Optimización de Comunicaciones Telefónicas: Señales, Componentes y Calidad

Inteligibilidad de las Comunicaciones Telefónicas

Para cuantificar la inteligibilidad se utilizan los logátomos, que son sonidos simples que carecen de significado. La medida de estos se conoce como inteligibilidad de los logátomos y es totalmente subjetiva.

Las dos características básicas de la inteligibilidad son la sonoridad y la nitidez, en la cual influyen multitud de parámetros, entre los cuales se encuentran la banda efectivamente transmitida, el ruido y la distorsión de la señal transmitida.

Cualidades del Sonido

Existen dos tipos de sonidos básicos: los sonidos complejos, formados por la adición de multitud de señales sinusoidales de frecuencias diferentes, la voz humana sería un ejemplo de estos, y los sonidos puros, que se componen de una sola frecuencia básica. Las cualidades principales de los sonidos son la intensidad, el tono y el timbre. El máximo de frecuencia sería el tono del sonido y la forma de la curva sería el timbre del sonido.

Las voces humanas son sonidos complejos comprendidos en un margen de frecuencias que van desde los 100 Hz a los 9500 Hz, aunque nuestro margen de audición es mucho mayor, ya que se extiende desde los 20 Hz a los 20 000 Hz.

La zona de audibilidad se podría descomponer en dos curvas denominadas: curva del umbral de audibilidad y curva de sensación de dolor. Para determinar el ancho de banda a transmitir se utiliza el parámetro inteligibilidad de los logátomos. Filtro paso bajo y paso alto.

Señales Presentes en la Línea Telefónica

• Tono de llamada: Al descolgar el aparato, se superpone a la corriente continua de 48 V una frecuencia de 400 Hz que es el tono de invitación a marcar.
• Impulsos de marcación: Presentes cuando el usuario marca el número. Estas señales pueden ser pulsos o tonos a teclados multifrecuencia.
• Transmisión de la voz: Por la línea viaja la corriente proporcional a la voz superpuesta a la corriente continua.

Elementos del Circuito Telefónico

Los elementos principales son: micrófono, auricular y timbre.

Adaptador de Impedancias

La regla que nos dice la condición para tener máximo rendimiento de transferencia y energía entre dos circuitos, uno suministrador de energía, es la impedancia del circuito. Se debe modificar la tensión, ya que los micrófonos son de unos 340 ohmios, y la línea de transmisión de unos 600 ohmios.

Modificación de la Tensión

Para llevar a cabo el transporte de energía eléctrica correspondiente a la voz se utilizan los conductores de líneas telefónicas. Estos conductores presentan una resistencia proporcional a su longitud que, por el efecto Joule, produce pérdidas en forma de calor.

Aislador de la Componente Continua

Esta corriente continua, esta voz modulada, se convierte en un componente que debe ser eliminado del circuito del micrófono. También se utiliza una bobina de inducción.

Parámetros de las Líneas Telefónicas

Parámetros Primarios

Los parámetros primarios se identifican en cuatro: Resistencia (R), Conductancia (G), Capacidad (C), y Autoinducción (L). La resistencia y la conductancia son las principales fuentes de pérdidas de potencia.

Parámetros Secundarios

• Impedancia característica: La resistencia inherente de una línea infinita medida en uno de sus extremos.
• Constante de propagación: Compuesta por la constante de atenuación, que nos indica cómo disminuye la amplitud de la señal, y la constante beta, que describe las variaciones de la señal perdida. Estas dos constantes afectan a la señal en la distorsión de atenuación y de retardo.

Pérdidas de Reflexión

Ocurren cuando una parte de la señal no se transmite completamente y se refleja hacia el generador.

Coeficiente de reflexión: Mide la señal reflejada en relación con la transmitida. La pérdida se minimiza cuando las impedancias están reguladas.

Pérdidas de Retorno

Relacionan la atenuación de la onda reflejada respecto a la incidente. Un sistema perfectamente adaptado no tiene pérdidas de retorno.

Medidas Logarítmicas y Calidad de la Señal

Las medidas logarítmicas permiten expresar las medidas en logaritmos para simplificar la expresión de grandes potencias.

Nitidez en la Comunicación

Depende de los factores que afectan a la claridad de una señal.

Tiempo de Propagación

Tiempo que tarda una señal en recorrer el circuito.

Distorsión de Atenuación

Algunas frecuencias sufren más atenuación que otras, provocando deformación de la señal. Se pueden usar igualadores para corregir esto.

Retardo

Las frecuencias viajan a diferentes velocidades, deformando la señal.

Armónicos

Cuando se generan armónicos de la frecuencia de la señal original al pasar por dispositivos no lineales.

Intermodulación

Cuando varias frecuencias se combinan generando subarmónicos, interfieren en la señal principal.

Eco, Ruido y Diafonía

• Eco: Es un reflejo de la señal que regresa al emisor y puede ser molesto en comunicaciones de larga distancia. Para combatirlo se utilizan supresores de eco.
• Ruido: Es la señal no deseada que supone interferencias a la señal principal. Los filtros de ponderación evalúan los ruidos en función de su frecuencia.
• Diafonía: Es la interferencia de una señal de un circuito en otro cercano que puede ser inteligible.

Problemas en la Baja Frecuencia y Soluciones

1. Problemas en la Baja Frecuencia
   • Distorsión de Atenuación: Aumenta con la longitud de la línea de transmisión. A partir de ciertas distancias, es necesario utilizar bobinas de carga para compensar la pérdida de señal.
   • Desadaptación de Impedancias: Ocurre cuando la impedancia de la línea no se mantiene constante y varía con la frecuencia, lo que causa pérdidas de potencia, reflexiones de señal, y ecos. El uso de transformadores adaptadores (bobinas de repetición) ayuda a minimizar estos efectos.
   • Diafonía: Acoplamiento de señales de un circuito a otro cercano, lo que compromete el secreto de las comunicaciones. Se divide en:
     • Paradiafonía (APD): Ocurre en el extremo del generador.
     • Telediafonía (ATD): Se produce en el extremo opuesto al generador.
2. Líneas de Transmisión por Pares Simétricos
   • Formadas por dos hilos con características idénticas para reducir las interferencias electromagnéticas.
   • Parámetros Primarios: Resistencia (R), Inductancia (L), Capacitancia (C) y Conductancia (G).
   • Impedancia Característica (Z0): Relación entre voltaje e intensidad en un punto de una línea infinitamente larga.
   • Constante de Atenuación (α) y Constante de Fase (β): Aumentan con la frecuencia, lo que contribuye a la distorsión.
   • Pupinización
     • Técnica para aumentar la inductancia de la línea y así mejorar la transmisión. Consiste en acoplar bobinas de carga a intervalos regulares, convirtiendo la línea en un filtro paso banda. Este método ajusta la respuesta de la línea para que sea más adecuada para la transmisión de voz, pero puede ser un problema para servicios de DSL.
3. Bobinas Repetidoras o Transformadores de Línea
   • Adaptan las impedancias entre el teléfono y la línea, modifican la tensión de la señal y aíslan la corriente continua de la alterna que transporta la información.
   • Bobinas Híbridas y Conversión de Dos a Cuatro Hilos
     • Permiten usar un único par de hilos para transmitir y recibir señales simultáneamente, separando los dos sentidos de la comunicación.
     • Son necesarias para la amplificación de señales en cada sentido y para mantener la calidad de la comunicación.
     • La bobina híbrida convierte las señales de un sistema de dos hilos a uno de cuatro hilos, separando el canal de transmisión (Tx) y el de recepción (Rx).