Nos encontramos en una transición hacia el mundo digital. Día con día convivimos con nuevas tecnologías de naturaleza digital que están reemplazando a sus similares analógicos. Lo que está sucediendo tiene su razón de ser. Entre otras cosas, las señales digitales ofrecen mayor inmunidad al ruido, permiten detectar y corregir errores, aseguran un menor consumo de energía y ofrecen la posibilidad de encriptar la información y utilizar técnicas de compresión de datos.

En las redes de cable, los nuevos servicios que se ofrezcan serán todos de naturaleza digital; no importa si se trata de canales de televisión, transmisión de datos o aplicaciones de voz, cada una de las señales transmitidas contará con información digitalizada. Sin embargo, quienes han trabajado siempre con señales analógicas, ¿estarán listos para adentrarse al mundo digital? ¿Qué sucede, por ejemplo, con la evaluación de la calidad de las señales?

Desde luego, la transición a este mundo digital no es trivial y es necesario conocer de él. Cualquiera que trate de medir la calidad de extremo a extremo de una señal digital de la misma forma en que lo hacía con las señales analógicas, encontrará poco o nada de información relevante. Más aún, si tratáramos de evaluar la calidad de una señal digital de televisión mediante la imagen que ésta produce en el receptor, sucedería el mismo problema. ¿Por qué? A diferencia de una señal analógica de televisión, en donde un observador puede distinguir perfectamente que la imagen generada en un televisor se degrada conforme la señal se ve afectada en su camino por ruido, interferencia y distorsión, la imagen que produce una señal digital de televisión puede verse perfectamente bien hasta determinado punto en que las características adversas del medio afecten tanto a la señal que ésta ya no pueda ser regenerada mediante técnicas de corrección de errores. Mientras que la imagen que produce una señal digital de televisión pudiera parecer extraordinaria, la generada por una señal analógica, afectada de igual manera, pudiera ser aterradora. (Nótese en la Figura 1 cómo es que se ve afectada la calidad de una señal analógica y de una señal digital de televisión ante el incremento del número de afecciones en el medio de comunicación.)

La principal razón por la que no podemos medir la calidad de una señal digital de la misma manera o con los mismos parámetros a como suele hacerse con señales analógicas es la propia naturaleza de las señales digitales. A diferencia del mundo analógico, el espectro en frecuencia de una señal digital no revela directamente los atributos de la señal ni muchos de los problemas que ésta pudiera presentar. De igual forma, resulta imposible identificar el tipo de información que transporta la señal, es decir, si se trata de un canal de televisión, voz o datos. Por lo tanto, debemos recurrir a otras técnicas que se describirán en los siguientes párrafos y que permiten evaluar la calidad de las señales digitales.

Prácticamente cualquier aspecto del canal de comunicación afectará la calidad de la señal de salida. Mantener una buena calidad en las señales analógicas es un buen punto de partida, aunque es necesario considerar otros factores que limitan la calidad de las señales digitales. El ruido, la respuesta en fase y en frecuencia del canal de comunicación, el formato de modulación que se utilice y el retraso en la transmisión de la señal son algunos de los factores que afectan la calidad de la modulación y, por ende, la información recibida. Como meta, se pretende contar con una señal con la calidad suficiente como para poder recuperar la información con el menor número de errores posible.

Para evaluar la calidad de una señal existen técnicas cualitativas y métodos cuantitativos. Las técnicas cualitativas permiten evaluar una señal de manera subjetiva, de forma que la señal se observa y analiza con la intención de detectar patrones que puedan indicar la presencia de irregularidades. Estas técnicas son, por lo regular, utilizadas para apuntar posibles causas y determinar estrategias en la solución de problemas. Las mediciones cuantitativas, por el contrario, proveen un dato numérico que se compara con algún parámetro recomendado o correspondiente a alguna especificación. Una medida cuantitativa es sumamente confiable, mientras que las técnicas cualitativas dependen de la percepción particular y de la experiencia.

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Figura 1. Calidad de señales de video analógico y digital.

El parámetro de medición más importante en la evaluación de la calidad de señales digitales es la tasa de bits en error, mejor conocida por su acrónimo en inglés (BER). BER es una medida cuantitativa, de extremo a extremo, que evalúa la calidad de la información recibida, y se refiere a la relación entre el número de bits en error que se reciben y el número total de bits que se transmiten en determinado periodo de tiempo. Conforme aumenta el número de bits en error, la calidad de la señal se reducirá hasta llegar a un punto en que no es posible descifrar el mensaje transmitido. La tasa de bits en error puede evaluarse antes o después de efectuar la corrección de errores, aunque, tratándose de una medida de extremo a extremo, normalmente se emplea después de ella. La detección de errores FEC (Forward Error Correction, por sus siglas en inglés) permite mejorar una BER de 1x10 -4, esto es un bit erróneo de cada diez mil bits recibidos, a una tasa de 1x10 -12, es decir, un bit erróneo por cada billón de bits.

Para definir una buena tasa de bits en error es necesario considerar el formato digital de la señal que se transmite. Por ejemplo, se considera que una BER de 1x10 -6 es aceptable para una señal 256-QAM, mientras que, para una señal de video DVB-C, una BER de 1x10 -12 no provocará degradación visible en la imagen. En el caso particular de las redes de cable, es posible que una mala tasa de bits en error se detecte gracias a una disminución en la velocidad de la transmisión de datos en el servicio cablemódem o en imágenes deficientes que presenten la formación de "mosaicos" en señales de televisión digital.

Un medidor de BER (BERT, por sus siglas en inglés) es un instrumento útil para evaluar la tasa de bits en error de una señal digital. Los BERTs operan sobre señales digitales en banda base y requieren de una secuencia binaria aleatoria predefinida, inyectada al transmisor digital. Dependiendo de la aplicación, la tasa de bits en error puede medirse antes y/o después del canal de comunicación, pero forzosamente deberá enviarse a un receptor digital de prueba que proporcione la señal de banda base que requiere el BERT.

Será muy importante que a la hora de medir la tasa de bits en error se considere una cantidad de información importante para obtener un parámetro confiable del sistema. Se recomienda continuar midiendo hasta que se detecten por lo menos 100 errores. Sin embargo, una medición como ésta pudiera tomar mucho tiempo: si consideramos un canal de transmisión de 6 Mbps en el que se tiene una BER de 1x10 -12, un solo error tomaría alrededor de 46 horas para aparecer, por lo que detectar 100 errores llevaría alrededor de 4600 horas. En consecuencia, se acostumbra realizar cálculos estadísticos de BER que toman tan solo segundos o unos cuantos minutos. Debemos darnos cuenta que la tasa de bits en error es una medida cuantitativa muy útil para compararla con parámetros estándar pero que no identifica la fuente del problema, lo que hace necesario utilizar otras herramientas de medición.

Antes de comentar acerca de otras alternativas para medir la calidad de señales digitales, es importante detenernos un momento para analizar algunas de las principales mediciones analógicas que suelen llevarse a cabo. En el mundo de las telecomunicaciones, la relación señal a ruido y la relación portadora a ruido (SNR y CNR respectivamente, por sus siglas en inglés) suelen emplearse indistintamente. Sin embargo, en el área de las redes de cable, CNR y SNR representan diferentes parámetros, el primero en el dominio de RF y el segundo en banda base. CNR es una medida de pre-detección, es decir, en RF, que en la transmisión de canales analógicos sobre redes de cable se entiende como la diferencia, en decibeles, de la amplitud de la portadora de video de un canal de televisión y la amplitud rms del ruido del sistema en un determinado ancho de banda. SNR, por el contrario, es una medida de post-detección, es decir, efectuada en banda base. En términos generales, SNR se refiere a la relación entre el valor rms del nivel de señal y el valor rms del ruido. Para aplicaciones de video en particular, SNR se refiere a la relación entre la señal de video pico a pico (excluyendo sincronía) y el ruido contenido en el ancho de banda que ocupa esta señal de video.

Cuando nos enfrentamos a señales digitales, es posible medir la CNR de manera similar a como se haría en el mundo analógico, tomando en cuenta algunas recomendaciones. DOCSIS (Especificación de la Interfaz del Servicio de Datos por Cable, por sus siglas en inglés), de hecho, especifica que la mínima relación portadora a ruido en el canal descendente (hacia el usuario) es de 35 dB, mientras que para el canal ascendente (en dirección contraria) es de 25 dB. A diferencia de la metodología para realizar una medición de CNR para señales de televisión NTSC, en las que se considera que el ruido del sistema se presenta sobre un ancho de banda de 4 MHz, centrado sobre el canal de televisión, en el ámbito digital no suele utilizarse este ancho de banda, sino más bien el equivalente a la tasa de transferencia de símbolos de la portadora digital.

En el caso de utilizar 64 QAM para el canal descendente, donde la tasa de símbolos es de 5.0569 Msímbolos /s, es recomendable utilizar un ancho de banda de ruido de 5.057 MHz, aunque muchos prefieren utilizar el ancho de banda total del canal, es decir, 6 MHz. La diferencia de CNR cuando se utiliza el ancho de banda de 6 MHz y cuando se emplea el equivalente a la tasa de símbolos suele ser de tan solo 0.7 dB. Para portadoras digitales empleadas en el retorno sobre un canal de 1.6 MHz, la tasa de símbolos será de 1,280 ksímbolos /s, es decir, un ancho de banda de ruido de 1.28 MHz y, en el caso de utilizar canales de 3.2 MHz para el retorno, la tasa de símbolos corresponde a 2,560 ksímbolos /s, lo que equivale a 2.56 MHz de ancho de banda de ruido. En el retorno, la diferencia de CNR al utilizar el canal completo o el equivalente a la tasa de símbolos será de 0.97 dB.

Ahora que sabemos cómo medir la CNR de señales digitales, veamos lo que sucede con la SNR. Asumiendo que la SNR es una medida que se hace en banda base, en realidad no existe una forma práctica de medir la SNR de un conjunto de datos o secuencias de bits en banda base. Un parámetro que resulta análogo a la SNR es la relación de error de modulación (MER, por sus siglas en inglés). Este parámetro considera los efectos combinados de CNR, ruido de fase del transmisor, del conversor ascendente o del Sistema de Terminación Cablemódem (CMTS) y otras afecciones como distorsiones de segundo y de tercer orden. La relación de error de modulación, expresada en dBs, compara la potencia de error de modulación con la potencia de transmisión promedio a través del canal. La MER se calcula utilizando los propios componentes de la señal y no requiere de conocer un valor de ruido, como sucede con la CNR. Así como la SNR representa una mejor medición que la CNR para la evaluación de canales de televisión NTSC en redes de cable, la relación de error de modulación representa, junto con la BER, una mejor alternativa que la CNR en el análisis de señales digitales.

Aun cuando la magnitud de vector de error suele utilizarse en diferentes aplicaciones de telecomunicaciones, no es tan común en el caso particular de las redes de cable y, de hecho, no forma parte del estándar europeo de televisión digital (DVB, por sus siglas en inglés), mismo que ha optado por utilizar el parámetro MER para evaluar la calidad de las señales de televisión digital. Sin embargo, como dato de referencia, es conocido que niveles de EVM de hasta 2% son considerados convenientes para señales QAM en sistemas americanos y europeos.

La principal utilidad de la MER está en conocer el "margen" de una señal digital. El "margen" es una medida de qué tan cerca se encuentra la señal del "precipicio", es decir, de la región en que la calidad de la señal se ve drásticamente reducida. Recuérdese que, a diferencia de las señales analógicas, en donde la señal sufre una continua degradación conforme se incrementa el número de afecciones que le perjudican, las señales digitales mantienen una buena calidad hasta llegar a un punto en que ésta se reduce considerablemente. La Figura 3 muestra esta idea utilizando una gráfica de tasa de error contra MER en un determinado sistema. La tasa de error es mejor hacia la parte inferior de la gráfica, mientras que la MER mejora hacia la derecha del eje horizontal.



Figura 3. MER utilizada para predecir el "margen" de una señal digital.

El "margen" será entonces el número de decibeles entre el punto de operación y el sitio crítico de degradación de la calidad de la señal. En la cabecera de una red de cable, la MER deberá ubicarse, por lo general, en 35 dB o menos. Aun cuando DOCSIS no especifica un valor crítico de MER, el mínimo valor aceptable en la transmisión de datos para cualquier lugar de la red es de 27 dB para 64-QAM y de 31 dB para 256-QAM. Suponiendo que operemos con una MER de 32 dB para 64 QAM en determinado punto de la red, sabremos entonces que el margen en ese sitio será de 5 dB.

Hasta ahora únicamente hemos examinado los parámetros cuantitativos de medición de señales. Estos, por lo general, no nos permiten conocer el problema de fondo que afecta a la señal, por lo que suelen utilizarse otros métodos cualitativos como constelaciones y diagramas de ojo. Los diagramas de constelación muestran un patrón de los símbolos modulados digitalmente, en tanto que los diagramas de ojo descubren sus transiciones. Estas mediciones pueden efectuarse con un analizador de modulación digital conectado a un receptor digital de prueba, tanto en la salida de la cabecera, como después del canal de transmisión.

Identificar el problema que aqueja a una señal digital en los diagramas de constelación consiste en reconocer el patrón que provoca una desviación respecto a la posición ideal de los símbolos. Si cada punto en la constelación corresponde a la posición ideal del símbolo correspondiente, entonces la señal es perfecta y no contendrá errores. La Figura 4 muestra una señal 64-QAM limpia y distintos efectos que pudieran presentarse al utilizar diagramas de constelación para evaluar la calidad de la señal.



Figura 4. Efectos comunes en diagramas de constelación.

Compare primero los diagramas 4.1 y 4.2 de la Figura 4. Note que, a diferencia del primer diagrama, en donde se observa una señal limpia, en el segundo se puede distinguir un efecto de "atracción" hacia el centro de la constelación. Los símbolos atraídos son los de mayor potencia, es decir, aquellos que están más alejados del centro o punto de amplitud cero, provocando que la constelación se arquee conforme las esquinas se deforman hacia el centro. La principal causa de este problema es operar los amplificadores en su región no lineal. Observe ahora el efecto en el diagrama 4.3. Éste es producto de un desbalanceo de los ejes IQ (en fase y en cuadratura, respectivamente) en moduladores, demoduladores o amplificadores y filtros de banda base. El desbalanceo es causado por diferentes distorsiones de amplitud y de fase en los ejes I y Q, y normalmente puede corregirse mediante una calibración del equipo de comunicaciones.

Cuando existe interferencia de onda continua o espuria, es muy probable que se presente el efecto que se ilustra en el diagrama 4.4. La interferencia de onda continua se presentará en los diagramas de constelación como un vector de error circular y, por lo regular, no es visible en el analizador de espectros porque su energía se oculta bajo la de la señal modulada. Aunque no es posible determinar a simple vista la frecuencia de la espuria, la amplitud relativa de la interferencia corresponde a la amplitud del vector de error, es decir, la magnitud del radio del círculo.

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Una situación muy común es la presencia de ruido blanco gaussiano en el canal de comunicación. El ruido blanco, como se puede observar en el diagrama 4.5, provocará la dispersión de los símbolos alrededor de su posición ideal en la constelación. Otro problema que suele presentarse es el de "fuga" de señal. La "fuga" ocurre cuando ciertas frecuencias de radio escapan del cable coaxial. Una fuga indicaría un posible desbalanceo en el mezclador del modulador o la presencia no deseada de corriente directa (DC) en el sistema de transmisión. La "fuga" se presenta como un "offset" en la constelación a partir del punto de amplitud cero, tal como se observa en el diagrama 4.6. Otra situación negativa es la inestabilidad de la frecuencia de la portadora, lo que provoca que la señal sea desplazada en fase, efecto que puede advertirse en el diagrama 4.7. La inestabilidad de los osciladores locales de conversores ascendentes y descendentes es la principal causa de este problema.



Figura 5. Diagrama de ojo de una constelación QPSK.

Aunque los diagramas de constelación son muy útiles para determinar posibles causas de error en los sistemas, herramientas como la MER también pueden arrojar una idea de qué es lo que está mal. La tasa de error de modulación es un parámetro que responde rápidamente al problema que se presenta cuando se operan los amplificadores en su región no lineal. Una MER alta debida a errores lineales de fase posiblemente tenga su origen en la inestabilidad de osciladores locales o en la presencia de espurias. Cabe también la posibilidad de separar los resultados de MER en sus componentes I y Q. De esta forma pudieran diagnosticarse problemas derivados de ruido, "fuga" de señales, desbalanceo de los ejes IQ, etc.

Se comentaba que los diagramas de ojo son también una herramienta útil en la evaluación de la calidad subjetiva de la señal. Estos diagramas muestran cómo es que los vectores I y Q de un diagrama de constelación se desplazan a través del tiempo. Conforme se van presentando los "trazos" de los caminos que siguen estos vectores, comienza a formarse un patrón que se asemeja a un ojo. Mientras más cerrado se encuentre el "ojo", los símbolos colindantes presentarán más ruido u otros problemas similares. Ver Figura 5.

En resumen, al evaluar la calidad de toda señal digital se deben realizar las mediciones cualitativas y cuantitativas antes comentadas, con el objeto de contar con la suficiente información para identificar la causa de problemas. El nivel de potencia promedio de la señal, la tasa de bits en error, tanto antes como después de la corrección de errores, la tasa de error de modulación y los diagramas de constelación son los parámetros que se utilizan comúnmente en las redes de cable. Algunos instrumentosde reconocidos fabricantes proveen funciones de medición que permiten conocer todos los parámetros anteriores a través de un mismo equipo. Cabe la posibilidad, para algunos de ellos, de contar con distintos módulos de expansión o software para llevar a cabo funciones específicas. Entre otros equipos podemos nombrar al SDA-5000 de Acterna, el Avantron AT2000RQ, el Calan N1776A y el Hukk CR1200R de SunriseTelecom, el TVA2000Q de SwiresResearch, el DMA-122 y DMA-123 de Telsey y el 860DSP de Trilithic.

DVB-C se refiere a la modalidad por cable del estándar europeo de televisión digital (Digital Video Broadcast).

Un valor rms se refiere a la raíz cuadrática media de un conjunto de datos. Para conocer este valor, la estrategia consiste en obtener la raíz cuadrada del promedio de las diferencias de los datos, elevadas al cuadrado.

Si desea conocer más acerca de métodos de modulación digital y sus diagramas de constelación correspondientes, lo invitamos a leer nuestro artículo "QAM, La Guía Completa", disponible en la sección de artículos de nuestro sitio web.

Las regiones no lineales en los amplificadores son las de entradas muy pequeñas o demasiado grandes.