidales de diversas frecuencias, cada una con un peso específico en la suma. Cuanto más diferente a una senoide es la forma de la onda, esta descomposición conceptual requiere más frecuencias. El ancho de banda es la diferencia entre la frecuencia más alta y la más baja (despreciando las que tienen un peso específico muy pequeño) que requiere esta descomposición.
En el caso de la modulación FSK, se requiere, en esta descomposición conceptual, frecuencias en torno a la que representa el uno y a la que representa el cero. Cuantos más cambios se produzcan, más ancho es el sector de frecuencias en torno a estas centrales. Es decir, cuanto mayor es la velocidad de los datos, más separados tienen que estar las distancias que representan al cero y al uno. Si transmitimos a alta velocidad, estas frecuencias se salen del ancho de banda telefónico.
Mediante esta técnica, los modems interrumpen la continuidad de la onda, no dejando que complete un ciclo, de tal forma que cambian la fase de la señal.
Normalmente, se compara la fase del ciclo en un período con la fase del ciclo en el período siguiente, con lo que obtenemos un método de modulación con desplazamiento de fase diferencial (DPSK). En la modulación en frecuencia, cada ciclo, representaba un bit (0, 1), dado que un ciclo se transmite a una frecuencia u otra (cero o uno). Sin embargo, en la modulación DPSK, cada ciclo puede tener cuatro estados (0, 90, 180, o 270 grados) por lo que representa dos bits (00, 01, 11, 10: dibitio).
No hay que extrañarse de que un modem con DPSK trabaje a 1.200 baudios (o lo que es más importante, ocupe un ancho de banda correspondiente a 1.200 cambios por segundo) y sin embargo, funcione a 2.400 bits/s. Al utilizar menos ancho de banda trabaja mejor en peores condiciones de línea telefónica, y con eficacia doble en cuanto a velocidad.
Anteriormente se comentó que la modulación en amplitud por sí misma no se usa en transmisión de datos. No obstante, sí se utiliza una combinación de modulación en amplitud y fase, lo que permite codificar más de dos bits por ciclo.
Las distintas combinaciones (variar mucho las fases por ciclo y poco la amplitud o al contrario) determinan distintos patrones, algunos de los cuales operan mejor que otros y son elecciones que deben establecer los fabricantes.
La modulación de amplitud en cuadratura es conocida por las siglas QAM, y normalmente se configura para un rendimiento de 4 bits por baudio (cuadribitios).
Ciclos por segundo (baudios) no es lo mismo que velocidad de transmisión (bits/s). En modulación en frecuencia coinciden, pero en modulación en fase o combinación con amplitud, no coinciden.
Una limitación física del canal telefónico es que con su ancho de banda (3.000 Hz.) el número de ciclos por segundo máximo es de 2.400. Sin embargo, gracias a los dibitios, etc, pueden conseguirse velocidades superiores.
Se engloban en este apartado conceptos muy distintos pero que conviene estudiarlos juntos, precisamente para evitar la confusión que se crea en torno a ellos.
El número de hilos hace referencia al circuito físico, y si la transmisión es half-duplex o full-duplex hace referencia a si la información se transmite primero en un sentido y después en otro (half-duplex), o simultáneamente en ambos sentidos (full-duplex).
No podemos decir que un hilo se utiliza para transmitir la información en un sentido, y el otro hilo para transmitirla en sentido contrario. Sin embargo, en algunos casos el circuito físico sí que influye en si la transmisión es half-duplex o full-duplex. En este apartado se hablará en detalle de estos conceptos para intentar clarificarlos.
Los primeros sistemas utilizaban un sólo hilo para la comunicación, cerrando el circuito con la conexión a tierra (dado que la tierra siempre tiene el mismo potencial eléctrico que se toma como referencia de cero). Sin embargo, este sistema no funcionaba correctamente debido a las corrientes inducidas en la tierra. Por este motivo, la comunicación telefónica utiliza al menos dos hilos, uno de ellos para cerrar el circuito. Esta aclaración explica por qué dos hilos no significa full-duplex, dado que el segundo hilo no se utiliza para el envío de información en sentido contrario simultaneamente, sino para cerrar el circuito.
Sin embargo, dos hilos son suficientes, a veces, para una comunicación full-duplex. Esto se consigue, por ejemplo en la modulación FSK antes descrita, si el ancho de banda del canal se divide en cuatro:
Conseguir que en un mismo hilo viajen ondas simultáneas en ambos sentidos, es un tema de teoría de electromagnetismo que se escapa al objeto de este boletín, pero puede ilustrarse con la siguiente analogía: el cable es una autopista de dos carriles en cada sentido. Los cuatro carriles se consiguen gracias a segmentar o dividir el ancho de banda en cuatro zonas.
Para una modulación FSK y transmisión full-duplex, la velocidad máxima es de 300 bits/s, dado que para mayores velocidades sería necesario separar más las cuatro frecuencias y se saldrían del ancho de banda del canal telefónico.
En modulación DPSK, por ejemplo, no se necesitan cuatro frecuencias para una comunicación full-duplex sobre dos hilos. De hecho, con dos portadoras, se obtiene una comunicación full-duplex en modulación en fase, dado que cada frecuencia lleva la información tanto de los unos, como de los ceros.
Como conclusión de lo anterior, una comunicación full-duplex con dos hilos permite menos velocidad que una half-duplex, ya que hay que disminuir el «ancho de cada carril» porque el ancho total de la autopista (el cable telefónico) es fijo.
Tal como se viene comentando en este boletín, el diseño de los modems ha estado condicionado por la limitación que el ancho de banda telefónico impone a la velocidad de transmisión de datos.
El objetivo es siempre conseguir una mayor cantidad de datos, por lo que surge la transmisión de datos síncrona. En la comunicación asíncrona, la base de tiempos entre el transmisor y receptor es distinta, lo cual conlleva mayores errores debido a que el muestreo puede realizarse en instantes equivocados, y al consumo adicional de bits en la transmisión (start, stop, ...).
En la transmisión síncrona, el reloj del receptor se extrae de los datos, lo cual permite recuperar el sincronismo entre el emisor y el receptor.
Los modems síncronos son más complejos y costosos que los asíncronos, debido a la circuitería necesaria para extraer las sincronización de los datos recibidos, así como para incorporar técnicas de cambio de flujo en los bits cuando se producen largas cadenas de bits del mismo valor que pueden hacer perder la información del reloj.
