Fundamentos de Sistemas de Comunicación: Conceptos Esenciales

Fundamentos de Sistemas de Comunicación: Conceptos Esenciales

Este documento aborda preguntas fundamentales sobre los sistemas de comunicación, sus componentes, fenómenos físicos y conceptos clave.

1. Elementos Básicos de un Sistema de Comunicaciones

Pregunta: Nombre y defina cada uno de los elementos básicos de un sistema de comunicaciones. Dibuje un esquema de las distintas partes y su interacción.

Respuesta: Los elementos fundamentales de un sistema de comunicaciones son:

• Fuente: Es el origen del mensaje o la información a transmitir. Ejemplos incluyen la voz humana, una imagen de televisión o un mensaje de texto.
• Transmisor: Convierte la señal de banda base (la información original) en una señal con características óptimas para ser enviada a través del canal. Esto a menudo implica modulación y amplificación.
• Canal de Comunicaciones: Es el medio físico o el espacio a través del cual se propaga la señal. Puede ser un alambre, un cable coaxial, una guía de ondas, fibra óptica o un enlace de radio (espacio libre).
• Ruido/Interferencias: Son agentes externos al sistema que añaden o modifican la información que se está transmitiendo, degradando la calidad de la señal.
• Receptor: Procesa la señal proveniente del canal, la transforma de nuevo a banda base (demodulación) e intenta eliminar la interferencia o el ruido introducido durante la transmisión.
• Destinatario: Es la unidad o entidad final a la que se entrega el mensaje o la información procesada.

2. Espectro de Frecuencia

Pregunta: ¿Qué es el espectro de frecuencia?

Respuesta: El espectro de frecuencia es la representación de una señal en el dominio de la frecuencia, mostrando la distribución de sus componentes de frecuencia. También se refiere a la ubicación y organización de todos los rangos de frecuencias de las diferentes señales electromagnéticas en un mismo sistema de referencia. Este puede subdividirse según su uso y regulaciones.

3. Filtros Electrónicos

Pregunta: ¿Qué es un filtro electrónico? Nombre algunos tipos de filtros y describa su característica de corte.

Respuesta: Un filtro electrónico es un elemento o circuito diseñado para discriminar (permitir el paso o atenuar) una determinada frecuencia o rango de frecuencias de una o más señales eléctricas que pasan a través de él.

Tipos de Filtros y Frecuencia de Corte:

• Filtro Pasa-bajos: Permite el paso de frecuencias por debajo de una frecuencia de corte y atenúa significativamente las frecuencias superiores.
• Filtro Pasa-altos: Permite el paso de frecuencias por encima de una frecuencia de corte y atenúa las frecuencias inferiores.
• Filtro Pasa-banda: Permite el paso de frecuencias dentro de un rango específico (banda de paso) y atenúa las que están fuera de ese rango.
• Filtro Rechaza-banda (o Elimina-banda): Atenúa las frecuencias dentro de un rango específico y permite el paso de las que están fuera de ese rango.

La frecuencia de corte (o frecuencia de esquina) es la frecuencia en la que la potencia de la señal de salida de un filtro se reduce a la mitad (o -3 dB) con respecto a la potencia máxima en la banda de paso. Marca el punto de transición entre la banda de paso y la banda de atenuación del filtro.

4. Ondas Electromagnéticas y su Propagación

Pregunta: ¿Qué es una onda electromagnética? ¿En qué medio se propaga?

Respuesta: Una onda electromagnética (OEM) es una perturbación que se propaga en el espacio, transportando energía. Está compuesta por campos eléctricos y magnéticos oscilantes que son perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación. Su comportamiento puede ser descrito por ecuaciones matemáticas y, aunque usualmente existen en el dominio del tiempo, su análisis en el dominio de la frecuencia es crucial.

Las ondas electromagnéticas se propagan en diversos medios:

• Vacío: Es el medio ideal para su propagación, donde alcanzan su velocidad máxima (la velocidad de la luz).
• Aire/Atmósfera: Se propagan con cierta atenuación y efectos de refracción.
• Medios Dieléctricos: Como el vidrio (en fibra óptica), plásticos, etc.
• Conductores Metálicos: Como cables coaxiales o guías de onda, aunque con pérdidas.
• Agua: Se propagan en el agua, pero sufren una atenuación muy significativa, especialmente a medida que aumenta la frecuencia. Las frecuencias muy bajas (VLF, ELF) pueden penetrar el agua a mayores profundidades.

5. Parámetros de una Señal: Longitud de Onda, Frecuencia, Amplitud y Fase

Pregunta: Defina longitud de onda, frecuencia, amplitud y fase de una señal.

Respuesta:

• Longitud de Onda (λ): Es la distancia espacial entre dos puntos consecutivos de una onda que están en la misma fase (por ejemplo, dos crestas o dos valles). Se mide en metros (m) y está inversamente relacionada con la frecuencia y la velocidad de propagación (λ = v/f).
• Frecuencia (f): Es el número de ciclos completos que una onda realiza por unidad de tiempo. Se mide en Hertz (Hz), donde 1 Hz equivale a un ciclo por segundo.
• Amplitud: Es la magnitud máxima de la perturbación de la onda desde su posición de equilibrio. Representa la intensidad o fuerza de la señal.
• Fase (φ): Describe la posición de un punto en el ciclo de una onda en un instante de tiempo determinado, en relación con un punto de referencia o el origen. Se mide en grados o radianes.

6. Bandas del Espectro Radioeléctrico

Pregunta: Nombre las bandas del espectro radioeléctrico con sus frecuencias y longitudes de onda.

Respuesta: El espectro radioeléctrico se divide en varias bandas, cada una con rangos de frecuencia y longitudes de onda específicos, y usos típicos:

7. Concepto de Información

Pregunta: Defina el concepto de información.

Respuesta: La información es un conjunto organizado de datos procesados que constituyen un mensaje sobre un determinado ente o fenómeno. En el contexto de las comunicaciones, es el contenido significativo que se produce en la fuente para ser transferido al usuario, con el propósito de reducir la incertidumbre o permitir la toma de decisiones.

8. Teoría de la Información

Pregunta: ¿Qué describe la teoría de la información?

Respuesta: La Teoría de la Información es un campo de las matemáticas aplicadas que estudia la cuantificación, almacenamiento y comunicación de la información. Describe cómo se puede transmitir información de manera eficiente y confiable a través de un canal, incluso en presencia de ruido, y establece los límites fundamentales de la compresión y la transmisión de datos. Su objetivo es maximizar la cantidad de información que se puede transmitir y minimizar los errores.

9. Diferencia entre Datos e Información

Pregunta: ¿Cuál es la diferencia entre datos e información?

Respuesta: La diferencia principal entre datos e información radica en su significado y contexto:

• Dato: Es una representación simbólica (numérica, alfabética, algorítmica, etc.) de un atributo o variable. Por sí solo, un dato puede no tener un significado completo o ser útil. Por ejemplo, “25” es un dato.
• Información: Es un conjunto de datos procesados, organizados y estructurados de manera que adquieren un significado, relevancia y propósito. La información permite la toma de decisiones o la comprensión de un fenómeno. Por ejemplo, “La temperatura actual es de 25°C” es información.

10. Límite de Shannon (Teorema de Shannon-Hartley)

Pregunta: Describa la fórmula del límite de Shannon. ¿Para qué sirve esta expresión?

Respuesta: El Límite de Shannon (o Teorema de Shannon-Hartley) establece la capacidad máxima teórica de un canal de comunicación para transmitir información sin errores, dada una cierta cantidad de ruido. La fórmula es:

C = B * log₂(1 + S/N)

Donde:

• C: Capacidad de información del canal (bits por segundo, bps).
• B: Ancho de banda del canal (Hertz, Hz).
• S: Potencia promedio de la señal recibida (Watts).
• N: Potencia promedio del ruido (Watts).
• S/N: Relación Señal a Ruido (SNR), una relación sin unidades.

Utilidad: Esta expresión es fundamental porque nos permite determinar la cantidad máxima de información que puede ser transferida por un sistema de comunicaciones en función de su ancho de banda y la relación señal/ruido. Establece un límite superior teórico para la velocidad de transmisión de datos que no puede ser superado, independientemente de la complejidad de la codificación o modulación utilizada.

11. Modos de Transmisión

Pregunta: Nombre y describa los modos de transmisión.

Respuesta: Los modos de transmisión definen la dirección y simultaneidad del flujo de datos entre dos dispositivos:

• Transmisión Simplex (SX): La transmisión de datos ocurre en un único sentido, desde el transmisor hacia el receptor. No hay posibilidad de intercambio de roles ni de comunicación bidireccional. Ejemplo: Transmisión de radio o televisión.
• Transmisión Half-Duplex (HDX): La transmisión de datos puede ocurrir en ambas direcciones, pero no de forma simultánea. El canal se utiliza alternativamente para enviar y recibir. Ejemplo: Un walkie-talkie, donde se habla o se escucha, pero no ambas a la vez.
• Transmisión Full-Duplex (FDX): La transmisión de datos puede ocurrir en ambas direcciones de forma simultánea. Se utilizan dos canales o frecuencias separadas, o técnicas de multiplexación, para permitir el envío y la recepción al mismo tiempo. Ejemplo: Una conversación telefónica.

12. Concepto de Ruido en Comunicaciones

Pregunta: ¿Qué es el ruido?

Respuesta: El ruido en comunicaciones se refiere a cualquier señal no deseada que se añade a la señal útil durante su transmisión, degradando su calidad y dificultando la correcta interpretación de la información. Puede ser generado por diversas fuentes, tanto naturales (como el ruido térmico, atmosférico o cósmico) como artificiales (interferencias electromagnéticas de equipos electrónicos, motores, etc.).

14. Ruido Térmico

Pregunta: ¿Qué es el ruido térmico?

Respuesta: El ruido térmico (o ruido Johnson-Nyquist) es el ruido eléctrico generado por la agitación térmica aleatoria de los portadores de carga (generalmente electrones) dentro de un conductor eléctrico en equilibrio térmico. Está presente en todos los componentes electrónicos y es una fuente fundamental de ruido en los sistemas de comunicación, siendo inevitable y dependiente de la temperatura y el ancho de banda.

15. Ruido Blanco

Pregunta: ¿Qué es el ruido blanco?

Respuesta: El ruido blanco es un tipo de ruido aleatorio que tiene una densidad espectral de potencia constante en todo el rango de frecuencias. Esto significa que todas las frecuencias tienen la misma potencia, de manera análoga a la luz blanca que contiene todas las frecuencias del espectro visible. A menudo se asocia con una distribución gaussiana de amplitud, lo que lo convierte en un modelo común para el ruido en muchos sistemas de comunicación.

16. Relación Señal a Ruido (S/R)

Pregunta: Defina relación señal a ruido S/R.

Respuesta: La Relación Señal a Ruido (SNR o S/R) es una medida que compara el nivel de una señal deseada con el nivel de ruido de fondo. Se define como la relación entre la potencia de la señal y la potencia del ruido, y se expresa comúnmente en decibelios (dB). Una SNR alta indica una señal más clara y de mejor calidad, mientras que una SNR baja implica que el ruido es significativo en relación con la señal.

17. Factor de Ruido

Pregunta: ¿Qué es el factor de ruido?

Respuesta: El Factor de Ruido (F) o Figura de Ruido (NF, Noise Figure) es una medida de la degradación de la relación señal a ruido (SNR) introducida por un componente o sistema en un proceso de comunicación. Se define como la relación entre la SNR de entrada y la SNR de salida de un dispositivo. Se expresa a menudo en decibelios (dB) y un valor más bajo indica un mejor rendimiento del dispositivo en términos de ruido.

18. Concepto de Decibel (dB)

Pregunta: Defina el concepto de decibel.

Respuesta: El Decibel (dB) es una unidad logarítmica utilizada para expresar la relación entre dos valores de una magnitud, generalmente potencia o intensidad. Es ampliamente utilizado en ingeniería de comunicaciones para cuantificar ganancias o pérdidas de señal, ya que permite manejar rangos muy amplios de valores de manera más compacta y linealizar operaciones de multiplicación/división en suma/resta.

19. Modulación: Clasificación y Tipos

Pregunta: ¿Qué es la modulación? ¿Cómo se clasifica? Nombre algunos tipos.

Respuesta: La modulación es el proceso de variar una o más características (amplitud, frecuencia o fase) de una onda portadora (de alta frecuencia) en función de una señal moduladora (de baja frecuencia, que contiene la información). Su propósito es adaptar la señal de información para su transmisión eficiente a través de un canal, permitiendo que la señal viaje largas distancias y que múltiples señales compartan el mismo medio.

Clasificación y Tipos de Modulación:

• Modulación Analógica: La señal moduladora es analógica.
  • De Onda Continua:
    • Lineal:
      • AM (Modulación de Amplitud): La amplitud de la portadora varía según la señal moduladora.
    • Angular:
      • FM (Modulación de Frecuencia): La frecuencia de la portadora varía según la señal moduladora.
      • PM (Modulación de Fase): La fase de la portadora varía según la señal moduladora.
  • De Pulsos:
    • PAM (Modulación por Amplitud de Pulso): La amplitud de los pulsos varía.
    • PWM (Modulación por Ancho de Pulso): El ancho de los pulsos varía.
    • PPM (Modulación por Posición de Pulso): La posición de los pulsos varía.
• Modulación Digital (Keying): La señal moduladora es digital (bits).
  • ASK (Amplitude Shift Keying): La amplitud de la portadora varía entre un número discreto de valores.
  • FSK (Frequency Shift Keying): La frecuencia de la portadora varía entre un número discreto de valores.
  • PSK (Phase Shift Keying): La fase de la portadora varía entre un número discreto de valores (ej. BPSK, QPSK).
  • DPSK (Differential Phase Shift Keying): La fase se modula en relación con la fase del símbolo anterior.
  • QAM (Quadrature Amplitude Modulation): Combina variaciones de amplitud y fase para codificar más bits por símbolo.

20. Diferencia entre Modulación y Codificación

Pregunta: ¿Cuál es la diferencia entre modulación y codificación?

Respuesta: La codificación y la modulación son procesos distintos pero complementarios en un sistema de comunicaciones, ambos esenciales para la transmisión eficiente y confiable de la información:

• Codificación: Se refiere a la transformación de la información original en un formato adecuado para la transmisión. Esto incluye:
  • Codificación de Fuente: Compresión de datos para reducir la redundancia y el tamaño de la información (ej. MP3, JPEG).
  • Codificación de Canal: Adición de redundancia controlada a los datos para permitir la detección y corrección de errores que puedan ocurrir durante la transmisión debido al ruido o interferencias (ej. códigos Hamming, Reed-Solomon).
  El resultado de la codificación es una secuencia de bits o símbolos digitales.
• Modulación: Es el proceso de adaptar la señal codificada (generalmente digital, pero también analógica) a las características del canal de transmisión. Esto se logra variando una o más propiedades (amplitud, frecuencia o fase) de una onda portadora de alta frecuencia. Su objetivo es permitir que la señal viaje eficientemente a través del medio físico (aire, cable, fibra) y optimizar el uso del espectro.

En resumen, la codificación prepara la información, mientras que la modulación prepara la señal para el medio de transmisión.

21. Medios de Transmisión

Pregunta: Nombre los medios de transmisión guiados y no guiados.

Respuesta: Los medios de transmisión se clasifican en:

• Medios de Transmisión Guiados (o Alámbricos): La señal se propaga a través de un medio físico sólido que la confina.
  • Cable de par trenzado (UTP, STP)
  • Cable coaxial
  • Fibra óptica
  • Guía de onda
• Medios de Transmisión No Guiados (o Inalámbricos): La señal se propaga a través del espacio libre sin un conductor físico que la dirija.
  • Ondas de radio (incluye microondas, ondas cortas, satélite)
  • Infrarrojos
  • Luz visible (comunicaciones ópticas en espacio libre)

22. Ancho de Banda

Pregunta: Defina el ancho de banda.

Respuesta: El Ancho de Banda es un concepto fundamental en comunicaciones con dos interpretaciones principales:

• Ancho de Banda de Frecuencia: Es el rango de frecuencias que un canal, dispositivo o sistema puede transmitir o procesar. Se mide en Hertz (Hz) y representa la diferencia entre la frecuencia más alta y la más baja que un sistema puede manejar eficientemente.
• Ancho de Banda de Datos (Capacidad de Canal): Se refiere a la cantidad máxima de datos que pueden ser transmitidos a través de un canal de comunicación en un período de tiempo determinado. Se mide en bits por segundo (bps) y está directamente relacionado con el ancho de banda de frecuencia y la relación señal/ruido (según el Teorema de Shannon).

23. Velocidad de Transmisión

Pregunta: ¿Qué es la velocidad de transmisión?

Respuesta: La velocidad de transmisión (o tasa de bits, bit rate) es la rapidez con la que los datos se transfieren de un punto a otro a través de un canal de comunicación. Se mide en bits por segundo (bps) o sus múltiplos (Kbps, Mbps, Gbps). Indica cuántos bits de información pueden ser enviados o recibidos por unidad de tiempo, siendo un indicador clave del rendimiento de una red o enlace de comunicación.

24. Diferencia entre Señales AM y FM

Pregunta: ¿Cuál es la diferencia de una señal AM y FM? Dibújelas.

Respuesta: La principal diferencia entre la Modulación de Amplitud (AM) y la Modulación de Frecuencia (FM) radica en la característica de la onda portadora que se varía para codificar la información:

• Modulación de Amplitud (AM):
  • La amplitud de la onda portadora se varía en proporción a la amplitud de la señal moduladora (información).
  • La frecuencia y la fase de la portadora permanecen constantes.
  • Es más susceptible al ruido y las interferencias, ya que el ruido afecta directamente la amplitud de la señal.
  • Requiere un ancho de banda menor que FM para la misma calidad de audio.
• Modulación de Frecuencia (FM):
  • La frecuencia de la onda portadora se varía en proporción a la amplitud de la señal moduladora.
  • La amplitud de la portadora permanece constante.
  • Es menos susceptible al ruido y las interferencias, ya que la información está codificada en la frecuencia, que es menos afectada por el ruido de amplitud.
  • Requiere un ancho de banda mayor que AM.

Ambas son técnicas de modulación analógica. Aunque FM puede ser utilizada para transmitir datos digitales (FSK), la modulación base en sí misma es analógica. (La representación gráfica de estas señales ilustraría estas variaciones).

25. Efecto de la Curvatura de la Tierra en Señales de Radio

Pregunta: ¿Cuál es el efecto de la curvatura de la Tierra en las señales de radio?

Respuesta: La curvatura de la Tierra tiene un efecto significativo en la propagación de las señales de radio, especialmente para las frecuencias más altas (VHF, UHF y microondas) que se propagan principalmente por línea de vista directa:

• Limitación de la Línea de Vista: La curvatura limita la distancia máxima a la que una señal puede viajar directamente entre un transmisor y un receptor sin obstrucciones. Esto se conoce como el horizonte de radio, que es ligeramente mayor que el horizonte visual debido a la refracción atmosférica.
• Difracción: Las ondas de radio pueden difractarse (curvarse) ligeramente alrededor de la curvatura de la Tierra, permitiendo que la señal viaje un poco más allá del horizonte visual. Este efecto es más pronunciado para frecuencias más bajas.
• Propagación por Onda Terrestre: Para frecuencias muy bajas, la onda puede seguir la curvatura de la Tierra, lo que permite la comunicación a distancias muy largas.
• Necesidad de Repetidores o Satélites: Para comunicaciones de larga distancia con frecuencias de línea de vista, es necesario el uso de repetidores terrestres o satélites para superar la limitación impuesta por la curvatura.

26. La Ionosfera y su Importancia en Radiocomunicaciones

Pregunta: ¿Qué es la ionosfera y cuál es la importancia en las radiocomunicaciones?

Respuesta: La ionosfera es una región de la atmósfera terrestre que se extiende aproximadamente desde los 60 km hasta los 1000 km de altitud, caracterizada por la presencia de una alta concentración de iones y electrones libres. Esta ionización es causada principalmente por la radiación solar ultravioleta y de rayos X.

Importancia en las Radiocomunicaciones: La ionosfera es crucial para las radiocomunicaciones de larga distancia, especialmente en las bandas de HF (ondas cortas). Actúa como un “espejo” o reflector para las ondas de radio, permitiendo que estas reboten entre la ionosfera y la superficie terrestre. Este fenómeno, conocido como propagación por onda espacial o skywave, posibilita la comunicación más allá del horizonte visual. La densidad de iones varía con la hora del día, la estación del año y la actividad solar, afectando la propagación y la elección de frecuencias.

27. Instrumentos para Medir Ondas Electromagnéticas

Pregunta: ¿Qué instrumentos se usan para medir ondas electromagnéticas?

Respuesta: Para medir y analizar ondas electromagnéticas en el contexto de las comunicaciones, se utilizan diversos instrumentos especializados:

• Analizador de Espectro: Muestra la distribución de potencia de una señal en función de la frecuencia, permitiendo identificar componentes de frecuencia, ancho de banda, niveles de ruido e interferencias.
• Osciloscopio: Permite visualizar la forma de onda de una señal en el dominio del tiempo, útil para analizar amplitud, frecuencia, fase, distorsiones y temporización.
• Medidor de Potencia RF: Mide la potencia de una señal de radiofrecuencia en un punto específico del sistema.
• Analizador de Antenas: Mide las características de una antena, como la impedancia, ROE (Relación de Onda Estacionaria) y la pérdida de retorno, para asegurar su eficiencia.
• Medidor de Campo Electromagnético (EMF Meter): Mide la intensidad de los campos eléctricos y magnéticos en un entorno, útil para evaluar la exposición o la presencia de radiación.
• Vector Network Analyzer (VNA): Mide las propiedades de dispersión de dispositivos eléctricos, útil para caracterizar componentes de RF y microondas.

28. Propagación de Ondas Electromagnéticas en Medios

Pregunta: ¿En qué medios se propaga la onda electromagnética y en cuáles no se propaga?

Respuesta: Las ondas electromagnéticas se propagan en una amplia variedad de medios, aunque con diferentes niveles de atenuación:

• Se Propagan en:
  • Vacío: Es el medio ideal para su propagación, sin atenuación, a la velocidad de la luz.
  • Aire/Atmósfera: Se propagan con cierta atenuación debido a la absorción y dispersión, y efectos de refracción.
  • Medios Dieléctricos: Materiales no conductores como el vidrio (en fibra óptica), plásticos, cerámica, etc.
  • Conductores Metálicos: Como cables coaxiales o guías de onda, donde la energía se confina y se propaga con pérdidas.
  • Agua: Las ondas electromagnéticas se propagan en el agua, pero sufren una atenuación muy significativa, especialmente a medida que aumenta la frecuencia. Las frecuencias muy bajas (VLF, ELF) pueden penetrar el agua a mayores profundidades, lo que se utiliza en comunicaciones submarinas.
• No se Propagan (o se atenúan casi completamente) en:
  • No hay un medio en el que las ondas electromagnéticas “no se propaguen” en absoluto, ya que incluso en conductores hay una penetración superficial (efecto piel). Sin embargo, en la práctica, medios con alta conductividad o densidad pueden atenuarlas tan drásticamente que la propagación efectiva es nula para fines de comunicación (ej. metales muy gruesos, ciertas rocas densas para frecuencias elevadas).