En una señal modulada digitalmente o un código de línea , la velocidad de símbolo , la velocidad de modulación o la velocidad en baudios es el número de cambios de símbolo, cambios de forma de onda o eventos de señalización a través del medio de transmisión por unidad de tiempo . La velocidad de símbolo se mide en baudios (Bd) o símbolos por segundo . En el caso de un código de línea, la velocidad de símbolo es la velocidad de pulso en pulsos por segundo. Cada símbolo puede representar o transmitir uno o varios bits de datos. La velocidad de símbolo está relacionada con la velocidad de bits bruta , expresada en bits por segundo .
Un símbolo puede describirse como un pulso en la transmisión de banda base digital o como un tono en la transmisión de banda de paso mediante módems. Un símbolo es una forma de onda, un estado o una condición significativa del canal de comunicación que persiste durante un período de tiempo fijo. Un dispositivo emisor coloca símbolos en el canal a una velocidad de símbolos fija y conocida, y el dispositivo receptor tiene la tarea de detectar la secuencia de símbolos para reconstruir los datos transmitidos. Puede haber una correspondencia directa entre un símbolo y una pequeña unidad de datos . Por ejemplo, cada símbolo puede codificar uno o varios dígitos binarios (bits). Los datos también pueden representarse mediante las transiciones entre símbolos, o incluso mediante una secuencia de muchos símbolos.
El tiempo de duración del símbolo , también conocido como intervalo unitario , se puede medir directamente como el tiempo entre transiciones observando el diagrama de ojo de un osciloscopio . El tiempo de duración del símbolo T s se puede calcular como:
donde f s es la velocidad de símbolo.
Por ejemplo, una velocidad en baudios de 1 kBd = 1000 Bd equivale a una velocidad de símbolos de 1000 símbolos por segundo. En el caso de un módem, esto corresponde a 1000 tonos por segundo y, en el caso de un código de línea, a 1000 pulsos por segundo. El tiempo de duración de los símbolos es 1/1000 segundos = 1 milisegundo.
El término velocidad en baudios se ha utilizado a veces incorrectamente para referirse a la velocidad de bits, ya que estas velocidades son las mismas en los módems antiguos y en los enlaces de comunicación digital más simples que utilizan sólo un bit por símbolo, de modo que el "0" binario se representa con un símbolo y el "1" binario con otro símbolo. En los módems y técnicas de transmisión de datos más avanzados, un símbolo puede tener más de dos estados, por lo que puede representar más de un dígito binario (un dígito binario siempre representa uno de exactamente dos estados). Por este motivo, el valor de la velocidad en baudios a menudo será inferior a la velocidad de bits bruta.
Ejemplo de uso y mal uso de "velocidad en baudios" : Es correcto escribir "la velocidad en baudios de mi puerto COM es 9600" si queremos decir que la velocidad de bits es 9600 bit/s, ya que hay un bit por símbolo en este caso. No es correcto escribir "la velocidad en baudios de Ethernet es 100 megabaudios " o "la velocidad en baudios de mi módem es 56 000" si queremos decir velocidad de bits. Vea a continuación más detalles sobre estas técnicas.
La diferencia entre baudios (o velocidad de señalización) y velocidad de datos (o velocidad de bits) es como la de un hombre que utiliza una sola bandera de semáforo y puede mover su brazo a una nueva posición una vez por segundo, por lo que su velocidad de señalización (baudios) es de un símbolo por segundo. La bandera se puede sostener en una de ocho posiciones distintas: hacia arriba, 45° a la izquierda, 90° a la izquierda, 135° a la izquierda, hacia abajo (que es el estado de reposo, donde no está enviando ninguna señal), 135° a la derecha, 90° a la derecha y 45° a la derecha. Cada señal (símbolo) lleva tres bits de información. Se necesitan tres dígitos binarios para codificar ocho estados. La velocidad de datos es de tres bits por segundo. En la Marina, se puede utilizar más de un patrón de bandera y brazo a la vez, por lo que las combinaciones de estos producen muchos símbolos, cada uno de los cuales transmite varios bits, una velocidad de datos más alta.
Si se transmiten N bits por símbolo y la tasa de bits bruta es R , incluida la sobrecarga de codificación del canal, la tasa de símbolos se puede calcular como:
En ese caso, se utilizan M = 2 N símbolos diferentes. En un módem, estos pueden ser tonos de onda sinusoidal con combinaciones únicas de amplitud, fase y/o frecuencia. Por ejemplo, en un módem 64QAM , M = 64. En un código de línea, estos pueden ser M niveles de voltaje diferentes.
Al tomar la información por pulso N en bit/pulso como el logaritmo en base 2 del número de mensajes distintos M que podrían enviarse, Hartley [1] construyó una medida de la tasa de bits bruta R como:
donde f s es la velocidad en baudios en símbolos/segundo o pulsos/segundo. (Véase la ley de Hartley ).
La modulación se utiliza en canales filtrados de banda de paso, como líneas telefónicas, canales de radio y otros canales multiplexados por división de frecuencia (FDM).
En un método de modulación digital proporcionado por un módem , cada símbolo es típicamente un tono de onda sinusoidal con una frecuencia, amplitud y fase determinadas. La velocidad de transmisión de símbolos, o velocidad en baudios, es la cantidad de tonos transmitidos por segundo.
Un símbolo puede transportar uno o varios bits de información. En los módems de banda vocal para la red telefónica, es habitual que un símbolo transporte hasta 7 bits.
El hecho de transmitir más de un bit por símbolo o bit por pulso tiene ventajas. Reduce el tiempo necesario para enviar una cantidad determinada de datos en un ancho de banda limitado . Se puede lograr una alta eficiencia espectral en (bit/s)/Hz; es decir, una alta tasa de bits en bit/s aunque el ancho de banda en hertz puede ser bajo.
La velocidad máxima en baudios para una banda de paso para métodos de modulación comunes como QAM , PSK y OFDM es aproximadamente igual al ancho de banda de la banda de paso. [2]
Ejemplos de módem de banda vocal:
En el caso de un canal de banda base , como una línea telegráfica, un cable serial o un cable de par trenzado de red de área local, los datos se transfieren utilizando códigos de línea; es decir, pulsos en lugar de tonos de onda sinusoidal. En este caso, la velocidad en baudios es sinónimo de la velocidad de pulsos en pulsos/segundo.
La velocidad máxima en baudios o velocidad de pulso para un canal de banda base se denomina velocidad de Nyquist y es el doble del ancho de banda (el doble de la frecuencia de corte).
Los enlaces de comunicación digital más simples (como los cables individuales en una placa base o el puerto serial RS-232/puerto COM) normalmente tienen una tasa de símbolos igual a la tasa de bits bruta.
Los enlaces de comunicación comunes, como Ethernet de 10 Mbit/s ( 10BASE-T ), USB y FireWire , generalmente tienen una tasa de bits de datos ligeramente inferior a la tasa de baudios, debido a la sobrecarga de símbolos adicionales que no son datos y que se utilizan para la sincronización automática de códigos y la detección de errores .
JM Emile Baudot (1845–1903) elaboró un código de cinco bits para telégrafos que fue estandarizado internacionalmente y que comúnmente se denomina código Baudot .
En técnicas avanzadas como FDDI y LAN Ethernet de 100/1.000 Mbit /s, entre otras, se utilizan más de dos niveles de voltaje para lograr altas velocidades de datos.
Los cables LAN Ethernet de 1000 Mbit/s utilizan cuatro pares de cables en dúplex completo (250 Mbit/s por par en ambas direcciones simultáneamente) y muchos bits por símbolo para codificar sus cargas de datos.
En la transmisión de televisión digital el cálculo de la velocidad de símbolo es:
El 204 es el número de bytes de un paquete, incluidos los 16 bytes finales de corrección de errores Reed-Solomon . El 188 es el número de bytes de datos (187 bytes) más el byte de sincronización del paquete inicial (0x47).
Los bits por símbolo son la (potencia de modulación de 2) × (corrección de error hacia adelante). Por ejemplo, en la modulación 64-QAM, 64 = 2 6, por lo que los bits por símbolo son 6. La corrección de error hacia adelante (FEC) se expresa generalmente como una fracción; es decir, 1/2, 3/4, etc. En el caso de 3/4 FEC, por cada 3 bits de datos, se envían 4 bits, uno de los cuales es para la corrección de errores.
Ejemplo:
entonces
En la televisión digital terrestre ( DVB-T , DVB-H y técnicas similares) se utiliza modulación OFDM , es decir, modulación multiportadora. La tasa de símbolos anterior se debe dividir por el número de subportadoras OFDM para obtener la tasa de símbolos OFDM. Consulte la tabla de comparación de sistemas OFDM para obtener más detalles numéricos.
Algunos enlaces de comunicación (como las transmisiones GPS , los teléfonos celulares CDMA y otros enlaces de espectro disperso ) tienen una tasa de símbolos mucho más alta que la tasa de datos (transmiten muchos símbolos llamados chips por bit de datos). Representar un bit por una secuencia de chips de muchos símbolos supera la interferencia cocanal de otros transmisores que comparten el mismo canal de frecuencia, incluida la interferencia de radio , y es común en radios militares y teléfonos celulares . A pesar del hecho de que usar más ancho de banda para transportar la misma tasa de bits da una baja eficiencia espectral del canal en (bit/s)/Hz, permite muchos usuarios simultáneos, lo que resulta en una alta eficiencia espectral del sistema en (bit/s)/Hz por unidad de área.
En estos sistemas, la tasa de símbolos de la señal de alta frecuencia transmitida físicamente se denomina tasa de chip , que también es la tasa de pulsos de la señal de banda base equivalente . Sin embargo, en sistemas de espectro ensanchado, el término símbolo también puede usarse en una capa superior y hacer referencia a un bit de información, o a un bloque de bits de información que se modulan utilizando, por ejemplo, modulación QAM convencional, antes de que se aplique el código de ensanchamiento CDMA. Utilizando la última definición, la tasa de símbolos es igual o inferior a la tasa de bits.
La desventaja de transmitir muchos bits por símbolo es que el receptor tiene que distinguir muchos niveles de señal o símbolos entre sí, lo que puede resultar difícil y provocar errores de bits en el caso de una línea telefónica deficiente que tenga una baja relación señal/ruido. En ese caso, un módem o un adaptador de red pueden elegir automáticamente un esquema de modulación o un código de línea más lento y robusto, que utilice menos bits por símbolo, con el fin de reducir la tasa de errores de bits.
Un diseño de conjunto de símbolos óptimo tiene en cuenta el ancho de banda del canal, la tasa de información deseada, las características de ruido del canal y del receptor, y la complejidad del receptor y del decodificador.
Muchos sistemas de transmisión de datos funcionan mediante la modulación de una señal portadora . Por ejemplo, en la modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) , la frecuencia de un tono varía entre un pequeño conjunto fijo de valores posibles. En un sistema de transmisión de datos sincrónico , el tono solo puede cambiar de una frecuencia a otra a intervalos regulares y bien definidos. La presencia de una frecuencia particular durante uno de estos intervalos constituye un símbolo. (El concepto de símbolos no se aplica a los sistemas de transmisión de datos asincrónicos). En un sistema modulado, el término tasa de modulación puede usarse como sinónimo de tasa de símbolos.
Si la señal portadora tiene sólo dos estados, entonces sólo un bit de datos (es decir, un 0 o un 1) puede ser transmitido en cada símbolo. La tasa de bits es en este caso igual a la tasa de símbolos. Por ejemplo, un sistema FSK binario permitiría que la portadora tenga una de dos frecuencias, una representando un 0 y la otra un 1. Un esquema más práctico es la modulación por desplazamiento de fase binaria diferencial , en la que la portadora permanece en la misma frecuencia, pero puede estar en una de dos fases. Durante cada símbolo, la fase permanece igual, codificando un 0, o salta 180°, codificando un 1. Nuevamente, sólo un bit de datos (es decir, un 0 o un 1) es transmitido por cada símbolo. Este es un ejemplo de datos que se codifican en las transiciones entre símbolos (el cambio de fase), en lugar de los símbolos mismos (la fase real). (La razón de esto en la modulación por desplazamiento de fase es que es poco práctico conocer la fase de referencia del transmisor).
Al aumentar el número de estados que puede adoptar la señal portadora, el número de bits codificados en cada símbolo puede ser mayor que uno. La tasa de bits puede ser entonces mayor que la tasa de símbolos. Por ejemplo, un sistema de modulación por desplazamiento de fase diferencial podría permitir cuatro posibles saltos de fase entre símbolos. Entonces podrían codificarse dos bits en cada intervalo de símbolos, logrando una tasa de datos del doble de la tasa de símbolos. En un esquema más complejo como 16-QAM , se transmiten cuatro bits de datos en cada símbolo, lo que da como resultado una tasa de bits de cuatro veces la tasa de símbolos.
Aunque es común elegir que la cantidad de símbolos sea una potencia de 2 y enviar un número entero de bits por baudio, esto no es obligatorio. Los códigos de línea, como la codificación bipolar y MLT-3, utilizan tres estados de portadora para codificar un bit por baudio mientras se mantiene el equilibrio de CC .
El código de línea 4B3T utiliza tres bits modulados 3-arios para transmitir cuatro bits de datos, a una velocidad de 1,3 3 bits por baudio.
La modulación de una portadora aumenta el rango de frecuencia, o ancho de banda , que ocupa. Los canales de transmisión generalmente están limitados en el ancho de banda que pueden transportar. El ancho de banda depende de la tasa de símbolos (modulación) (no directamente de la tasa de bits ). Como la tasa de bits es el producto de la tasa de símbolos y el número de bits codificados en cada símbolo, es claramente ventajoso aumentar esta última si la primera es fija. Sin embargo, por cada bit adicional codificado en un símbolo, la constelación de símbolos (el número de estados de la portadora) duplica su tamaño. Esto hace que los estados sean menos distintos entre sí, lo que a su vez hace que sea más difícil para el receptor detectar el símbolo correctamente en presencia de perturbaciones en el canal.
La historia de los módems es el intento de aumentar la velocidad de bits en un ancho de banda fijo (y, por lo tanto, una velocidad de símbolos máxima fija), lo que lleva a un aumento de bits por símbolo. Por ejemplo, la norma ITU-T V.29 especifica 4 bits por símbolo, a una velocidad de símbolos de 2400 baudios, lo que da una velocidad de bits efectiva de 9600 bits por segundo.
La historia del espectro ensanchado va en la dirección opuesta, lo que lleva a que cada vez haya menos bits de datos por símbolo para distribuir el ancho de banda. En el caso del GPS, tenemos una velocidad de datos de 50 bit/s y una velocidad de símbolos de 1,023 Mchips/s. Si cada chip se considera un símbolo, cada símbolo contiene mucho menos de un bit (50 bit/s / 1.023 ksímbolos/s ≈ 0,000,05 bits/símbolo).
La colección completa de M símbolos posibles en un canal particular se denomina esquema de modulación M-ario . La mayoría de los esquemas de modulación transmiten una cantidad entera de bits por símbolo b , lo que requiere que la colección completa contenga M = 2 b símbolos diferentes. Los esquemas de modulación más populares se pueden describir mostrando cada punto en un diagrama de constelación , aunque algunos esquemas de modulación (como MFSK , DTMF , modulación por posición de pulso , modulación de espectro ensanchado ) requieren una descripción diferente.
En telecomunicaciones , en lo que respecta a la modulación de una portadora , una condición significativa es uno de los parámetros de la señal elegidos para representar la información . [3]
Una condición significativa puede ser una corriente eléctrica (voltaje o nivel de potencia ), un nivel de potencia óptica, un valor de fase o una frecuencia o longitud de onda particular . La duración de una condición significativa es el intervalo de tiempo entre instantes significativos sucesivos. [3] Un cambio de una condición significativa a otra se denomina transición de señal . La información puede transmitirse durante el intervalo de tiempo dado o codificarse como la presencia o ausencia de un cambio en la señal recibida. [4]
Las condiciones significativas se reconocen mediante un dispositivo apropiado llamado receptor, demodulador o decodificador. El decodificador traduce la señal real recibida a su valor lógico deseado , como un dígito binario (0 o 1), un carácter alfabético, una marca o un espacio. Cada instante significativo se determina cuando el dispositivo apropiado asume una condición o estado utilizable para realizar una función específica, como grabación, procesamiento o activación de puertas . [3]
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