Señales y sus Clasificaciones

1.3.- Las señales y sus clasificaciones.

 Una señal son ondas electromagnéticas (rango de frecuencias) propagadas a través de un medio de transmisión. Uno de los aspectos fundamentales del nivel físico es transmitir información en forma de señales electromagnéticas a través de un medio de transmisión. La información puede ser voz, imagen, datos numéricos, caracteres o código, cualquier mensaje que sea legible y tenga significado para el usuario destino, tanto si es humano como si es una máquina. Generalmente, la información que utiliza una persona o una aplicación no está en un formato que se pueda transmitir por la red. Por ejemplo, no se puede sintetizar una fotografía, insertarla en un cable y transmitirla de una ciudad a otra. Sin embargo, se puede transmitir una descripción modificada de la fotografía. Esta codificación son unos y ceros que incluso no pueden ser enviados a través de los enlaces de una red. Antes deberán ser convertidos en un formato aceptable para el medio de transmisión. Por lo tanto, el flujo de datos de unos y ceros debe ser convertido a energía en forma de señales electromagnéticas. Una señal es una función de una variable en el tiempo, que conduce la información. Para cada instante de tiempo (variable independiente) existe un valor único de la función (variable dependiente). La función (o señal) puede ser real o compleja, sin embargo el tiempo siempre tendrá un valor real. Podemos encontrar variaciones, o sea señales, de presión, humedad, luz, calor, energía, velocidad, caudal, concentración, etc. Toda señal lleva consigo (o transporta desde un emisor hasta un receptor) cierta cantidad de información.

Para la electrónica: "la señal se define como una cantidad física que varía con el tiempo, el espacio o cualquier variable o variables independientes". Así, desde el punto de vista matemático una función es una señal. Por ello, en términos generales, la descripción de una señal se da a través de una función; por ejemplo: f(x) = 4xf(x,y)= 4x + 3y Habitualmente las señales se ilustran imprimiéndolas sobre un par de ejes perpendiculares. El eje vertical representa el valor, la fuerza o la potencia de la señal, que puede representar Volts, Wattso Amperes. El eje horizontal representa el paso del tiempo generalmente representado en segundos. El método a utilizar para representar la señal depende del tipo de señal. Por lo tanto, podemos distinguir diferentes clases de señales. Tanto los datos como las señales que los representan pueden estar en forma analógica o digital 

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Analógico: Indica algo que es continuo, un conjunto de puntos específicos de datos y todos los puntos posibles entre ellos.

Digital: Indica algo que es discreto, un conjunto de puntos específicos de datos sin los puntos intermedios. Un ejemplo de una señal analógica es la voz humana. Cuando alguien habla, se crea una onda continua en el aire. Esta onda puede ser capturada por un micrófono y convertida en una señal analógica. Un ejemplo de una señal digital son los datos almacenados en la memoria de una computadora en forma de unos y ceros. Se suelen convertir a señales digitales cuando se transfieren de una posición a otra dentro o fuera de la computadora. Así, las señales pueden ser continuas o  discretas, esta clasificación se puede establecer, después de saber si el eje del tiempo (eje de las abscisas) es discreto o continuo (figura 1.3).

Las señales de tiempo continuo o periódico son aquellas cuya variable independiente (x) es continua y, por tanto, está definida para un conjunto continuo de valores de dicha variable. Dicho de otro modo, una señal es periódica si completa un patrón dentro de un marco de tiempo medible, denominado un período, y repite ese patrón en períodos idénticos subsecuentes. Cuando se completa un patrón completo, se dice que se ha completado un ciclo. Las señales de tiempo discreto o aperiódico poseen solo definición para una sucesión discreta de valores; esto es, su variable independiente pertenece al conjunto de los números enteros y la señal nada más tendrá valores en los espacios que tienen una separación igual y son creados en el eje del tiempo. Dicho de otro modo, una señal es aperiódica (no periódica) cuando cambia constantemente sin exhibir ningún patrón o ciclo que se repita en el tiempo.

SEÑALES ANALOGICAS:

Las señales analógicas se pueden clasificar en simples o compuestas. Una señal analógica simple, o una onda seno, no pueden ser descompuestas en señales más simples. Una señal analógica compuesta está formada por múltiples ondas seno. La señal onda seno es la forma fundamental de una señal continua, analógica y periódica. Visualizada como una única curva oscilante, su cambio a lo largo del curso de un ciclo es suave y consistente, un flujo continuo. La figura 1.5 muestra una onda seno. Cada ciclo está formado por un único arco sobre el eje del tiempo seguido por un único arco por debajo de él. Las ondas seno se pueden describir completamente mediante tres características: amplitud, periodo (o su inverso frecuencia) y fase.

La amplitud de una señal en un gráfico es el valor de la señal en cualquier punto de la onda. Es igual a la distancia vertical desde cualquier punto de la onda hasta el eje horizontal. La máxima amplitud de una onda seno es igual al valor más alto que puede alcanzar sobre el eje vertical (véase la figura 1.6). La amplitud se mide en voltios, amperios o watts, dependiendo del tipo de señal. Los voltios indican el voltaje, los amperios indican la corriente eléctrica y los watts indican la potencia.

El periodo se refiere a la cantidad de tiempo, en segundos, que necesita una señal para completar un ciclo.

La frecuencia indica el número de periodos en un segundo. La frecuencia de una señal es su número de ciclos por segundo.

La figura 1.7 muestra los conceptos de periodo y frecuencia.

Unidad de período:

El periodo se expresa en segundos. La industria de la comunicación usa cinco unidades para medir el periodo:

Segundo (s), milisegundo (ms = 10 -3s), micro-segundo (μs= 10-6s),

Nanosegundo (ns = 10-9 s) y picosegundo

(ps = 10-12 s).

Véase la figura 1.8.

Ejemplo 1.-

Una onda seno tiene una frecuencia de 6 Hz. ¿Cuál es su periodo?

Solución:

Supongamos que T es el periodo y f es la frecuencia. Entonces, T = 1 / f = 1/6 = 0.17 segundos

Ejemplo 2.-

Una onda seno tiene una frecuencia de 8 KHz. ¿Cuál es su periodo?

Solución:

Supongamos que T es el periodo y f es la frecuencia. Entonces, T = 1 /f

= 1/8.000 = 0.000125 segundos = 125 x 106 segundos = 125 μs

SEÑALES DIGITALES:

Los datos además de poderse presentar en forma analógica, también se pueden presentar en forma digital. Donde un 1 lógico representa un voltaje positivo de + 5 Vcd y un 0 lógico representa un voltaje cero (0 Vcd) que equivale a tierra. La mayoría de las señales digitales son aperiódicas (no periódicas) y por lo tanto, la periodicidad o la frecuencia no se utilizan. En su lugar se usan dos términos para una señal digital: intervalo de bit (en lugar de período) y tasa de bit (en lugar de frecuencia). El intervalo de bit es el tiempo necesario para enviar un único bit; y la tasa de bit es el número de intervalos de bits en un segundo. Esto significa que la tasa de bit es el número de bits enviados en un segundo, habitualmente expresado en bits por segundo (bps).

Véase figura1.14.

SEÑALES ELECTRICAS:

Una señal eléctrica es un tipo de señal generada por algún fenómeno electromagnético. Estas señales pueden ser  analógicas, si varían de forma continua en el tiempo, o digitales si varían de forma discreta (con valores dados como 0 y 1). La diferencia entre las señales analógicas y digitales es muy similar a la diferencia entre el tiempo continuo y el tiempo discreto. Hablaremos de una señal analógica

en el caso de que los valores que pueda adoptar la señal pertenezca a un conjunto de valores continuo (y que, en general, puede ser real o complejo). La mayoría de las señales producidas por sistemas puramente físicos son de este tipo (ejemplo: la temperatura, la intensidad de luz, el velocímetro, etc.). Ahora, si el conjunto de valores que adopta la señal pertenece a un conjunto discreto de valores, estaremos en el caso de una discreta o muestrada.

La amplitud de la señal puede ser continua o discreta. Una señal discreta con amplitud discreta se llama digital.

Este tipo de señales es el de uso más frecuente en los sistemas electrónicos, ya que son las únicas capaces de ser almacenadas en las computadoras.

SEÑALES OPTICAS:

En todo sistema de comunicaciones se envía información

por medio de una señal. La información en un sistema de comunicaciones ópticas se envía por medio de impulsos o de señales moduladas de luz. Un enlace básico de comunicaciones ópticas consta de tres elementos fundamentales:

1.   Emisor.- Es la fuente productora de luz, generalmente un diodo láser (LD) o diodo emisor de luz (LED). El emisor contiene además una serie de circuitos electrónicos destinados a generar las señales a transmitir, y a suministrarlas al dispositivo optoelectrónico. Las longitudes de onda más apropiadas para comunicaciones ópticas están en la región del infrarrojo.

2.  Medio.Aunque existen Comunicaciones Ópticas atmosféricas, espaciales o submarinas noguiadas, la gran mayoría de realizan a través de un medio dieléctrico. El medio por excelencia es la fibra óptica (sus características se mencionarán en la siguiente unidad). El material empleado más común, por su extraordinaria transparencia, es la sílice (SiO2). Este material básico va dopado con otros componentes para modificar sus propiedades, en especial su índice de refracción. En comunicaciones ópticas a muy corta distancia (algunos metros) están tomando auge las fibras de plástico (POF).

3.   Receptor.- El circuito de recepción es el elemento más complejo del sistema de comunicaciones ópticas. Consta de un detector, generalmente optoelectrónico, ya sea un fotodiodo (PIN) o un diodo de avalancha (APD) y de una serie de circuitos recuperadores de la señal: amplificador, filtro, comparador, etc. Los sistemas de comunicaciones ópticas, adicionalmente, contienen otros elementos, que varían según la aplicación. Algunos de los más importantes son los siguientes.

a) Repetidores:

Cuando la distancia a cubrir por un enlace supera un cierto límite (algunas decenas de km, usualmente), la señal se degrada y se atenúa excesivamente, por lo que se hace necesaria la instalación de repetidores. Los repetidores pueden ser simples amplificadores de la señal, o incluir además regeneradores de la misma. Hasta hace poco tiempo, todos los repetidores instalados eran electrónicos: la señal óptica se detectaba, se pasaba a señal eléctrica, se manipulaba (en su caso) como tal, y se reconvertía de nuevo a señal óptica. Actualmente, los regeneradores siguen realizando estas etapa selectrónicamente, pero se están sustituyendo los amplificadores electrónicos por amplificadores ópticos de fibra dopada (EDFA). Estos dispositivos amplifican directamente la señal óptica sin conversiones optoelectrónicas.

b) Elementos pasivos:

La manipulación de señales ópticas es más compleja que la de señales eléctricas, por el simple hecho de que, para que se transmita la señal, no basta con el contacto físico, al estilo de los cables eléctricos, sino que se necesita que las propiedades ópticas de la unión sean adecuadas para permitir el paso de la luz. Con el uso de las fibras ópticas como medio de transmisión, ha surgido toda una serie de dispositivos de apoyo, que se ocupan de la transmisión óptima de la señal óptica. Los dos tipos más importantes son los acopladores y los multiplexores en longitud de onda.