FIGURA 2.1

En la práctica, el medio de transmisión atenúa (reduce) y distorsiona (deforma) las señales eléctricas transmitidas, hasta el punto en que el receptor no puede distinguir entre las señales de 1 y 0 binarios, como se aprecia en la figura 2.1. El grado de ate­nuación y distorsión de la señal depende en buena medida de:

·         el tipo de medio de transmisión;

·         la tasa de bits de los datos transmitidos;

·         la distancia entre los dos dispositivos en comunicación.

      Como es posible cuantificar la distorsión y la atenuación para los distintos tipos de medios de transmisión y las diferentes separaciones físicas, se han defini­do normas internacionales para la interfaz eléctrica entre dos equipos de comunica­ción de datos. Estas normas no sólo definen los niveles de señal eléctrica que debe usarse, sino también el empleo y significado de cualesquiera señales y convencio­nes de control adicionales que se utilicen en la interfaz física. Los dos organismos que formulan normas para interconectar equipo de comunicación de datos son la Unión Internacional de Telecomunicaciones - Sector Telecomunicaciones (ITU-T: International Telecommunications Union - Telecommunications Sector) - que antes era el Comité consultor internacional de teléfonos y telégrafos (CCITT)- en Europa y la Electrical Industries Associafion (EIA: Asociación de industrias eléctricas) en Estados Unidos. Aunque las normas definidas por ambos organismos cuentan con terminologías un poco distintas, las señales básicas y su significado son  los mismos.

Este capítulo se divide en seis secciones: en las dos primeras se describen los medios de transmisión de uso más generalizado, y en las dos siguientes, las diferentes formas de señales eléctricas; en la quinta sección se describen las carac­terísticas de los circuitos de portadora pública, y en la sexta, algunos aspectos adicionales de las normas de interfaz de capa física más comunes. Aunque en casi todos los casos consideraremos la interfaz de un computador con las diferentes in­terfaces de comunicación de datos, lo normal es usar el término más general de equipo terminal de datos (DTE: data terminal equi4>ment) en lugar de computador, ya que implica cualquier tipo de equipo.

2.1              Medios de transmisión

Para transmitir una señal eléctrica se requiere un medio de transmisión que normal­mente es una línea de transmisión. En algunos casos, dicha línea consiste en un par de conductores o alambres (hilos). Las alternativas más comunes son un rayo de luz guiado por una fibra de vidrio y ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio libre. El tipo de medio de transmisión es importante, ya que determi­na el número máximo de bits (dígitos binarios) que es posible transmitir cada se­gundo (bits por segundo, bps). En las subsecciones siguientes analizaremos los tipos más comunes de medios de transmisión.

2.1.1          Líneas abiertas de dos hilos

Una línea abierta de dos hilos es el medio de transmisión más simple. Cada uno de los dos alambres está aislado del otro y ambos están abiertos al espacio libre. Este tipo de línea es apropiado para conectar equipo con una separación de hasta 50 m cuando se utilizan tasas de bits moderadas (de menos de 19.2 kbps, digamos). La señal, por lo regular un nivel de voltaje o corriente relativo a cierta referencia de tierra, se aplica a un alambre, y la referencia de tierra se aplica al otro.

Aunque es posible conectar directamente dos computadoras (DTE) con líneas abiertas de dos hilos, su uso principal es conectar un DTE a un equipo terminal del circuito de datos (DCE: data circuit-terminating equipment) local, por ejemplo un módem. En este tipo de conexiones por lo regular se emplean lineas múltiples, y la disposición más generalizada es un alambre aislado individual para cada señal y un solo alambre para la referencia de tierra común. Por ello, el conjunto de alambres se encierra en un solo cable mulfihilo protegido o se moldea para producir un cable plano, como se ilustra en la figura 2.2(a).

FIGURA 2.2a

Con este tipo de línea, hay que tratar de evitar que en el mismo cable haya un acoplamiento cruzado de las señales eléctricas entre alambres adyacentes. A esta interferencia se le conoce como diafonía, y es provocada por el acoplamiento ca­pacitivo entre los dos hilos. Además, su estructura abierta lo hace susceptible de captar señales de ruido espurias de otras fuentes de señales eléctricas, producidas por alguna radiación electromagnética. El problema principal con las señales de este tipo es que podrían ser captadas en un solo alambre - por ejemplo, el alambre de señal- y crear una diferencia de señal adicional entre ambos alambres. Puesto que el receptor normalmente funciona basándose en la diferencia de señal entre los dos alambres, esto puede conducir a una interpretación errónea de la señal recibida combinada (señal más ruido). Todos estos factores contribuyen a limitar la longi­tud de las líneas y las tasas de bits con las que obtenemos resultados confiables.

  2.1.5        Satélites

  Todos los medios de transmisión vistos hasta ahora se valen de una línea fisica para transportar la información transmitida. Sin embargo, los datos también pueden trans­mitirse por medio de ondas electromagnéticas (de radio) a través del espacio libre, como en los sistemas por satélite. Un haz de microondas colimado, sobre el cual se modulan los datos, se transmite al satélite desde la superficie terrestre. Este haz se recibe y retransmite (reenvía) al destino o destinos previamente determinados mediante un circuito a bordo del satélite denominado transpondedor. Cada satélite tiene muchos transpondedores, cada uno de los cuales cubre una banda de frecuen­cias determinada.

 Un canal de satélite representativo tiene un ancho de banda extre­madamente alto (500 MHz) y puede enlazar centenas de datos con alta tasa de bits mediante una técnica llamada multiplexión. En la sección 2.5.2 describiremos esto pero digamos que, en esencia, la capacidad total disponible del canal se divide en varios subcanales, que pueden sustentar, cada uno, un enlace de alta tasa de bits.

 Por lo regular, los satélites dedicados a~las comunicaciones son geostaciona­nos; esto quiere decir que el satélite completa una órbita terrestre cada 24 horas, en sincronía con la rotación del planeta, así que desde la superficie parece mantener una posición estacionaria. La órbita del satélite se escoge de modo que haya un camino de comunicación en línea recta entre la o las estaciones transmisoras y la o las estaciones receptoras. El grado de colimación del haz de microondas retransmi­tido por el satélite puede ser grueso, para que la señal se pueda captar en un área geográfica extensa, o finamente enfocado, para que sólo pueda captarse en un área limitada. En el segundo caso la potencia de la señal es más alta, lo que permite usar receptores de diámetro más pequeño, llamados antenas o parabólicas - también conocidos como terminales de abertura muy pequeña (VSAT: very small aperture terminals-. Es muy común utilizar los satélites para aplicaciones de transmisión de datos que van desde la interconexión de diferentes redes nacio­nales de comunicación de computadores hasta el suministro de caminos de alta tasa de bits para enlazar redes de comunicación en diferentes áreas del mismo país.

FIGURA 2.4

En la figura 2.4(a) se ilustra un sistema de satélite representativo. Sólo se muestra un camino de transmisión unidireccional, pero en casi todas las aplicacio­nes prácticas se emplea un camino dúplex en el que los canales ascendente y des­cendente asociados a cada estación terrena operan a distinta frecuencia. Otras configuraciones comunes tienen una estación terrestre central que se comunica con varias estaciones terrestres de VSAT distribuidas en todo el país. Por lo regular, un computador está conectado a cada VSAT y puede comunicarse con un computador central conectado a la estación central, como se aprecia en la figura 2.4(b). Lo más común es que el sitio central transmita a todas las VSAT en una misma frecuencia, pero cada VSAT transmita en la dirección opuesta en una frecuencia distinta.

Para lograr la comunicación con una VSAT especifico el sitio central trans­mite el mensaje incluyendo, como cabecera, la identidad de la VSAT de destino. En aplicaciones que requieren una comunicación VSAT-VSAT, todos los mensajes se envían primero al sitio central-vía satélite-, el cual, a continuación, los transmi­te a su destinatario. Con la siguiente generación de satélites de alta potencia se po­drá realizar el enrutamiento a bordo del satélite sin pasar por un sitio central. Esto hará posible la co₇unicación directa entre dos VSAT.

  2.1.6        Microondas terrestres

  Se ha difundido mucho el uso de enlaces terrestres de microondas para establecer enlaces de comunicación, cuando no resulta práctico o costeable instalar medios de transmisión fisicos; por ejemplo, de un lado a otro de un río o quizá un pantano o un desierto. Debido a que el haz de microondas colimado viaja a través de la atmósfe­ra, puede sufrir perturbaciones por factores como construcciones o condiciones cli­máticas adversas. En cambio, con un enlace por satélite el principal medio de transmisión del haz es el espacio libre y por tanto es menos propenso a sufrir tales efectos. No obstante, la comunicación por microondas en línea recta a través de la atmósfera terrestre puede ser confiable hasta distancias de más de 50 kilómetros.

 2.1.7        Radio

  También se usan ondas de radio de baja frecuencia en lugar de enlaces fijos para cubrir distancias más modestas con transmisores y receptores terrestres. Estas on­das pueden servir, por ejemplo, para conectar muchos computadores de recolección de datos distribuidos en un área rural extensa con un computador remoto encarga­do de almacenar y monitorizar los datos, o para conectar computadores (o termina­les computarizadas) de una ciudad o una metrópoli con un computador local o remoto.

 Como el costo de instalar cables fijos para tales aplicaciones sería muy alto, a menudo se usan ondas de radio para establecer un enlace inalámbrico entre un punto de terminación de cable fijo y los computadores distribuidos. Como se ilus­tra en la figura 2.5(a), en el punto de terminación del cable fijo se coloca un trans­misor de radio (denominado estación base) que establece un enlace inalámbrico entre cada uno de los computadores y el sitio central.

FIGURA 2.5

En el caso de aplicaciones que requieren una mayor área de cobertura o que tienen una mayor densidad de usuarios hay que emplear estaciones de múltiples ba­ses. El área de cobertura de cada estación es restringida - al limitar su potencia de salida- de modo que sólo proporciona suficientes canales para sustentar la carga total de esa área. La cobertura se amplía si se dispone de varias estaciones base en una estructura celular como se muestra en la figura 2.5(b). En la práctica, el tama­ño de cada celda varía y está determinado por factores como la densidad de termi­nales y la topografía local.

Cada estación base trabaja con una banda de frecuencias distinta de la de sus vecinas, pero como el campo de cobertura de cada estación base es limitado, es fac­tible reutilizar su banda de frecuencias en otras partes de la red. Las estaciones base se conectan con la red fija igual que la estación base única. Por lo regular, la tasa de bits con que pueden transmitir los computadores dentro de una celda es del orden de decenas de kilobits por segundo.

  Para contar con enlaces inalámbricos a los equipos computarizados de cada oficina podemos servirnos de un arreglo similar en un mismo edificio. En estos casos se sitúa una o más estaciones base en cada piso del edificio y se conectan a la red fija. Cada estación base proporciona enlaces inalámbricos con la red fija a to­dos los computadores que están en su campo de alcance. Con ello no es necesario cambiar el cableado cada vez que se instala o cambia de lugar un computador, a expensas de tener que adquirir unidades de radio que conviertan los datos en seña­les de radio, y viceversa. En muchos casos, la tasa de bits utilizable es más baja que la del cableado fijo.

  2.2        Fuentes de atenuación y distorsión

  En la figura 2.6 se ilustran los diversos efectos de atenuación y distorsión que pue­den degradar una señal durante su transmisión. Cualquier señal transportada por un medio de transmisión acusa efectos de atenuación, ancho de banda limitado, dis­torsión de retardo y ruido. Aunque todos estos factores se presentan y producen un efecto combinado, consideraremos cada uno de estos deterioros por separado.

  2.2.1      Atenuación

  Conforme una señal se propaga por un medio (línea) de transmisión, su amplitud disminuye. A esto se le llama atenuación de la señal. En condiciones normales, para corregir la atenuación, se establece un límite a la longitud del cable que puede usarse, para así garantizar que los circuitos receptores podrán detectar e interpretar con confiabilidad la señal atenuada recibida. Si el cable es más largo, se inserta uno o más amplificadores - también llamados repetidores- a intervalos a lo largo del cable a fin de restablecer la señal recibida a su nivel original.

FIGURA 2.6

La atenuación de la señal aumenta con la frecuencia, y como una señal com­prende un intervalo de frecuencias, también se distorsiona. Para resolver este pro­blema, se diseñan los amplificadores de modo que amplifiquen las señales de distintas frecuencias en grados diferentes. Como alternativa, se pueden usar los dis­positivos llamados ecualizadores para igualar la atenuación dentro de una banda de frecuencias definida.

 2.2.2      Ancho de banda limitado

  Todo canal de comunicación/medio de transmisión - alambre de par trenzado, ca­ble coaxial, radio, etc.- tiene un ancho de banda definido asociado a él que especi­fica la banda de componentes de frecuencia senoidal que el canal transmitirá sin atenuación. Por ello, al transmitir datos por un canal, necesitaremos cuantificar el efecto que tendrá el ancho de banda del canal sobre la señal de datos transmitida.

  Podemos valernos de la técnica matemática denominada análisis de Fourier para demostrar que cualquier señal periódica -es decir, una señal que se repite a intervalos de tiempo regulares (el periodo)- está formada por una serie infinita de componentes de frecuencia senoidales. El periodo de la señal determina la compo­nente de frecuencia fundamental: el recíproco del periodo en segundos da la fre­cuencia en ciclos por segundo (Hz). Las demás componentes tienen frecuencias que son múltiplos de ésta y se denominan armónicas de la fundamental.

Para fines de transmisión existen dos tipos de señal binaria básicos: unipo­lar y bipolar (véase la Sec. 2.3). Con una señal unipolar, la amplitud de la señal varía entre un voltaje positivo (digamos +V) y 0 volts. A éstas las llamamos señales con retorno a cero (Rz: return-to-zero). Con una señal bipolar, la amplitud de la señal varia entre un nivel de voltaje positivo y uno negativo (digamos, entre #V y  - V). Éstas son señales sin retorno a cero (NRZ: non-return-to-zero). Una señal unipolar tiene un nivel de señal medio de V/2, en tanto que una señal bipolar tiene una media de cero. La variación de amplitud de una señal unipolar es V, y para una bipolar, 2 V. Estas diferencias producen series de Fourier ligeramente distintas que, para los dos tipos de señal, son:

Como por lo regular el ancho de banda de un canal se mide en hertz, en la figura 2.7(c) lo representamos como una función de la frecuencia. En esa figura hay tres alternativas de ancho de banda: la primera permite el paso sin atenuación de señales senoidales con frecuencias de hasta fo; la segunda, hasta 3f₀, y la tercera, hasta 5f₀. En la práctica, empero, si sólo se transmite una señal de dos niveles (bi­naria), el receptor se limita a muestrear la señal recibida en el centro de cada inter­valo de celda de bit. Esto significa que el receptor sólo necesita distinguir entre los niveles de 1 y O binarios en el instante del muestreo, y la forma exacta de la señal

  2.2.3        Distorsión por retardo

FIGURA 2.8

La tasa de propagación de una señal senoidal a lo largo de una línea de transmisión varía con la frecuencia de la señal. En consecuencia, cuando transmitimos una se­ñal digital, las diversas componentes de frecuencia que la constituyen llegan al re­ceptor con retrasos variables, y esto produce una distorsión por retardo de la señal recibida. La magnitud de la distorsión aumenta conforme se eleva la tasa de bits de los datos transmitidos, por la siguiente razón: conforme se incrementa la tasa de bits, algunas de las componentes de frecuencia asociadas a cada transición de bit se re­trasan y comienzan a interferir las componentes de frecuencia asociadas a un bit posterior. La distorsión por retardo también se conoce como interferencia entre símbolos; su efecto consiste en variar los instantes de transición de bit de la señal recibida. Puesto que la señal recibida normalmente se muestrea en el centro nomi­nal de cada celda de bit, al aumentar la tasa de bits esto puede ocasionar una inter­pretación incorrecta de la señal recibida.

La mejor manera de observar el nivel de interferencia entre símbolos asocia­da a un canal de transmisión es con un diagrama de ojo, de lo cual se presenta un ejemplo en la figura 2.8. Este diagrama se obtiene exhibiendo la señal recibida del canal en un osciloscopio activado por las transiciones de la señal. Así pues, supo­niendo que la señal recibida contiene transiciones aleatorias de señal binaria 1 y 0, el oscíloscopio mostrará todas las posibles señales superpuestas entre sí. En la fi­gura se ilustran dos ejemplos. Si no hay interferencia entre símbolos, la señal ten­drá la forma que se muestra en A, pero sí hay interferencia la señal será como la de B. Podemos deducir que cuanto mayor sea el nivel de interferencia, más pequeña será la sección central, a la que llamamos ojo.

 2.2.4      Ruido

 Cuando no hay señal, en condiciones ideales una línea o canal de transmisión pre­senta una señal eléctrica nula, pero en la práctica la línea exhibe perturbaciones aleatorias, aun cuando no se esté transmitiendo ninguna señal. A ello se le llama nivel de ruido de la línea. En el límite, al atenuarse una señal transmitida, su am­plitud se reduce a la del ruido (de fondo) de la línea. Por tanto, uno de los paráme­tros importantes asociados a los medios de transmisión es la relación entre la potencia medía de una señal recibida, 5, y la potencia del nivel de ruido, N. La rela­ción SIN se denomina razón señal a ruido (SNR: signal-to-noise ratio), que suele expresarse en decibeles; esto es:

                SNR  = 10 log10( S ) dB.

                                                  N

Desde luego, una SNR alta indica que la señal tiene una potencia alta en rela­ción con el nivel de ruido prevaleciente, y por tanto tendrá buena calidad. Por otro lado, una SNR baja implica una señal de baja calidad. La tasa de información (de datos) máxima teórica de un canal de transmisión está relacionada con la SNi~, y podemos determinar dicha tasa con una fórtnula atribuida a Shannon y Hartley. Esta se conoce como ley de Shannon-Hartley, y afirma que:

                C = W log2 ( 1 + S ) bps,

                                                N

donde C es la tasa de información (de datos) en bps, W es el ancho de banda de la línea/canal en Hz, S es la potencia medía de la señal en watts y N es la potencia del ruido aleatorio en watts.

Contaminación Electromagnética: ¿Un problema ecológico?

 Cien años después de las experiencias de Guglielmo Marconi en Inglaterra y posiblemente de Popoff en Rusia, la humanidad enfrenta una situación novedosa y, a la vez, preocupante. No es aventurado decir que cualquier actividad humana está íntimamente relacionada con sistemas industriales, científicos, médicos, de comunicaciones de todo tipo, de navegación, de computación, etc, cuyo funcionamiento, de una manera u otra, depende de la existencia de señales eléctricas y de ondas electromagnéticas.

Por lo tanto, la cantidad de generadores de campos electromagnéticos de todo tipo se ha multiplicado en forma exponencial, cubriendo, prácticamente, todo el espectro.

La posibilidad de recepción de las señales deseadas depende de que el sistema emisor "coloque" en el lugar apropiado una intensidad de campo de nivel suficiente como para superar el mínimo indispensable para el receptor. Dicho mínimo depende de una cantidad de factores: tipo de servicio, antenas utilizadas, frecuencia, condiciones del entorno, etc, que excede el objetivo del presente trabajo.

La presencia de cualquier emisor, deseado o no, se manifiesta por la existencia de un campo electromagnético, que es necesario para el funcionamiento del sistema pero que, también, da lugar a contaminación cuando se lo considera desde el punto de vista de otros equipos que puedan ser susceptibles a él.

El campo que abarca el estudio de toda esta problemática es muy amplio. Hace años que en el mundo se trata el tema dividiéndolo en sus diferentes aspectos:

a.        Se consideran los efectos en tejidos vivos en general, existiendo dentro de este ámbito, y como es lógico suponer, muchas áreas distintas aunque relacionadas.

2. Por separado, se estudian efectos en cada uno de los sistemas "hechos por el hombre" que son o pueden ser susceptibles a este tipo particular de contaminación.

Es decir, de hecho se ha establecido una clara separación entre lo que podría considerarse biofísico y lo que sería tecnológico.

Consideraciones básicas

En primer lugar, debe tenerse presente que desde el origen mismo de la vida en la tierra, los seres vivos estuvieron constantemente inmersos en campos electromagnéticos. Esos campos son naturales, en general de frecuencias e intensidades muy bajas. Son perfectamente tolerables, porque la evolución de todos los vegetales y animales, incluido el hombre, se ha producido en su presencia.

Los campos artificiales o generados por el hombre suelen tomar valores varios órdenes de magnitud superiores, a la vez que sus intensidades pueden estar varios miles de veces por encima de las de los naturales. Lógicamente, ya no es dable esperar la misma adaptabilidad. Además, los seres humanos y muchos otros animales, especialmente los superiores, no tenemos medios para detectar campos electromagnéticos (salvo en frecuencias ópticas), aunque eso está lejos de significar que no sean afectados: está comprobado que efectivamente es así, aunque no se ha demostrado sí en forma positiva o negativa.

Este tipo de radiación se denomina no-ionizante, porque no provoca la descomposición química de los elementos constituyentes de la materia en iones y, por lo tanto, no existe la peligrosa posibilidad de recombinación.

Planteo ecológico

Como se ha dicho, los campos electromagnéticos "invaden" sin permiso alguno la vida cotidiana de todos los seres humanos, en mayor o menor medida, según su hábitat. Desde éste punto de vista se puede asimilar a una contaminación del medio ambiente, que reúne algunas características particulares y peligrosas: su exposición es ineludible y no pueden ser detectadas por el ser humano de por sí.

La tendencia de aplicación de las normas de control, es en lo referente al contralor de las nuevas estaciones o a las existentes, consideradas como entes individuales. Éste proceso lo podemos asimilar a la medición de la contaminación gaseosa de una fuente contaminante, como podría ser un automóvil. Es decir, si mantenemos este paralelismo, es la medición o la caracterización de emisión de una fuente contaminante. Pero, en ecología existe un concepto que no se aplica en las telecomunicaciones: la inmisión. Es decir, siguiendo con el ejemplo del automóvil, una vez que está verificado que el mismo cumple con las normativas de emisión, debo medir el nivel de contaminación de todos los vehículos en puntos alejados de las fuentes contaminantes particulares.

Las mediciones de inmisión corresponden a los entes de aplicación gubernamentales, dado que sería imposible que los costos los pudiese afrontar alguien en particular.

De igual modo, cabría que los mismos, velaran por la "inmisión" electromagnética. Es decir, establecer mediciones periódicas en distintos puntos de la ciudad a fin de evaluar que la suma de todos los niveles de las intensidades de campo a las que está sometido el público, no exceda los máximos establecidos por las normas.

 Autores:

 M.C. Gustavo Lopez¹ , Carlos Valdez² y Mario Vilchis².

¹ Investigador-Académico, CETYS-Universidad, Mexicali, B.C.

² Alumnos investigadores.