Comunicación de voz y formas de onda analógicas

La voz genera formas de onda acústicas que se propagan por el aire, transmitiendo energía ffsica. Cuando hablamos, se generan formas de onda que alternan alta presión y baja presión. Esas formas de onda se denominan analógicas. Se denominan así, porque su variación es continua, no discreta, y va cambiando gradualmente de alta presión a baja presión, y viceversa. Por supuesto, esas formas de onda no son visibles, ya que corresponden a variaciones de presión.

Figura 1-3 Forma de onda de una señal analógica

El micrófono del aparato telefónico transforma las oscilaciones de presión del aire en energía eléctrica. Las características de la forma de onda eléctrica son similares a las de la forma de onda acústica. Las formas de onda poseen tres características muy importantes para la comunicación de datos: amplitud, frecuencia y fase. En la figura 1-3 podemos ver esas tres características. La amplitud de la señal se mide en relación con su voltaje, y puede tomar valores positivos y negativos. Obsérvese el aspecto analógico de la señal. Se va incrementando gradualmente hasta llegar a un valor máximo, después decrece hasta valer cero, pasa a valores negativos, adquiere su valor mínimo, y vuelve a cero de nuevo. Cada oscilación completa recibe el nombre de ciclo. En la figura 1-3 podemos observar otra característica importante de la señal: su frecuencia. La frecuencia mide el número de ciclos que se completan por segundo, o, lo que es lo mismo, el número de oscilaciones por segundo. La unidad de medida de la frecuencia es el hertzio (Hz), que describe el número de formas de onda que pasan por un punto determinado en un segundo.El término baudio hace referencia a la velocidad de cambios de señal ( el canal, independientemente de la información que la señal lleve. Por ejemplo, una señal de 1800 Hz puede cambiar 1200 veces por segundo. Los 1800 Hz describen la frecuencia de "portadora", y los 1200 cambios hacen referencia a los baudios. Mucha gente utiliza el término "velocidad baudio", que es redundante, ya que el término baudio ya implica una velocidad.

La figura 1-3 muestra también la tercera característica de una señal analógica. La fase de la señal representa el punto que dicha señal ha alcanzado en el ciclo. Como puede verse en dicha figura, cuando el ciclo ha recorrido una cuarta parte de su fase (punto A), se dice que ha recorrido 90 grados, de la misma forma que al recorrer un cuadrante de la circunferencia se recorre 90 grados.

Espectro de frecuencias, ancho de banda y capacidad de información

Una transmisión de voz está constituida por muchas formas de onda de diferentes frecuencias. La distribución relativa de dichas frecuencias determina el tono y timbre particular de cada persona. La voz humana ocupa la banda de frecuencias que va desde 200 Hz a 15,000 Hz, aproximadamente. El oído humano puede detectar un rango de frecuencias mayor, desde 40 Hz hasta 18,000 Hz., aproximadamente. El rango de frecuencias se denomina ancho de banda, un término utilizado en redes de computadoras. En ese contexto, el ancho de banda se refiere al rango de frecuencias de transmisión que se envían por la línea de comunicaciones. El ancho de banda es un concepto crítico en el diseño de redes, ya que la capacidad de transmisión (bits por segundo) está relacionada con él.

La mayoría de los fenómenos físicos con los que estamos familiarizados se manifiestan en forma de variación de frecuencias. Dichas frecuencias se distribuyen desde las frecuencias de audio hasta las frecuencias elevadísimas de los rayos X o los rayos gamma. En la figura 1-4 se muestra el espectro de frecuencias. El espectro va desde las frecuencias bajas que se encuentran en la voz hasta las frecuencias altas que se transmiten por cable coaxial, vía microondas, y las frecuencias altísimas de la luz visible.

La idea de ancho de banda es a veces algo confusa, pero su efecto se puede ver muy rápidamente con algunos ejemplos sencillos. El ancho de banda se calcula restando la frecuencia más baja de la señal de la frecuencia más alta que aparezca en la misma. El canal telefónico ocupa la banda que va desde 300 Hz a 3300 Hz (realmente es un poco más ancho, pero hemos redondeado por conveniencia). Al restar la frecuencia inferior de la superior, obtenemos un ancho de banda de 3000 Hz, o 3 KHz. Esos conjuntos de frecuencias se utilizan para transmitir la voz humana y las comunicaciones de datos mediante señales analógicas o digitales.

Figura 1-4 Espectro de frecuencias electromagnéticas

En la figura 1-4 se puede ver que el ancho de banda entre las frecuencias de 103 y 104 es de 9,000 Hz. Si el canal telefónico ocupa un ancho de banda de 3 KHz, los 9,000 Hz equivalen aproximadamente a tres canales de voz: 9,000/3,000 = 3 canales (aunque aplicando otras tecnologías se podrían obtener más canales). Sin embargo, podemos observar que el ancho de banda entre 107 y 108 es de 90’000,000 Hz. Si dividimos 3,000 Hz, el ancho de banda del canal telefónico, podríamos obtener teóricamente 30,000 canales de voz (en realidad, son menos, debido a la necesidad de separar unos canales de otros). Hablando en términos muy simples, a medida que subimos en el espectro de frecuencias pueden ocurrir más cosas y más rápido. A altas frecuencias, se pueden obtener más canales.

Si transmitiéramos señales de audio a sus frecuencias originales, encontraríamos que es imposible transmitir más de una señal por un mismo canal; las diferentes señales en la banda de 300 a 3,300 Hz se interferirían entre sí. No obstante, los grandes anchos de banda que permiten el cable coaxial o la transmisión por microondas hacen posible transmitir más de un canal simultáneamente ocupando diferentes partes del espectro.

El ancho de banda es un factor que limita la capacidad de transmisión de canal. Otros factores que también la limitan son la potencia de la transmisión y el ruido del canal. El ruido del canal es un problema inherente al mismo y que nunca se puede eliminar completamente. Está producido por varios factores. Por ejemplo, el ruido atmosférico está producido por perturbaciones eléctricas en la atmósfera terrestre. El ruido espacial procede de la energía electromagnética radiada por el sol y otras estrellas, y su espectro de frecuencias es muy ancho. El movimiento aleatorio de los electrones causa también ruido en las líneas conductoras y cables coaxiales.

La capacidad de información de un sistema de comunicaciones es una medida de cuánta información de la fuente puede transportarse por el sistema, en un periodo dado de tiempo. La cantidad de información que puede propagarse a través de un sistema de transmisión es una función del ancho de banda del sistema y el tiempo de transmisión. La relación entre el ancho de banda, tiempo de transmisión y capacidad de información fue desarrollada en 1920 por R.Hartley de los Laboratorios Bell. De manera sencilla, la ley de Hartley es:

I B x tEn donde

I = capacidad de informaciónB = ancho de banda en hertzt = tiempo de transmisión en segundos

La ecuación demuestra que la capacidad de información es una función lineal y directamente proporcional al ancho de banda del sistema y al tiempo de transmisión. Si se modifica el ancho de banda o el tiempo de transmisión, ocurrirá un cambio directamente proporcional en la capacidad de información. Se requiere aproximadamente 3 Khz de ancho de banda para transmitir señales telefónicas con calidad de voz. Se requieren más de 200 Khz de ancho de banda para la transmisión de FM comercial de música de alta fidelidad y

se necesita casi 6 Mhz de ancho de banda para las señales de televisión con una calidad de radiodifusión. Es decir, cuando mayor sea la cantidad de información por unidad de tiempo, mayor será la cantidad de ancho de banda requerida.