códigos de línea
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Introduccin
La transmisin analgica se basa en una seal continua de frecuencia
constante que llamamos portadora. Dicha frecuencia se elige de acuerdo a las
caractersticas del medio que se vaya a utilizar. Los datos se pueden transmitir
modulando la seal portadora, es decir, codificando dichos datos generados
por la fuente en la seal portadora de frecuencia. Como sabemos, todas las
tcnicas de modulacin implican la modulacin de uno o ms de los tres
parmetros fundamentales de la portadora: la amplitud, la frecuencia y la fase.
La seal de entrada (que puede ser tanto analgica como digital) se
denomina seal moduladora o tambin seal en banda base seal limitada
en banda (pasabanda)-. La localizacin del ancho de banda asignado est
relacionado con la seal portadora de frecuencia, estando usualmente centrado
en torno a sta. De nuevo, el procedimiento de codificacin se elegir para
optimizar algunas de las caractersticas de la transmisin.
Las cuatro posibles combinaciones se utilizan con frecuencia; si bien, las
razones por las que se elige una u otra pueden ser de diversa ndole, como las
que indicamos a continuacin:
Datos digitales, seales digitales: en trminos generales, el
equipamiento para la codificacin digital es menos complicado y menos
costoso que el equipamiento necesario para transmitir datos digitales
modulando seales analgicas.
Datos analgicos, seales digitales: la conversin de los datos
analgicos en digitales permite la utilizacin de las tcnicas ms
recientes de equipos de conmutacin para transmisin digital.
Datos digitales, seales analgicas: algunos medios de transmisin,
como la fibra ptica y los medios no guiados, slo permiten la
propagacin de seales analgicas.
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Datos analgicos, seales analgicas: los datos de naturaleza elctrica
se pueden transmitir fcilmente y de una forma poco costosa en banda
base. Por ejemplo, esto es lo que se hace para la transmisin de voz en
las lneas de calidad telefnica.
Ante la necesidad de transmitir seales digitales a travs de diversos
medios de transmisin surgen los que se conocen como cdigos de lnea. En
el presente trabajo abordaremos los diversos conceptos relacionados con
dichos cdigos: qu son, cules son sus caractersticas, qu tipos existen,
entre otros.
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Los cdigos de lnea
Qu es un cdigo de lnea?
Cuando deseamos transmitir datos binarios sobre un canal de banda base
se debe cambiar el formato de la seal digital a lo que se conoce como formato
de sealizacin. El proceso se llama codificacin de lnea. En general, el
formato de sealizacin, tambin llamado cdigo de lnea, se escoge para
acoplar la seal digital con el canal. En la actualidad los datos binarios a
menudo se transmiten sobre canales que no estn diseados para tal
propsito, incluyendo los canales de red telefnica. Sin embargo, los canales
cuyas caractersticas de distorsin no son justamente adecuadas para la
transmisin digital se pueden emplear con la utilizacin del cdigo de lnea
apropiado.
Cualquiera que sea el formato de sealizacin que se emplee debe,
evidentemente, permitir que los datos binarios sean unvocamente
recuperables. Los diferentes formatos de sealizacin producen seales de
lnea que difieren en su ancho de banda, contenido de sincrona y resistencia al
ruido. Estas caractersticas se pueden emplear como base para el
acoplamiento del formato y el canal. De esta manera, un formato de
sealizacin se puede emplear para producir una seal de lnea cuyo espectro
concuerde con el rango de frecuencias del canal, o se puede utilizar para
reducir el nmero de componentes de frecuencias altas o bajas de la seal
conforme se necesite. La eliminacin de los componentes de baja frecuencia
de la seal es deseable durante la transmisin sobre la red telefnica en donde
no se puede soportar la sealizacin de cd. El contenido de sincrona de la
seal contribuye a la facilidad con la cual el receptor puede recuperar los datos
de ella. Algunos cdigos de lnea producen seales con alta resistencia al ruido
mientras que otros producen seales en las que se puede detectar o corregir
los errores de transmisin.
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Propiedades de un cdigo de lnea
Como propiedades de un cdigo de lnea podemos mencionar:
Sincronizacin: Contenido suficiente de seal de temporizacin (reloj)
que permita identificar el tiempo correspondiente a un bit.
Capacidad de deteccin de errores: La definicin de cdigo incluye el
poder de detectar un error y, en ocasiones, corregirlo.
Inmunidad al ruido: Capacidad para detectar adecuadamente el valor de
la seal ante la presencia de ruido -baja probabilidad de error-.
Espectro: Igualacin entre el espectro de frecuencias de la seal y la
respuesta en frecuencia del canal de transmisin.
Ancho de banda: El rango de frecuencias donde se concentra la mayor
parte de la potencia de la seal debe ser el adecuado para la
transmisin de los datos binarios.
Transparencia: Independencia de las caractersticas del cdigo en
relacin a las secuencia de unos y ceros que se transmita.
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Se cuenta con diferentes cdigos de lnea para la codificacin de lnea.
Cada cdigo de lnea presenta ventajas y desventajas y que puede, en mayor o
menor medida, satisfacer las propiedades anteriores. A continuacin haremos
un recorrido de los cdigos de lnea ms utilizados, mencionando sus
principales caractersticas.
Tipos de cdigos de lnea
Entre los distintos tipos de cdigos de lnea podemos mencionar:
Segn la polaridad, la seal puede ser unipolar o polar, segn se
utilice una polaridad nica para la representacin de los smbolos o se
emplee doble polaridad.
Segn que el nivel de seal que representa al smbolo se mantenga
durante todo el tiempo de bit o slo durante su primera mitad, siendo cero en
la segunda, la seal puede ser de no retorno a cero o bien de retorno a
cero respectivamente.
Si la informacin se codifica en las transiciones de una seal polar, los
cdigos reciben el nombre de bifase, pues la secuencia de bits se extrae de
la comparacin de la fase de la seal en un instante con la precedente.
Segn que el nmero de niveles de seal sea 2 o ms la seal digital
ser binaria o multinivel.
Si un smbolo provoca un cambio en el nivel de la seal o su ausencia,
en lugar de estar representado por una transicin o un nivel, la codificacin
es diferencial.
Si un smbolo est representado por dos polaridades y el otro por su
ausencia la seal es bipolar.
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Cdigos de no retorno a cero o NRZ (Non Return to Zero)
La forma ms frecuente y fcil de transmitir seales digitales en mediante
la utilizacin de un nivel diferente de tensin para cada uno de los bits. Los
cdigos que siguen esta estrategia comparten la propiedad de que el nivel de
tensin se mantiene constante durante la duracin del bit; es decir, no hay
transiciones (no hay retorno al nivel cero de tensin). Por ejemplo, la ausencia
de tensin se puede usar para representar un 0 binario, mientras que un nivel
constante de tensin puede representar al 1. A estos cdigos se los conoce
como no retorno a cero.
Los cdigos de NRZ normalmente usados son unipolares y se
caracterizan por mantener constante el valor de la seal de lnea durante
todo el intervalo de bit (Tb). Por ello, el intervalo del impulso ms estrecho t
coincide con Tb.
Segn el criterio de codificacin empleado obtenemos tres tipos
diferentes:
NRZ-L (Level): Al smbolo 1 se le asigna un valor alto de seal y al
0 valor nulo.
NRZ-M (Mark): Codificar un 1 es dar una transicin al comienzo del
intervalo de bit; el 0 no provoca transicin.
NRZ-S (Space): Codificar el 0 supone dar una transicin al comienzo
del intervalo de bit; el 1 no la da.
Propiedades generales del grupo de cdigos NRZ
Su espectro genrico supone un determinado tiempo de bit tb, que tiene
componente continua muy significativa y alto contenido en bajas frecuencias,
pero su ancho de banda no es excesivo. Otra caracterstica es su poca
capacidad de sincronizacin, ya que pierden fcilmente el sincronismo en las
largas secuencias de 0 en el NRZ-M, de 1 en el NRZ-S y de 1 o 0 en el
NRZ-L. Adems, no tienen capacidad de deteccin de errores.
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Los NRZ-M y NRZ -s son diferenciales por lo que presentan mayor
inmunidad a ruidos e interferencias, puesto que es ms fcil acertar en la
deteccin de una transicin en presencia de ruido aditivo que en la de un nivel.
En resumen:
Sincronizacin: No contiene seal de temporizacin.
Capacidad de deteccin de errores: No permite detectar errores.
Inmunidad al ruido: En funcin de la diferencia de voltajes.
Espectro: Alto contenido de energa cercano a 0. El 95 % de la
potencia se encuentra en las frecuencias menores a la frecuencia de los
datos.
Transparencia: El valor promedio de la seal y la posibilidad de
detectar el inicio de un bit dependen del contenido de 1s y 0s.
Cdigo de retorno a cero o RZ
En este tipo de codificacin la seal que representa a cada bit retorna a
cero en algn instante dentro del tiempo del intervalo de bit. Por tanto, las
secuencias largas de unos o de ceros ya no plantean problemas para la
recuperacin del reloj en el receptor. No es necesario enviar una seal de reloj
adicional a los datos.
A comparacin con los cdigos NRZ, esta codificacin tiene el problema
de utilizar el doble de ancho de banda para conseguir transmitir la misma
informacin, ya que los cdigos de retorno a cero trabajan con impulsos
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estrechos de menor duracin que el intervalo de bit. Los impulsos muy
estrechos ahorran energa, pero exigen mayor ancho de banda.
El cdigo RZ puede ser polar, en este caso la seal tomara valores
positivos para un 1 lgico y negativos para un 0 lgico pero nunca toma el valor
0. A su vez, tambin puede ser bipolar, donde un dgito toma valor con
polaridad alternada mientras que el otro permanece siempre en 0.
Resumiendo:
Posee auto sincronizacin, ya que contiene seal de temporizacin.
En cuanto a la capacidad de deteccin de errores, este tipo de cdigo no
permite dicha funcin.
Inmunidad al ruido: en funcin de la diferencia de voltajes.
Posee alto contenido de energa cercano a 0 y doble ancho de banda
que NRZ.
Transparencia: el valor promedio de la seal y la posibilidad de detectar
el inicio de un bit dependen solamente del contenido del 0.
Cdigos bifase
Los cdigos bifase nacen con la idea de corregir los problemas
presentados por los unipolares. Para asegurar el sincronismo, cualquiera de
ellos posee al menos una transicin y como mucho dos por intervalo de bit, son
polares para asegurar la eliminacin de la componente continua y se basan en
transiciones para incrementar la resistencia al ruido.
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Propiedades del cdigo bifase
Todas las tcnicas bifase fuerzan al menos una transicin por cada bit
pudiendo tener hasta dos en ese mismo perodo; por lo tanto, la mxima
velocidad de modulacin es el doble que en los NRZ, esto significa que el
ancho de banda necesario es mayor.
Poseen alta capacidad de sincronizacin: debido a la transicin que
siempre ocurre durante el intervalo de duracin correspondiente a un bit, el
receptor puede sincronizarse usando dicha transicin. Gracias a esta
caracterstica, los cdigos bifase se denominan tambin auto-sincronizados.
Deteccin de errores: se pueden detectar errores si se detecta la
ausencia de la transicin esperada en mitad del intervalo. Para que el ruido
produjera un error no detectado tendra que invertir la seal antes y despus de
la transicin.
Como se basan en transiciones son bastante inmunes al ruido, siendo el
mejor el Manchester diferencial. Por ello y por sus caractersticas de
sincronismo y a pesar de su mayor ancho de banda, se utilizan en
transmisiones sncronas de alta velocidad.
Tipos de cdigos bifase
Dentro de los cdigos bifase podemos destacar:
Bifase-L o Manchester: en este tipo de cdigo cada perodo de un bit se
divide en dos intervalos iguales. Un bit binario de valor 1 se transmite con valor
de tensin alto en el primer intervalo y un valor bajo en el segundo. Un bit 0 se
enva al contrario, es decir, una tensin baja seguida de un nivel de tensin
alto. Este esquema asegura que todos los bits presentan una transicin en la
parte media, proporcionando as un excelente sincronismo entre el receptor y el
transmisor. Una desventaja de este tipo de transmisin es que se necesita el
doble de ancho de banda para la misma informacin que el mtodo
convencional.
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Bifase-M: da una transicin al principio de cada intervalo y otra en el
centro si codifica un 1, y no da esta segunda si es un 0.
Bifase-S: da una transicin al principio de cada intervalo y otra en el
centro si codifica un 0, y no da esta segunda si es un 1.
Bifase diferencial o Manchester Diferencial: este cdigo es una variacin
del cdigo Manchester, puesto que en l un bit de valor 1 se indica por la
ausencia de transicin al inicio del intervalo, mientras que un bit de valor 0 se
indica por la presencia de una transicin en el inicio, existiendo siempre una
transicin en el centro del intervalo. El esquema diferencial requiere un equipo
ms sofisticado, pero ofrece una mayor inmunidad al ruido. Este cdigo tiene
como ventajas adicionales las derivadas de la utilizacin de una aproximacin
diferencial.
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Los cdigos bifase se usan con frecuencia en los esquemas de
transmisin de datos. El cdigo Manchester, por ejemplo, se ha elegido como
parte de la especificacin de la normalizacin IEEE 802.3 para la transmisin
en redes LAN con un bus CSMA/CD usando cable coaxial en banda base o par
trenzado. Por su parte, el Manchester Diferencial se ha escogido en la
normalizacin IEEE 802.5 para redes LAN en anillo con paso de testigo, en las
que se usan pares trenzados apantallados.
Cdigos Miller
Es un cdigo polar que no tiene nunca ms de una transicin por
tiempo de bit pero tiene al menos una por cada dos intervalos de bit. El
criterio de aplicacin consiste, en dar una sola transicin en el centro del
intervalo cuando se trata de un 1, no darla en el centro si se trata de un 0
pero si va seguido de otro 0 dar una al final, y si va seguido de un 1 no
darla tampoco.
Sus caractersticas son muy parecidas a los bifase, pero poseen el
menor ancho de banda de todos los considerados, aunque con un poco de
componente continua.
En cuanto al sincronismo, estos cdigos son algo peores que los bifase
y bastante complicados de realizar.
Cdigos AMI (Alternate Mark Inversion)
Emplea el criterio de asignacin de un impulso en el primer semi
intervalo de bit y un valor nulo en el segundo si se trata de un 1 y valor nulo
siempre si se trata de un 0, adems la polaridad de los 1 se va alternando
segn se suceden.
Como propiedades podemos destacar:
Su espectro no tiene componente continua, tiene un contenido medio
en bajas frecuencias y su ancho de banda es de tipo medio.
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Mala capacidad de sincronizacin: El sincronismo se pierde fcilmente
en las secuencias largas de 0.
Buena capacidad de deteccin de errores: Habr error de codificacin
siempre que no haya alternancia en la polaridad de los impulsos.
Es bastante sensible al ruido.
Complicacin y precio medios.
Cdigos HDB3 (High Density Bipolar 3)
El cdigo HDB3 pertenece a los cdigos de lnea llamados Tcnicas de
altibajos. Consisten en sustituir secuencias de bits que provocan niveles de
tensin constantes por otras que garantizan la anulacin de la componente
continua y la sincronizacin del receptor. La longitud de la secuencia queda
inalterada, por lo que la velocidad de transmisin de datos es la misma;
adems el receptor debe ser capaz de reconocer estas secuencias de datos
especiales.
Los objetivos del diseo de estas tcnicas son:
Evitar la componente continua.
Evitar las secuencias largas que correspondan a seales de tensin
nula.
No reducir la velocidad de datos.
Capacidad para detectar errores.
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El esquema de codificacin basado en Norteamrica se llama B8ZS y el
utilizado en Europa y Japn es el HDB3, ambos se basan en la codificacin
AMI.
En el esquema HDB3, se reemplazan las cadenas de cuatro ceros por
cadenas que contienen uno o dos pulsos. En este caso, el cuarto cero se
sustituye por un estado de seal no permitido en el cdigo, este procedimiento
se denomina violacin del cdigo.
En las violaciones siguientes, se considera una regla adicional para
asegurar con ello que tengan una polaridad alternante y as no introducir
componente en continua. Si la ltima violacin fue positiva, la siguiente debe
ser negativa y viceversa. Esta condicin se determina dependiendo si el
nmero de pulsos desde la ltima violacin es par o impar y dependiendo de la
polaridad del ltimo pulso anterior a la aparicin de los cuatro ceros.
La mayor parte de la energa se concentra en una regin estrecha en
torno a la frecuencia correspondiente a la mitad de la razn de datos. Por tanto,
estos cdigos son adecuados para la transmisin a altas velocidades.
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Bibliografa
Herrera, Comunicaciones II. Comunicacin digital y ruido, Limusa, Primera
edicin, Mxico D.F., 2004.
Stallings, William, Comunicaciones y redes de computadores, Prentice-Hall,
Madrid, 2000.
Bibliografa Web
http://docente.ucol.mx/al000408/public_html/HDB3.html
http://www.slideshare.net/sarochishernandez/codificacion-de-linea
http://codigosdelinea.blogspot.com/
http://cnx.org/content/m35716/latest/
http://docente.ucol.mx/jimenez1/public_html/codigos.htm#binario
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