Velocidad de bits y frecuencia en comunicaciones de datos

Lisa Bechtold

Berk-Tek Inc.

Ha habido una confusión interminable sobre lo que define la velocidad en las redes de alta velocidad. Aquí explicaremos la diferencia entre megahercios y megabits, así como definiremos la relación entre los dos.

La velocidad de bits no es necesariamente igual a la frecuencia. Coinciden estrechamente para algunos sistemas; para otros, la disparidad es grande. ¿Cuál es, entonces, la relación entre frecuencia, hertz, ciclos y bits?

El bit, o dígito binario, es la información más pequeña que puede procesar una computadora. En muchos sistemas, como el Código Estándar Estadounidense para el Intercambio de Información, puede tomar 8 bits, o 1 byte, para hacer un carácter, una letra, un número o un símbolo. Un bit es un 1 o un 0, un «sí» o «no», o «encendido» o «apagado.»

La frecuencia de una tensión de señal se mide en ciclos por segundo. Un hertz es un ciclo completo por segundo. Si bien una frecuencia más alta puede significar un sistema más rápido, una medición más verdadera de la velocidad de comunicación es la velocidad de bits.

La mayoría de los sistemas de comunicación de datos funcionan a millones de ciclos por segundo, o megahercios. En frecuencias altas, como los valores en el rango de MHz, el tiempo que requiere el ciclo se mide en fracciones minúsculas de segundo.

Si un ciclo de señal lleva 1 bit de información, entonces la frecuencia del sistema (en hertz) es igual a su velocidad (en bits por segundo). Sin embargo, no hay ninguna razón por la que un solo ciclo no pueda llevar más de 1 bit de información. Por lo tanto, es posible aumentar la velocidad de un sistema sin cambiar su frecuencia. Con la prima puesta en la velocidad en el mundo de las comunicaciones de datos, no es sorprendente que se hayan desarrollado varios esquemas de codificación que logran precisamente eso.

Los esquemas de codificación aumentan la velocidad

Por ejemplo, la interfaz de datos distribuidos por fibra utiliza el esquema de codificación digital invertida sin retorno a cero. Este esquema representa los 1s y 0s en transmisión digital usando voltajes bajos y altos alternados. Cualquier cambio de voltaje representa un 1 digital, y ningún cambio representa un 0 digital.

Debido a que cada cambio es reconocido por el receptor como un bit, sin retorno a cero, invertido puede generar 2 bits por ciclo. En este caso, la velocidad de bits es el doble de la frecuencia nominal de la señal.

Para aumentar la velocidad de bits o» velocidad » de la señal en el ejemplo anterior, tendríamos que aumentar la frecuencia. El sistema todavía envía 2 bits por ciclo, pero lo hace en ciclos más cortos.

Aunque esto puede parecer una solución adecuada en la búsqueda de velocidades de comunicación más altas, hay un problema. El aumento de la frecuencia de transmisión puede elevar en gran medida las emisiones de radiación o interferencia electromagnética del sistema, lo que viola las regulaciones de la Comisión Federal de Comunicaciones. El cable se convierte efectivamente en un transmisor que envía señales al aire.

Para ilustrar un ejemplo de aumento de frecuencia en una aplicación de la vida real, el estándar FDDI permite patrones de bits altamente repetitivos. Como ya hemos visto, el no retorno a cero, invertido representa un 1 lógico como un cambio en el nivel de voltaje. Una larga cadena de 1s, entonces, requeriría un cambio constante del nivel de voltaje. Debido a que este cambio toma la forma de una onda sinusoidal que se mueve de voltaje positivo a negativo y viceversa, se deduce que a medida que aumenta la velocidad de la alternancia de nivel de voltaje, también lo hace la frecuencia de la señal.

Dicho de otra manera, la frecuencia de la señal puede variar en cualquier sistema de transmisión dependiendo del contenido de la información que se envía en un momento dado. Los picos y las pausas se producirán cuando la frecuencia del voltaje aumente y disminuya. Las personas que diseñan esquemas de codificación y sistemas de transmisión deben preocuparse por las frecuencias de pico. También deben preocuparse por la cantidad de energía utilizada en el esquema que cae a frecuencias más altas debido a los problemas de radiación mencionados anteriormente.

Codificación multinivel más eficiente

Los esquemas de codificación eficientes en ancho de banda, entonces, están diseñados para transmitir más bits de información utilizando frecuencias más bajas. MLT-3, por ejemplo, es un esquema para FDDI de 100 megabits por segundo sobre cobre. Utiliza un enfoque de umbral multinivel; se utilizan tres niveles de cambio de voltaje en lugar de los dos niveles utilizados para el no retorno a cero, invertido.

Si el esquema invertido de no retorno a cero basado en fibra se traduce a MLT-3, que se ejecuta sobre cobre de par trenzado sin apantallar, entonces cada vez que invertido de no retorno a cero cambia su nivel lógico, el MLT-3 debe hacer lo mismo. El uso de tres niveles en lugar de dos, sin embargo, coloca la frecuencia fundamental máxima de MLT-3 a la mitad de la de no retorno a cero, invertida. Gran parte del rango de frecuencia utilizado es inferior a 30 MHz, dentro del límite impuesto por la FCC para la transmisión de datos UTP. La señal FDDI de 100 Mbit / seg funciona a 31,25 MHz sobre UTP. Una señal de 155 Mbit / seg, como la propuesta para el modo de transferencia asíncrona, puede funcionar a menos de 50 MHz.

Son posibles esquemas de codificación más eficientes en ancho de banda que el MLT – 3, y pueden transmitir 9 o 10 bits por ciclo. Esta tecnología se está aplicando en módems de última generación.

Los esquemas de codificación multinivel son capaces de transmitir paquetes de información más grandes, es decir, más bits, en patrones eficientes a frecuencias más bajas que las que permiten los esquemas de codificación más utilizados. El código invertido sin retorno a cero se describió aquí porque se usa en la transmisión FDDI y también porque proporciona un ejemplo simple de cómo la información digital se puede traducir en una señal para la transmisión.

La mayoría de los códigos conocidos que se usan hoy en día no son tan eficientes como el no retorno a cero, invertido, que solo se puede usar para ciertas aplicaciones tolerantes al tiempo. La codificación diferencial Manchester, utilizada para l0Base-T y token ring, es solo la mitad de eficiente que la no devolución a cero, invertida. Un ciclo puede representar solo 1 bit de información, y la velocidad de bits parece coincidir con la frecuencia. Por ejemplo, l0Base-T de 10 Mbit/seg funciona a 10 MHz.

Aumentar la frecuencia para aumentar el número de bits transmitidos no siempre responde a la necesidad de más velocidad. El aumento de las frecuencias produce un aumento de las emisiones, por lo que su uso no es práctico en el mundo real. Los esquemas de codificación eficientes en ancho de banda están diseñados para aplicaciones de la vida real, como par trenzado de 100 Mbit/seg, dependiente de medios físicos y ATM de 155 Mbit/seg, donde se requieren velocidades de datos más altas, pero los sistemas deben funcionar a niveles de frecuencia utilizables.

El número ampliado de niveles lógicos en esquemas de codificación eficientes en ancho de banda los hace más susceptibles al ruido, así como más eficientes en frecuencia. Con más niveles de señal posibles impulsados más rápidamente por el sistema, hay menos espacio para el ruido de señal errante.

El parámetro crítico para la transmisión adecuada de esquemas de codificación eficientes en ancho de banda a través de cable UTP es la relación atenuación-diafonía. Esta relación es una medida de la diferencia entre la señal deseada y la interferencia y pérdida no deseadas. Define el ancho de banda utilizable del cable. Se deben elegir cables que ofrezcan una diafonía muy baja para evitar esta interferencia interna, la fuente principal de ruido en los sistemas de transmisión UTP. Los cables con alta diafonía aprietan el ancho de banda y reducen su capacidad de carga de información.

Los cables UTP de alto rendimiento que ofrecen valores de diafonía mejorados podrán transportar las señales de red de alta velocidad actualmente en el mercado o en desarrollo. Los esquemas de codificación eficientes mantendrán las frecuencias y las emisiones dentro de niveles tolerables.

Lisa Bechtold es gerente de ingeniería de aplicaciones en Berk-Tek Inc., New Holland, PA.

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