Resumen: los ingenieros especializados en comunicaciones digitales de alta velocidad se sienten cómodos observando y analizando señales y sistemas como una función del tiempo. Vivimos en el dominio del tiempo. Las señales y los sistemas también se caracterizan como una función de la frecuencia. Esta es el área en la que más cómodos se sienten los ingenieros de RF y microondas.

Puesto que las velocidades de las comunicaciones tienden hacia el rango de los Gb/s, los ingenieros digitales se ven obligados a aprender que las medidas en el dominio de la frecuencia proporcionan información valiosa sobre el comportamiento en el dominio del tiempo. Del mismo modo, los ingenieros de RF y microondas se ven abocados a trabajar como ingenieros de integridad de señales en aplicaciones digitales. Para eso es necesario saber realizar medidas en el dominio del tiempo. En este artículo abordaremos la relación existente entre las medidas de las señales en un dominio con lo que se observa en el otro dominio. Se analizarán datos e información valiosa sobre la tasa de error de bit de base.

Es poco frecuente que un estudiante de ingeniería eléctrica acabe sus estudios con grandes conocimientos sobre electrónica digital y también teoría de RF y microondas. El ingeniero novel especializado en diseño digital probablemente eligió esa especialización porque desea trabajar con ordenadores. Por regla general, el estudiante especializado en ingeniería de alta frecuencia siente una predilección por las comunicaciones de radio que cultivó antes de iniciar sus estudios universitarios. La típica titulación de ingeniería eléctrica suele incluir algunas asignaturas que cubren tanto la electrónica digital como la RF y las microondas. Sin embargo, cuando llega el momento de especializarse, elegir asignaturas optativas después de haber cursado las introductorias y preparar el futuro profesional, es probable que cada uno opte por un camino claramente diferenciado. Un camino lleva al mundo de Boole y Karnaugh, mientras que el otro lleva al de Maxwell y Smith.

Para muchos, a medida que avanzan profesionalmente, esos caminos empiezan a unirse. A medida que los buses serie habituales de los ordenadores alcanzan velocidades de transmisión de dos, cinco e incluso más de diez Gb/s, resulta fácil argumentar que se está produciendo una convergencia entre el mundo digital y el de la RF y las microondas. ¿Qué supone esto para los ingenieros de microondas? Aunque se transmiten simples ceros y unos, sus conocimientos sobre campos como las líneas de transmisión, los procesos del ruido, los lazos de enganche de fase y la teoría de las comunicaciones son esenciales para obtener diseños de sistemas de comunicaciones digitales que funcionen. Para el ingeniero digital siguen siendo fundamentales sus conocimientos sobre lógica digital, codificación de datos, detección de errores y recuperación. Ahora, en lugar de utilizar esos conocimientos en aplicaciones de seguridad o en datos dañados a causa de errores en los medios de almacenamiento, se aplican a esquemas de comunicaciones donde el canal de transmisión, utilizado a altas velocidades, puede degradar las señales aunque la separación entre el transmisor y el receptor no sea ni de un metro.

¿Qué factores pueden hacer que el ingeniero de alta frecuencia esté mejor preparado para un mundo de comunicaciones digitales? Y, por otra parte, ¿por qué el ingeniero digital puede resultar más efectivo cuando sus “bits” contienen contenido de señal de microondas? Una de las competencias que permite a los dos ingenieros hacer incursiones en el mundo del otro es su capacidad para pensar tanto en el dominio del tiempo como en el de la frecuencia. Observar un flujo de bits digital en un osciloscopio con determinada intuición sobre su equivalente en el dominio de la frecuencia puede proporcionar información valiosa sobre la integridad (o la falta de integridad) de esa señal. Medir la respuesta de frecuencia o el ancho de banda de un canal de comunicaciones y anticipar cómo se verá afectada la forma de los bits (en el tiempo) puede ayudar a determinar la viabilidad de ese canal.

Figura-1A-wFigura-1B-wUna señal eléctrica se puede mostrar como una forma de onda de tensión respecto al tiempo. Así es cómo se observan las señales en un osciloscopio. La señal también se puede observar en un formato de potencia respecto a la frecuencia. Así la mostraría un analizador de espectros. Desde una perspectiva matemática, las señales de tiempo y frecuencia están relacionadas por la transformada de Fourier. La transformada de Fourier toma una señal/función del dominio del tiempo y la lleva al dominio de la frecuencia. Indica qué frecuencias están presentes en la forma de onda en el dominio del tiempo. Algunos ejemplos sencillos de ello son las ondas sinusoidales y las cuadradas. Tomemos una onda sinusoidal con un periodo de 1 ns (Figura 1A). ¿Qué frecuencias están presentes en esta señal? Es muy sencillo. Solo hay una frecuencia presente, un tono único a 1 GHz (Figura 1B). ¿Qué sucede con una onda cuadrada con un periodo de 1 ns? Cabría esperar que también tuviera contenido de señal a 1 GHz. Sin embargo, es evidente que hay más contenido espectral en esta señal que en la onda sinusoidal con igual periodo. Además del tono a 1 GHz, también hay energía a los 3 GHz, los 5 GHz, los 7 GHz, etc. (Figuras 1C y D). La señal se compone de un tono a la velocidad fundamental (la inversa del periodo de la señal) y sus armónicos impares. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia de los tonos armónicos, las amplitudes se reducen. A medida que las señales en el dominio del tiempo ganan en complejidad, también lo hace su espectro en el dominio de la frecuencia. Por ejemplo, un flujo de datos digital a 2 Gb/s tendrá un espectro que seguirá una función (sin x)/x y, a diferencia de lo que sucede en los ejemplos anteriores, no presentará contenido de señal a 2 GHz ni armónicos de 2 GHz (Figuras 1E y F). Observe que la onda cuadrada de 1 GHz es el equivalente de una señal de 2 Gb/s que transmite un patrón de 1-0-1-0-1-0, y que los ceros espectrales para la onda cuadrada y las comunicaciones digitales “reales” son idénticos.

Figura-1E-wFigura-1F-wFiguras 1A, B, C, D, E, F. Medidas en el dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia de una onda sinusoidal de 1 GHz, una onda cuadrada de 1 GHz y un flujo de datos de 2 Gb/s.

También es posible determinar la respuesta en el dominio del tiempo de una señal cuando se conocen sus componentes de frecuencia. Es decir, el espectro de frecuencias de una señal se puede utilizar para determinar la forma de onda de amplitud frente al tiempo. Se logra mediante la transformada de Fourier inversa. Esto es aplicable a todos los ejemplos de la Figura 1. Si se conoce el espectro de frecuencias (en lugar de la forma de onda del tiempo), es posible determinar la forma de onda en el dominio del tiempo. Aunque la Figura 1 no lo muestra, para realizar una reconstrucción precisa se necesita la información de fase.

Al observar datos digitales en un osciloscopio, cabría esperar que una serie de pulsos prácticamente rectangulares representen los unos lógicos y que la ausencia de pulso represente los ceros lógicos. El resultado puede sorprendernos si observamos una señal digital de alta velocidad. Los unos lógicos no son tan rectangulares, e incluso es posible que los ceros lógicos no sean líneas planas a una amplitud de nivel 0. En su lugar, los flancos de señal pueden presentar pendientes diferenciadas que consumen una gran parte de la duración del pulso o el periodo de bit. Después de que una señal realice la transición desde un nivel “0” hasta un nivel “1”, puede sobreoscilar (overshoot) y oscilar hasta asentarse en un nivel “final”. Consulte la Figura 2.

Figura-2-wLa teoría de filtros básica puede explicar algunos de los aspectos que provocan estas formas de onda de datos que distan mucho de ser idóneas. Cuando se diseña un filtro, el objetivo principal suele ser aceptar un rango de frecuencias concreto rechazando determinado rango de frecuencias. A la vista de la explicación anterior sobre la relación entre el contenido de frecuencia de una señal y sus características en el dominio del tiempo, debería quedar claro que hacer pasar una forma de onda por un filtro probablemente altere su forma. Cada vez que se altera el espectro de frecuencias de una señal, también se altera su rendimiento en el dominio del tiempo. Recordemos el espectro de la onda cuadrada de 1 GHz de la Figura 1D. ¿Qué sucedería si la señal se transmitiera a través de un filtro de paso bajo que aceptara señales por debajo de 2 GHz y suprimiera frecuencias por encima de 2 GHz? El único elemento espectral que quedaría sería el tono de 1 GHz. La onda cuadrada se convierte en una onda sinusoidal. ¿Qué sucedería si el filtro aceptara frecuencias por debajo de 4 GHz y rechazara frecuencias por encima de 4 GHz? La señal se compondría de un tono de 1 GHz y un tono de 3 GHz. La señal no será una onda sinusoidal de 1 GHz, pero tampoco será la onda cuadrada de 1 GHz original.

Figura-3-wLa Figura 3 muestra el efecto de hacer pasar la onda cuadrada a través del filtro de paso bajo. Observe que el tiempo de subida y el tiempo de bajada de los flancos se han ralentizado. Asimismo, se producen algunos picos y algunas caídas en las partes superiores e inferiores de los pulsos. De hecho, la señal se parece mucho a una onda sinusoidal rápida (el tono de 3 GHz) superpuesta a una onda más lenta (el tono de 1 GHz). El filtro hace lo que se espera de él.

Los ejemplos anteriores son bastante sencillos. Los diseños de filtros reales no darán estos resultados. Hay que tener en cuenta varios aspectos:

1)    ¿Experimentarán todas las frecuencias sometidas al filtro el mismo retardo de propagación? Si no es así, ¿cómo afectará esto a la forma de onda en el dominio del tiempo?
2)    ¿Experimentarán todos los espectros de señales de la banda de paso el mismo nivel de atenuación? Algunos diseños de filtros presentan rizado (atenuación variable) en la banda de paso, mientras que otros presentan maximización (una pequeña región de amplificación) antes del roll-off. ¿Cómo afectará a la forma de onda en el dominio del tiempo?
3)    Recordemos que, si el espectro de la señal se ve alterado, ya sea por atenuación, por amplificación o por alteración de la relación de fase entre los elementos espectrales de la señal, la forma de onda cambiará. ¿Es aceptable la distorsión de la forma de onda?

Al diseñar un filtro, es importante saber si las características del dominio del tiempo o del dominio de la frecuencia son prioritarias. Algunos filtros ofrecen una supresión de frecuencias excelente a costa de distorsionar la forma de onda.

Consideremos que un sistema de comunicaciones digital funciona correctamente cuando el receptor es capaz de interpretar correctamente los unos como unos y los ceros como ceros. Los fallos son lo que se conoce como errores de bit. El rendimiento de un sistema suele describirse como la tasa de error de bit (BER), es decir, cuántos bits se reciben de forma errónea en comparación con el número total de bits recibidos. Los valores típicos son del orden de un error por cada billón de bits transmitidos. Normalmente se consigue una BER baja cuando existe una gran separación entre el nivel de los unos lógicos y el de los ceros lógicos, así como cuando se toman decisiones lógicas “alejadas en el tiempo” de las transiciones de un cero lógico a un uno lógico (o viceversa). El “punto de decisión” suele encontrarse en el centro del bit (en relación con el tiempo) y a medio camino entre el nivel de los unos lógicos y el de los ceros lógicos. Si la señal se desvía del ideal y se acerca al punto de decisión, aumentan las probabilidades de que se produzca una mala decisión. Por tanto, cuando las formas de los bits se desvían de las formas de onda “rectangulares” ideales, la BER puede estar en riesgo. En redes de comunicaciones digitales de alta velocidad, la distorsión de las formas de onda suele deberse a la alteración del espectro de la señal que se produce al pasar esta por el sistema. Los conceptos sobre los filtros que acabamos de exponer se pueden aplicar al sistema de comunicaciones digital de alta velocidad.

Un lugar donde resulta sencillo encontrar una fuente de distorsión de las formas de onda es el canal de comunicaciones. El canal puede ser cualquier medio que transporte la señal desde el transmisor hasta el receptor, como una traza de cobre de la placa de un PC, un cable metálico o un tramo de fibra óptica. La mayoría de los canales presenta alguna forma de característica de filtro de paso bajo. Hay diversos mecanismos que atenúan las señales con frecuencias muy elevadas a medida que se propagan a lo largo de una señal. En las trazas de las placas de PC o en los cables metálicos, esto se puede atribuir a que los materiales dieléctricos presentan una pérdida más elevada a frecuencias altas que a frecuencias bajas. Las señales con frecuencias elevadas tienen tendencia a viajar por las regiones externas de los conductores en lugar de a través de toda la sección transversal del cable. La conductividad efectiva se reduce y aumenta la atenuación. La atenuación del espectro de alta frecuencia de una señal digital puede tener un efecto similar al observado cuando se hace pasar una onda cuadrada a través de un filtro de paso bajo. Los flancos de subida y bajada se ralentizan. En el caso de una fibra óptica, se pueden producir pérdidas de altas frecuencias cuando la luz que transporta la información digital recorre diversas longitudes de la trayectoria, ya que puede haber varios modos simultáneos (trayectorias) de propagación a lo largo de la fibra. Por tanto, la información digital, que se propaga como pulsos de luz, llegará al receptor dispersada en el tiempo. Los pulsos de luz dispersos presentan características parecidas a un pulso eléctrico que se ha hecho pasar por un filtro de paso bajo. La velocidad en los flancos se reduce y las formas de los pulsos cambian. De nuevo, al degradarse la calidad de los pulsos, aumentan las probabilidades de que se produzcan errores de bit.

La forma más precisa de caracterizar la capacidad de un canal eléctrico para transportar señales de alta frecuencia consiste en utilizar un instrumento llamado analizador de redes. El analizador de redes inyectará una onda sinusoidal en el canal y medirá la onda sinusoidal que sale por el otro extremo. La relación entre la salida y la entrada es indicativa de la pérdida que se produce a lo largo del cable. Si se realiza un barrido de la onda sinusoidal en un rango de frecuencias amplio, se puede determinar la característica de atenuación del cable en ese rango de frecuencias.

Figura-4-wLa Figura 4 muestra una medida realizada con un analizador de redes de una trayectoria de señal en un tramo de 25 cm de una placa de PC común. Observe que, a frecuencias bajas, apenas se produce atenuación. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia de la señal, también lo hace la atenuación. Por tanto, ¿qué indica esto sobre las posibilidades de usar este canal en un sistema de comunicaciones digital de alta velocidad? Si nos basamos en la teoría de los filtros, la respuesta de frecuencia del cable se parece en cierto modo al filtro de paso bajo. Las frecuencias bajas pasan casi sin cambios, mientras que las frecuencias altas se verán atenuadas. Los bits transmitidos se verán alterados a medida que pasan por el canal. ¿Qué alteración sufrirán? A este respecto, pueden tomarse diferentes enfoques. La respuesta de frecuencia del cable se puede transformar matemáticamente al dominio del tiempo a través de la transformada de Fourier. El resultado será la respuesta de impulso del canal. Esto puede ser indicativo de cómo se puede dispersar en el tiempo y reducir en la amplitud un pulso muy estrecho. La señal de impulso idónea tiene una anchura en el tiempo de cero. En el dominio de la frecuencia, esto conlleva un ancho de banda infinito. A medida que el impulso idóneo pasa a través del canal, el contenido de alta frecuencia se elimina. De nuevo en el dominio del tiempo, cuando la señal sale del canal, el efecto derivado de la pérdida de altas frecuencias es la dispersión del impulso. Los tiempos de subida y bajada se ralentizan. ¿Cómo afectará esto a la calidad de las comunicaciones? Recordemos que, si no existe una separación amplia entre el nivel del uno lógico y el del cero lógico, es más probable que el receptor situado al final del canal cometa un error al intentar determinar de qué nivel del bit se trata. ¿Qué efecto tiene la dispersión del pulso en el tiempo? Si la dispersión es muy grave, la energía de un bit puede penetrar en la ranura asignada a los bits adyacentes. Este fenómeno se conoce como interferencia intersimbólica (ISI) y es otra posible causa de error del receptor.

Llegados a este punto, quizá parezca sensato dejar de lado el analizador de redes e inyectar sin más una señal de comunicaciones digitales real para, utilizando un osciloscopio de alta velocidad, observar directamente la calidad de los bits a medida que salen del canal. Es una posibilidad bastante utilizada. Sin embargo, es habitual especificar un sistema de comunicaciones en función de sus componentes individuales, como el transmisor, el canal y el receptor. El motivo de esto es que los componentes del sistema de comunicaciones pueden proceder de distintos proveedores. Cada componente debe especificarse por separado. La medida de la respuesta de frecuencia con un analizador de redes permite obtener estos datos del canal.

Una técnica diferente pero relacionada para caracterizar un canal consiste en inyectar un pulso de paso muy rápido en el canal y observar el pulso en la salida utilizando un osciloscopio con amplio ancho de banda. La comparación entre la salida y la entrada indica cómo degradará un canal los bits digitales. Esta técnica se conoce como transmisión en el dominio del tiempo o TDT. La Figura 5 muestra la respuesta de TDT del canal que se ha medido previamente con el analizador de redes de la Figura 4. La señal de entrada está representada por la traza azul. El paso, después de haber atravesado la placa de PC, se muestra con la traza roja. (El retardo de tiempo real entre la entrada y la salida se reduce para facilitar la comparación de los cambios en la velocidad de los flancos). No es la respuesta al impulso del canal, sino la respuesta al paso. Sin embargo, se pueden observar resultados parecidos. Si el canal fuera ideal, el paso de salida sería idéntico al de entrada, pero con un retardo en el tiempo debido a la longitud de la trayectoria del canal. Sin embargo, al igual que sucede con la respuesta al impulso, la atenuación de las altas frecuencias del canal ralentiza la velocidad de los flancos. ¿Por qué? Porque el canal ha atenuado los componentes de alta frecuencia de la señal necesarios para conseguir un flanco rápido.

Figura-5-wLa respuesta de TDT se puede transformar al dominio de la frecuencia para mostrar la respuesta de frecuencia del canal. Esta capacidad se puede integrar en el instrumento para que pueda proporcionar resultados similares a los obtenidos con el analizador de redes. Por consiguiente, tanto el analizador de redes como el osciloscopio con TDT pueden ofrecer resultados en el dominio del tiempo y en el de la frecuencia mediante medidas “nativas” y resultados transformados.

El ingeniero de microondas sabe que, si la energía se propaga a lo largo de una línea de transmisión o un canal, es muy difícil que el receptor absorba la señal íntegra. Si la energía no se absorbe, debe ir a algún sitio. En la mayoría de los casos, la señal residual se refleja en sentido contrario a lo largo de la línea de transmisión. Esto presenta dos problemas. Al haber menos señal disponible en el circuito de decisión del receptor, hay más probabilidades de que el receptor cometa errores y degrade la BER. El segundo problema es que la energía reflejada posiblemente vuelva al transmisor y, si este no puede absorber la señal reflejada (es posible que su diseño no lo admita), la señal puede reflejarse de nuevo y regresar al receptor. En ese caso, el receptor verá dos señales, que suelen entrar en conflicto. La señal principal se puede degradar si es un cero lógico y se le agrega un uno lógico “fantasma”. Del mismo modo, un uno lógico al que se agrega un cero lógico “fantasma” quedará degradado respecto a la señal ideal. En ambos casos, la separación entre unos y ceros se reducirá y aumentarán las probabilidades de error en el receptor.

Esto da lugar a otra técnica de medida procedente del mundo de las microondas que está cobrando cada vez mayor importancia en las comunicaciones digitales. Es fundamental ser capaces de determinar cómo viaja una señal desde el transmisor hasta el receptor pasando por el canal y si hay alguna señal que se refleje en sentido inverso desde el receptor. Se producirá un reflejo cada vez que haya un cambio en la impedancia de la trayectoria de la señal. Si una línea de transmisión tiene una impedancia característica de 50 Ω y el receptor tiene una impedancia de 60 Ω, se reflejará alrededor de un 9% de la tensión que llegue al receptor. También pueden producirse reflejos a lo largo del canal. Los cambios en la anchura de la traza, provocados por orificios y conexiones, cambios dieléctricos o cualquier cosa susceptible de ocasionar un cambio en la impedancia, se traducirán en un reflejo de la señal.

De nuevo, el ingeniero de microondas ha utilizado un analizador de redes para caracterizar el rendimiento del reflejo. Para realizar esta medida, se inyecta una señal en el dispositivo de prueba, como un cable o un circuito integrado, y se utiliza un acoplador direccional para extraer y observar las señales que viajan en sentido inverso. La magnitud de la señal reflejada se compara con la de la señal inyectada. El resultado se denomina “pérdida de retorno” y, si se hace un barrido de la señal inyectada en un rango de frecuencias, se puede determinar la pérdida de retorno respecto a la frecuencia. Normalmente, a medida que aumentan las frecuencias, resulta más difícil controlar la impedancia y aumentan los reflejos.

Existe también una medida parecida en el dominio del tiempo. Se realiza utilizando un osciloscopio de amplio ancho de banda y se denomina reflectómetro de dominio del tiempo o TDR. El instrumento es básicamente idéntico al TDT descrito anteriormente. Sin embargo, en lugar de medir el pulso del paso que entra en el dispositivo y sale por el extremo opuesto, las señales reflejadas se miden en el mismo puerto que la señal de entrada. Mientras que el analizador de redes muestra los reflejos respecto a la frecuencia, el TDR muestra los reflejos respecto al tiempo. Si se conoce la velocidad de propagación, el funcionamiento del TDR es parecido al del radar. Al saber cuándo vuelven los reflejos (ecos) al osciloscopio, se puede determinar con precisión la posición del lugar donde se produce el reflejo. La magnitud de cualquier reflejo es directamente proporcional a la impedancia. Por tanto, el TDR puede mostrar la impedancia respecto a la posición. La Figura 6 muestra la pantalla de un TDR de una línea de transmisión de 50 Ω donde la impedancia cae hasta 33 Ω, vuelve a 55 Ω, cae a 33 Ω y regresa a 55 Ω.

Figura-6-wResulta interesante comparar la medida de la pérdida de retorno del analizador de redes con la medida de la impedancia del TDR, en especial si existen varios lugares donde se produce el reflejo. Para el TDR, el perfil de impedancia muestra cada lugar donde ha cambiado la impedancia. Donde la traza del TDR se pronuncia hacia arriba, indica un lugar donde ha aumentado la impedancia. Donde cae, la impedancia ha disminuido. ¿Qué aspecto ofrece el mismo dispositivo si se mide con el analizador de redes? Recordemos que lo que se ve es el reflejo respecto a la frecuencia. No proporciona ninguna indicación directa de dónde se producen los reflejos ni de si hay más de un lugar donde se producen. Con independencia de si hay uno o más lugares donde se producen los reflejos, se muestra la energía total reflejada respecto a la frecuencia. Puede darse un fenómeno interesante si hay dos o más discontinuidades de la impedancia que son mayores que todas las demás. Si se producen dos reflejos, habrá dos señales que volverán hacia el instrumento. Puesto que la señal desde el lugar donde se produce el reflejo que está más alejado habrá recorrido una distancia mayor que la señal procedente del reflejo más cercano, existirá un desplazamiento de fase entre la primera señal reflejada y la segunda. Las dos señales reflejadas se combinarán en fase, fuera de fase en 180 grados o en algún punto entre +/- 180 grados. La relación entre las fases dependerá de la distancia entre los lugares donde se producen los reflejos, la velocidad de propagación y la frecuencia de la señal. Como el barrido de la frecuencia de la señal de prueba suele realizarse en un rango amplio, quizá de entre 50 MHz y 20 GHz, es probable que las dos señales reflejadas entren en fase y salgan de fase entre sí a medida que aumenta la frecuencia. Cuando las dos señales reflejadas están completamente fuera de fase, la señal total será pequeña (cero, si las dos señales son de la misma magnitud). Si las señales están en fase, el total será su máximo. La pérdida de retorno resultante visualizada variará del máximo al mínimo respecto a la frecuencia. Consulte la Figura 7. Aunque la señal del dominio de la frecuencia mostrada por el analizador de redes no puede indicar directamente la presencia de varios reflejos, el patrón de máximos y mínimos sistemáticos en el dominio de la frecuencia es un indicador habitual de que hay por lo menos dos reflejos que dominan el conjunto de la respuesta.

Figura 7. Pantalla de un analizador de redes que muestra una línea de transmisión con varios lugares donde se producen reflejos.

Figura-7-wEl eje vertical del analizador de redes está en decibelios. En el peor de los casos, la potencia de la señal reflejada es 5 dB inferior a la señal transmitida, es decir, alrededor de un 32% de la señal transmitida. La tensión reflejada, en realidad, es más de un 50% superior a la señal transmitida original. Esto se produce cuando las señales de los dos lugares donde se producen los reflejos se combinan en fase. Mantener la impedancia es esencial para conseguir unas comunicaciones digitales con baja BER. En los casos en los que los dos reflejos se combinan fuera de fase, la potencia de la señal reflejada total es tan solo 30 dB (0,1%) inferior a la señal transmitida original. La tensión reflejada es un 3% de la original. La transformada de Fourier permite al analizador de redes mostrar la respuesta en el dominio del tiempo de un modo similar al del TDR, y permite al TDR mostrar la respuesta en el dominio de la frecuencia de un modo parecido al del analizador de redes.

El fenómeno en el que los bordes de un flujo de bits no se producen en el lugar previsto en el tiempo, sino que están adelantados o retrasados, se llama “jitter”. A medida que aumentan las velocidades de transmisión de datos, uno de los principales problemas es asegurarse de que el receptor no intenta tomar su decisión lógica cuando la señal entrante se halla en el proceso de cambiar de estado. Si se toma una decisión cerca de un flanco de señal, probablemente aumentará la BER. Por tanto, el jitter es una fuente de degradación de la BER. ¿Qué causa el jitter? Se debe a varios mecanismos, para lo que pueden ser útiles algunos conocimientos del mundo de la ingeniería de microondas. La velocidad a la que el transmisor envía los bits suele venir determinada por un reloj de referencia. Si ese reloj no funciona a una frecuencia exacta, los datos transmitidos se enviarán a una velocidad variable. Mientras que el ingeniero digital llama a este fenómeno “jitter”, el ingeniero de microondas quizá lo llame “modulación de fase” o “modulación de frecuencia”, y en este caso es una modulación no deseada. De forma instintiva, el ingeniero de microondas examinará el reloj en el dominio de la frecuencia. Antes hemos indicado que, si el reloj emitiera una señal sinusoidal ideal, se observaría un único tono en el dominio de la frecuencia. Si el reloj emitiera una señal cuadrada, estarían presentes el tono fundamental y su harmónico impar. ¿Qué sucedería si el reloj emitiera una señal sinusoidal con una frecuencia ligeramente variable? En realidad esto es muy habitual. Ningún oscilador es capaz de producir un tono puro. En la electrónica interna siempre habrá algo de ruido, y ese ruido provocará una fluctuación aleatoria en la frecuencia del oscilador. La fluctuación aleatoria se observa como una dispersión del espectro, centrada en la frecuencia prevista. El ingeniero de microondas lo llamará “ruido de fase”. La velocidad a la que cambia la fase (frecuencia) incorpora un componente aleatorio.

El ingeniero digital, acostumbrado a ver las señales en un osciloscopio, verá unos flancos descolocados en el tiempo de una forma aleatoria. En lugar de llamarlo “ruido de fase”, lo llamará “jitter aleatorio”. Son dos formas de describir lo mismo, una desde la perspectiva del dominio del tiempo y otra desde la perspectiva del dominio de la frecuencia. El jitter también puede producirse de formas sistemáticas. El fenómeno de la ISI abordado anteriormente también es un mecanismo de jitter. Recordemos que lo que hace es dispersar los pulsos. Si los flancos de los pulsos se desplazan hacia fuera en el tiempo desde sus posiciones ideales, haciendo que penetre energía en los bits adyacentes, estamos ante un mecanismo de jitter. El jitter también puede ser periódico. Por ejemplo, si el reloj del transmisor tiene una fuente de alimentación de conmutación mal regulada, la velocidad de conmutación puede modular la frecuencia. En el dominio del tiempo esto se denomina “jitter periódico”, mientras que en el dominio de la frecuencia se denomina “modulación de frecuencia”. Este fenómeno es difícil de observar directamente en el dominio del tiempo. Es probable que el efecto se disperse en miles o incluso millones de bits. En el dominio de la frecuencia, no obstante, este efecto salta a la vista. Cuando una señal ha sufrido una modulación de la frecuencia, es fácil observar tonos o bandas laterales, por encima y por debajo de la frecuencia del tono del reloj, con un offset provocado por la frecuencia de la señal de conmutación (modulación).

La capacidad para examinar señales de alta velocidad tanto en el dominio del tiempo como en el de la frecuencia proporciona información valiosa sobre las causas de un buen o mal rendimiento. Cada perspectiva tiene sus ventajas y sus inconvenientes. A medida que aumentan las velocidades de transmisión de datos, todos los ingenieros que trabajan con sistemas de comunicaciones digitales de alta velocidad pueden beneficiarse de sentirse cómodos trabajando en ambos dominios.

Por Greg LeCheminant, Agilent Technologies, Inc.

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