3.4 Códigos de línea.

Los códigos de línea son técnicas de codificación esenciales en las telecomunicaciones digitales, utilizadas para preparar señales digitales para su transmisión a través de medios físicos, como cables o fibras ópticas. Estos códigos transforman las secuencias de bits en formas de onda específicas que facilitan su correcta interpretación y transmisión. En este tema, exploraremos los distintos tipos de códigos de línea, cada tipo de codificación tiene sus propias ventajas y aplicaciones, afectando la eficiencia, el ancho de banda y la capacidad para detectar errores. Comprender estos códigos es clave para optimizar la comunicación en sistemas digitales modernos, como redes de datos y sistemas de transmisión de alta velocidad.

Los códigos de línea son la representación de la banda base digital, para la transmisión de una fuente

a un destino. Los unos y ceros binarios, se representan en varios formatos de señalización de bits (código de línea), dependiendo del medio de propagación de la señal para evitar errores en la comunicación. Esta conversión se realiza por medio de circuitos "conversores de código". Algunas de las propiedades de los códigos de línea: 

Auto sincronización: Contenido suficiente de señal de temporización (reloj) que permita identificar

el tiempo correspondiente a un bit.

Capacidad de detección de errores: Debe ser posible detectar y si es viable, corregir el error en la

detección.

Baja probabilidad de error de bits: inmunidad al ruido (problema de interferencia intersímbolos)

RZ: El código de línea RZ (Retorno a Cero) es un método de codificación en el que la señal vuelve a un nivel neutro (cero voltios) en cada intervalo de bit. Esto significa que la señal "retorna" a cero durante cada bit, ya sea que represente un 1 o un 0. Esta característica ayuda a la sincronización entre el transmisor y el receptor, ya que ofrece un cambio de señal en cada bit, lo que facilita que el receptor detecte el ritmo de transmisión.

NRZ: Este esquema es el más simple porque utiliza un nivel de voltaje para representar un 1 y la ausencia de voltaje para representar un 0 (o al revés).

Ventajas: Es fácil de implementar y usa el ancho de banda de manera eficiente.

Desventajas: Tiene problemas de sincronización y puede generar una corriente continua. Es común en grabaciones magnéticas.

NRZ-L: En esta codificación, el nivel de la señal depende del bit que representa. Generalmente, un voltaje positivo significa 0 y un voltaje negativo significa 1 (o viceversa). El problema es que, cuando hay muchos 0s o 1s seguidos, pueden surgir problemas de sincronización, ya que el nivel de voltaje no cambia y el receptor puede perder el ritmo de la transmisión.

NRZ-I: En este esquema, un cambio de voltaje representa un 1, mientras que la ausencia de cambio representa un 0. Esto se basa en la transición del voltaje, no en el nivel en sí. La ventaja de NRZ-I es que ayuda con la sincronización, ya que cada 1 provoca un cambio, permitiendo al receptor ajustar su temporizador. Sin embargo, una larga serie de 0s aún puede dificultar la sincronización.

La figura muestra las representaciones NZR-L y NZR-I de la misma serie de bits. En NZR-L, las tensiones positiva y negativa representan el 0 y el 1, respectivamente. En NZR-I, las tensiones no tienen un significado propio; se reconocen los unos por el cambio de nivel. El siguiente enlace ofrece más detalles sobre este modelo de codificación NZR.

AMI: El código AMI (Alternate Mark Inversion) es un tipo de codificación que representa los "unos"

con impulsos de polaridad alterna y los "ceros" mediante ausencia de pulsos. Cuando se asigna un impulso positivo al primer "1", al siguiente "1" se le asigna un impulso negativo, alternando entre ellos. Además, como es del tipo retorno a cero, durante la segunda mitad del intervalo de bit se utiliza tensión cero para representar el "1".

Es uno de los códigos más utilizados en la transmisión digital a través de redes WAN, ya que no tiene componente de corriente continua residual y su potencia a frecuencia cero es nula. Si hay dos valores positivos sin alternancia, se interpretará como un error en la línea. Los "0" son espacios sin voltaje. El formato bipolar es en realidad una señal de tres estados: +V, 0 y -V.

Adicionalmente, la utilización de codificaciones como B8ZS y HDB3 no solo mejora la eficiencia de la transmisión al evitar problemas de sincronización y componente DC, sino que también permite una mayor integridad de la señal en entornos de transmisión ruidosos. Estas técnicas se han vuelto cruciales en la modernización de redes y en la implementación de tecnologías de transmisión de datos que requieren una alta fiabilidad y baja latencia.

Pseudoternaria:

Las técnicas de codificación binario multinivel corrigen algunas limitaciones de los códigos NRZ. En el esquema Pseudoternario, el bit "1" se representa por ausencia de señal, y el bit "0" por un pulso de polaridad alternante, es decir, los ceros se codifican con impulsos de polaridad alternante, mientras que los unos no tienen señal, a diferencia de la codificación AMI. Esto reduce la componente de corriente continua de la señal, pero no evita la pérdida de sincronización cuando hay secuencias largas de ceros, problema que solucionan los códigos HDBN, que limitan la cantidad de ceros consecutivos.

Ventajas del Pseudoternario:

• Evita problemas de sincronización en secuencias largas de ceros.

• Cada cero genera una transición, permitiendo que el receptor se sincronice.

• El ancho de banda necesario es menor comparado con el esquema NRZ.

Sin embargo, persiste el problema de la sincronización en cadenas largas de unos.

Manchester: La idea detrás de la codificación Manchester es el siguiente: podemos utilizar transiciones voltaje , en vez de niveles extensible , para representar unos y ceros. Considere el siguiente diagrama:

En la parte superior del diagrama se muestra un estándar de interfaz digital que consta de una señal de datos y una señal de reloj.

En la parte inferior, se observa una señal codificada en Manchester que representa los mismos datos.

Es notable cómo las transiciones ocurren en medio de los estados lógicos de la señal de datos estándar, es decir, la transición en Manchester se alinea con el borde del reloj utilizado para muestrear los datos.

También se observa que un bit alto siempre corresponde a una transición de alto a bajo, y un bit bajo a una transición de bajo a alto. (Se podría usar el esquema inverso, siempre y cuando los circuitos receptores sepan el formato esperado).

Este método elimina el problema de acoplamiento de corriente alterna, ya que cada bit requiere una transición, lo cual impide que la señal permanezca en un nivel alto o bajo por un periodo prolongado. Esto se evidencia en el diagrama, donde una secuencia digital continua de unos ("111111") y su correspondiente codificación en Manchester para la misma secuencia se comparan. La señal de reloj se omite por simplicidad, ya que no es esencial para el diseño.

El problema de la sincronización es algo más complejo, ya que aún necesitamos extraer la señal de reloj de algún modo. Sin embargo, la regularidad de las transiciones en la señal nos da una pista intuitiva sobre el momento adecuado para muestrear los datos.

El diagrama de arriba también muestra una desventaja importante de la codificación Manchester: la velocidad de transmisión de datos se reduce a la mitad en relación con el ancho de banda de la señal de datos. Dado que cada bit en Manchester requiere una transición, un solo estado lógico en Manchester equivale a un estado lógico estándar, lo que significa que, para transmitir datos a la misma velocidad, el ancho de banda debe ser el doble.

Aunque podría parecer fácil aumentar la frecuencia de la señal, esto se convierte en un problema cuando el ancho de banda es el factor limitante en la velocidad de transmisión entre transmisor y receptor. Si ya se está utilizando la velocidad máxima, no es posible duplicar la frecuencia, por lo que es necesario reducir la velocidad de transmisión de datos a la mitad.

Manchester Diferencial: La codificación Manchester diferencial (CDP) es una técnica de transmisión de datos que integra datos y señal de reloj en un solo flujo de datos auto-sincronizable. En este método, los valores de los bits se indican mediante la presencia o ausencia de transiciones, lo cual resulta más confiable en entornos con ruido y funciona igual si la señal se invierte.

En este sistema, un bit '1' se representa manteniendo la misma polaridad del bit anterior en la primera mitad del intervalo, mientras que un bit '0' introduce una transición en la primera mitad.

Siempre hay una transición en la mitad del intervalo, lo que facilita la sincronización. Este método de codificación está especificado en el estándar IEEE 802.5 para redes Token Ring y se usa en almacenamiento magnético y óptico.

La codificación Manchester estándar, a diferencia de la diferencial, divide cada bit en dos partes iguales, con una transición en la mitad. Esto permite una buena sincronización, aunque requiere el doble de ancho de banda que otros métodos, como NRZ. Las codificaciones bifase, como la Manchester y la diferencial, aseguran la sincronización automática y ofrecen una detección de errores confiable. Además, estos métodos no tienen componentes de corriente continua, lo que mejora la estabilidad en transmisión de datos.

La codificación Manchester se ha incluido en el estándar IEEE 802.3 para redes LAN, mientras que la diferencial se usa en IEEE 802.5, empleando cables de par trenzado. B8ZS: La codificación B8ZS (Sustitución Bipolar de 8 Ceros) es un esquema utilizado en circuitos T1 que permite mantener la sincronización en la transmisión al encontrarse con una secuencia de ocho ceros consecutivos. Para lograrlo, introduce violaciones en el patrón de señal mediante cambios de voltaje específicos.

Normalmente, en este tipo de señalización, los bits "1" alternan entre voltajes positivo y negativo. Sin embargo, cuando aparecen ocho ceros consecutivos, la codificación B8ZS introduce un patrón de "violaciones" de voltaje. Estas violaciones se basan en la polaridad del último "1" transmitido y se organizan en la secuencia 000V B0VB, donde:

V (Violación): mantiene la misma polaridad del último bit "1".

B (Transición): invierte la polaridad previa.

Este sistema se deriva del método de codificación anterior llamado AMI (Alternate Mark Inversion) y asegura que la señal mantenga la sincronización, especialmente importante en canales T1 y otros sistemas de transmisión digital.

HBD3: El código HDB3 es un método de codificación de línea de tipo "altibajos" diseñado para evitar problemas de señal continua y garantizar la sincronización. Se utiliza para sustituir secuencias de cuatro ceros consecutivos por combinaciones que incluyan uno o dos pulsos, manteniendo así la velocidad de transmisión de datos sin introducir componente continua.

Los objetivos clave de HDB3 son:

• Eliminar componentes de corriente continua.

• Evitar largas secuencias de voltaje nulo.

• Mantener la velocidad de datos.

• Proveer capacidades de detección de errores.

En HDB3, cada secuencia de cuatro ceros consecutivos se reemplaza con un patrón especial que contiene una "violación de código", es decir, un estado de señal que no cumple las reglas normales de alternancia de voltaje, garantizando la sincronización. Estas violaciones alternan en polaridad (positiva y negativa) para evitar la acumulación de componente continua, dependiendo de la cantidad de pulsos desde la última violación y de la polaridad del último "1" transmitido.

HDB3 es el estándar en Europa y Japón, mientras que en Norteamérica se utiliza B8ZS; ambos esquemas derivan del método AMI y son adecuados para transmisiones de alta velocidad, concentrando la energía en una región específica alrededor de la mitad de la frecuencia de los datos.

Referencias:

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