Interferencia entre símbolos

En telecomunicaciones, la interferencia entre símbolos (ISI) es una forma de distorsión de una señal en la que un símbolo interfiere con los símbolos posteriores. Este es un fenómeno no deseado ya que los símbolos anteriores tienen un efecto similar al ruido, lo que hace que la comunicación sea menos confiable. La propagación del pulso más allá de su intervalo de tiempo asignado hace que interfiera con los pulsos vecinos. La ISI generalmente es causada por la propagación de trayectos múltiples o la respuesta de frecuencia lineal o no lineal inherente de un canal de comunicación que hace que los símbolos sucesivos se difuminen entre sí.

La presencia de ISI en el sistema introduce errores en el dispositivo de decisión a la salida del receptor. Por lo tanto, en el diseño de los filtros de transmisión y recepción, el objetivo es minimizar los efectos de ISI y, por lo tanto, entregar los datos digitales a su destino con la menor tasa de error posible.

Las formas de aliviar la interferencia entre símbolos incluyen la ecualización adaptativa y los códigos de corrección de errores.

Causas

Propagación multitrayecto

Una de las causas de la interferencia entre símbolos es la propagación de trayectos múltiples, en la que una señal inalámbrica de un transmisor llega al receptor a través de varios trayectos. Las causas de esto incluyen la reflexión (por ejemplo, la señal puede rebotar en los edificios), la refracción (como a través del follaje de un árbol) y los efectos atmosféricos, como los conductos atmosféricos y la reflexión ionosférica. Dado que las diversas rutas pueden tener diferentes longitudes, esto da como resultado que las diferentes versiones de la señal lleguen al receptor en diferentes momentos. Estos retrasos significan que parte o la totalidad de un símbolo dado se extenderá a los símbolos subsiguientes, interfiriendo así con la detección correcta de esos símbolos. Además, las diversas rutas a menudo distorsionan la amplitud y/o la fase de la señal, provocando así una mayor interferencia con la señal recibida.

Canales de banda limitada

Otra causa de la interferencia entre símbolos es la transmisión de una señal a través de un canal de banda limitada, es decir, uno en el que la respuesta de frecuencia es cero por encima de una determinada frecuencia (la frecuencia de corte). Pasar una señal a través de dicho canal da como resultado la eliminación de componentes de frecuencia por encima de esta frecuencia de corte. Además, los componentes de la frecuencia por debajo de la frecuencia de corte también pueden ser atenuados por el canal.

Este filtrado de la señal transmitida afecta la forma del pulso que llega al receptor. Los efectos de filtrar un pulso rectangular no solo cambian la forma del pulso dentro del primer período de símbolo, sino que también se extienden a lo largo de los períodos de símbolo subsiguientes. Cuando se transmite un mensaje a través de dicho canal, el pulso de propagación de cada símbolo individual interferirá con los siguientes símbolos.

Los canales de banda limitada están presentes tanto en las comunicaciones por cable como inalámbricas. La limitación a menudo se impone por el deseo de operar múltiples señales independientes a través de la misma área/cable; debido a esto, a cada sistema normalmente se le asigna una parte del ancho de banda total disponible. Para los sistemas inalámbricos, se les puede asignar una porción del espectro electromagnético para transmitir (por ejemplo, la radio FM a menudo se transmite en el rango de 87,5 a 108 MHz). Esta asignación generalmente es administrada por una agencia gubernamental; en el caso de Estados Unidos se trata de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC). En un sistema alámbrico, como un cable de fibra óptica, la asignación la decidirá el propietario del cable.

La limitación de banda también puede deberse a las propiedades físicas del medio; por ejemplo, el cable que se usa en un sistema alámbrico puede tener una frecuencia de corte por encima de la cual prácticamente ninguna señal transmitida se propagará.

Los sistemas de comunicación que transmiten datos a través de canales con banda limitada generalmente implementan modelado de pulsos para evitar la interferencia causada por la limitación del ancho de banda. Si la respuesta de frecuencia del canal es plana y el filtro de conformación tiene un ancho de banda finito, es posible comunicarse sin ISI. A menudo, la respuesta del canal no se conoce de antemano y se utiliza un ecualizador adaptativo para compensar la respuesta de frecuencia.

Efectos en los patrones de los ojos

Una forma de estudiar ISI en un PCM o sistema de transmisión de datos de manera experimental es aplicar la onda recibida a las placas de desviación vertical de un osciloscopio y aplicar una onda de diente de sierra a la velocidad de símbolo transmitida R (R = 1/T) para las placas deflectoras horizontales. La visualización resultante se denomina patrón de ojo debido a su parecido con el ojo humano para las ondas binarias. La región interior del patrón del ojo se llama apertura del ojo. Un patrón de ojos proporciona una gran cantidad de información sobre el rendimiento del sistema pertinente.

1. La anchura de la abertura del ojo define el intervalo de tiempo sobre el cual la onda recibida puede ser muestrada sin error de ISI. Es evidente que el tiempo preferido para el muestreo es el instante en que el ojo está más abierto.
2. La sensibilidad del sistema al error de tiempo se determina por la tasa de cierre del ojo, ya que el tiempo de muestreo es variado.
3. La altura de la abertura del ojo, en un tiempo de muestreo especificado, define el margen sobre el ruido.

Un patrón de ojo, que se superpone a muchas muestras de una señal, puede dar una representación gráfica de la características de la señal. La primera imagen a continuación es el patrón de ojo para un sistema de modulación por desplazamiento de fase binaria (PSK) en el que un uno está representado por una amplitud de -1 y un cero por una amplitud de +1. El tiempo de muestreo actual está en el centro de la imagen y los tiempos de muestreo anterior y siguiente están en los bordes de la imagen. Las diversas transiciones de un tiempo de muestreo a otro (como uno a cero, uno a uno, etc.) se pueden ver claramente en el diagrama.

El margen de ruido (la cantidad de ruido necesaria para que el receptor obtenga un error) viene dado por la distancia entre la señal y el punto de amplitud cero en el momento del muestreo; en otras palabras, cuanto más lejos de cero en el tiempo de muestreo esté la señal, mejor. Para que la señal se interprete correctamente, debe muestrearse en algún lugar entre los dos puntos donde se cruzan las transiciones de cero a uno y de uno a cero. Una vez más, cuanto más separados estén estos puntos, mejor, ya que esto significa que la señal será menos sensible a los errores en la temporización de las muestras en el receptor.

Los efectos de ISI se muestran en la segunda imagen, que es un patrón de ojo del mismo sistema cuando opera en un canal de trayectos múltiples. Los efectos de recibir versiones retrasadas y distorsionadas de la señal se pueden ver en la pérdida de definición de las transiciones de la señal. También reduce tanto el margen de ruido como la ventana en la que se puede muestrear la señal, lo que indica que el rendimiento del sistema será peor (es decir, tendrá una mayor tasa de error de bits).

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  El diagrama de ojos de un sistema binario PSK

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  El diagrama ocular del mismo sistema con efectos multipáticos añadidos

Contrarrestar a ISI

Existen varias técnicas en telecomunicaciones y almacenamiento de datos que intentan solucionar el problema de la interferencia entre símbolos.

• Sistemas de diseño tales que la respuesta de impulso es lo suficientemente corta que muy poca energía de un símbolo smears en el próximo símbolo.

Impulsos consecutivos elevados-cosinos, demostrando propiedad cero-ISI

• Símbolos separados a tiempo con períodos de guardia.
• Aplique un ecualizador en el receptor, que, en términos generales, intenta deshacer el efecto del canal aplicando un filtro inverso.
• Aplica un detector de secuencias en el receptor, que intenta estimar la secuencia de símbolos transmitidos utilizando el algoritmo Viterbi.

Interferencia intencional entre símbolos

También existen sistemas de modulación codificada que intencionalmente construyen una cantidad controlada de ISI en el sistema en el lado del transmisor, lo que se conoce como señalización más rápida que Nyquist. Tal diseño intercambia una penalización de complejidad computacional en el receptor contra una ganancia de capacidad de Shannon del sistema transceptor general.