Fundamentos de Transmisión de Datos: Conmutación, Modulación y Multiplexación (FDM, TDM, PCM)

Conceptos Fundamentales en la Transmisión de Datos

Definiciones Clave

• Conmutación: Se refiere al modo de establecimiento de una comunicación entre dos puntos.
• Modulación: Es el proceso de adaptación de la señal al medio de transmisión para facilitar su envío.
• Codificación: Consiste en modificar la señal para mejorar la transmisión, por ejemplo, para hacerla más robusta frente a errores.

Técnicas de Multiplexación

La multiplexación permite combinar múltiples señales para transmitirlas simultáneamente a través de un único medio de comunicación.

FDM (Multiplexación por División de Frecuencia)

• El ancho de banda total del medio debe exceder la suma de los anchos de banda requeridos por cada canal individual.
• Cada señal se modula con una frecuencia portadora distinta.
• Las bandas de frecuencia de las señales no deben solaparse para evitar interferencias.
• Si los datos son digitales, deben convertirse a formato analógico antes de ser multiplexados.
• Las señales analógicas se modulan antes de ser trasladadas a su frecuencia correspondiente.
• Los canales asignados se mantienen fijos, incluso si no se están transmitiendo datos.

TDM (Multiplexación por División de Tiempo)

En TDM, los usuarios comparten el mismo canal de transmisión, pero se les asignan diferentes intervalos de tiempo (ranuras temporales) para enviar sus datos.

Características Generales de TDM

• Control de enlace: La trama TDM no tiene cabecera ni cola, por lo que no requiere protocolos de control complejos a nivel de multiplexación.
• Control de flujo: La velocidad de la línea es fija. Si un canal se interrumpe, los demás no se ven afectados.
• Control de errores: No tiene sentido la retransmisión de tramas TDM completas, ya que se repetirían todos los canales. Los errores se detectan y manejan de forma independiente en cada canal, aplicando protocolos de enlace de datos específicos como HDLC.

Tipos de TDM

• TDM Síncrona: Las ranuras temporales se asignan de forma estática y fija a cada canal, independientemente de si tienen datos para enviar o no.
• TDM Estadística (o Asíncrona): Las ranuras temporales se asignan dinámicamente según la demanda de cada canal.
  • Cada línea de entrada/salida (E/S) dispone de una memoria temporal (buffer).
  • El número de ranuras temporales (k) es menor que el número de líneas de entrada (n).
  • El multiplexor sondea las memorias de entrada, recoge los datos disponibles hasta completar una trama y la envía.
  • Al recibir la trama, el demultiplexor distribuye los datos de cada ranura a la memoria de salida correspondiente.

PCM (Modulación por Codificación de Pulsos)

PCM es una técnica de digitalización de señales analógicas, fundamental en la telefonía digital y otros sistemas de comunicación.

Proceso de PCM

1. Muestreo: Se toman muestras de la señal analógica a intervalos regulares. Este proceso se conoce como Modulación por Amplitud de Pulsos (PAM).
2. Cuantificación: A cada muestra se le asigna un valor digital discreto de un conjunto finito de niveles.
   • Un sistema de 4 bits permite 16 niveles de cuantificación.
   • Un sistema de 8 bits permite 256 niveles, ofreciendo una calidad comparable a la transmisión analógica.
   • Este proceso introduce un error de cuantificación o ruido, ya que las aproximaciones impiden recuperar la señal original con total exactitud.
3. Codificación: El valor digital de cada muestra se convierte en un código binario.

Ejemplo del Sistema MIC

El sistema MIC (Modulación por Impulsos Codificados), utilizado históricamente por Telefónica de España, es un ejemplo clásico de PCM:

• Para digitalizar la voz, se toman 8000 muestras por segundo.
• Cada muestra se codifica con 8 bits.
• Esto resulta en una velocidad de transmisión de: 8000 muestras/s × 8 bits/muestra = 64 kbps.

Prestaciones y Rendimiento

• Calidad de voz: PCM con 128 niveles (7 bits) ya ofrece una buena reproducción de la voz. Con un ancho de banda de voz de 4 kHz, los sistemas MIC que usan 8000 muestras/s y 7 bits/muestra alcanzan 56 kbps.
• Optimización con compresión: La compresión de datos puede reducir significativamente la velocidad de transmisión necesaria. Por ejemplo, las técnicas de codificación intertramas para vídeo pueden disminuir el bitrate de 28 a 15 Mbps en televisión o hasta 64 kbps en aplicaciones de teleconferencia.