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Este artículo explica cómo interpretar y especificar el ancho de banda en sistemas que involucran la transmisión de datos y el procesamiento digital.

Mi artículo anterior sobre la definición de ancho de banda exploró las complejidades de este término en el contexto de amplificadores, filtros y sistemas de RF. Sin embargo, hoy en día, muchos ingenieros eléctricos dedican una gran parte de su trabajo a los sistemas digitales y, en consecuencia, debemos enfrentar significados y detalles adicionales asociados con el término "ancho de banda".

Ancho de banda como rendimiento

El concepto de ancho de banda está estrechamente relacionado con la capacidad de un sistema para transmitir información. Para transferir datos, una señal debe cambiar de alguna manera y la velocidad a la que se producen estos cambios influye en la velocidad a la que se puede transferir la información.

Si una señal tiene más ancho de banda, en este caso significa que incluye o es compatible con Frecuencias más altas, puede cambiar más rápidamente. Por lo tanto, más ancho de banda corresponde a una mayor tasa máxima de transferencia de datos.

La señal portadora (azul, que muestra modulación de frecuencia) debe tener más ancho de banda que la señal de banda base (rojo). De lo contrario, la capacidad del transportista (en términos de velocidad) para la transferencia de datos sería menor que la de la señal original.

No es sorprendente, entonces, que la palabra "ancho de banda" se use ahora de una manera que ponga énfasis en la transferencia de datos en lugar de la respuesta de frecuencia o las características espectrales. Este tipo de ancho de banda parece ser más o menos equivalente a "rendimiento", es decir, la velocidad máxima a la que un sistema puede producir o procesar datos; normalmente se expresa en bits por segundo en lugar de hertz.

Puede escuchar el término ancho de banda en cualquiera de los siguientes contextos:

• Ancho de banda de la comunicación
• Ancho de banda digital
• Ancho de banda de computación (incluyendo ancho de banda de memoria)

Ancho de banda de comunicación: ancho de banda como una medida de transferencia de datos

Dada la definición real de ancho de banda, es decir, el ancho de una banda de frecuencias, ¿por qué se usa este término para describir conceptos como las tasas de transferencia de datos? La respuesta está relacionada con cómo evoluciona el lenguaje.

El significado tradicional de la palabra "leer" es "leer con atención o minuciosamente". Por alguna razón, la gente comenzó a usarlo para que signifique "leer rápidamente, echar un vistazo a", tal vez porque la palabra suena más relajada, como "crucero" o "posponer". Este significado se hizo tan común que se incluyó en algunos diccionarios, a pesar del hecho de que es lo contrario del significado original. Hoy en día, si alguien le entrega un documento y le dice que lo lea, realmente no tiene idea de lo que se supone que debe hacer.

Una dificultad similar surge cuando separamos el concepto de ancho de banda de su realidad etimológica. Por ejemplo, hay sitios web que medirán el “ancho de banda” de su conexión a Internet. Los resultados de estas pruebas no serán idénticos de un día a otro o incluso de un ciclo de medición al siguiente.

¿Es la respuesta de frecuencia de su hardware de red realmente esa variable? ¿Su módem varía aleatoriamente la frecuencia de sus señales de comunicación? Hace la velocidad capacidad ¿De tu conexión cambia constantemente? Yo creo que no.

En este contexto, el "ancho de banda" es simplemente la velocidad a la que su computadora envía y recibe datos con éxito, y esta velocidad fluctúa debido a que está influenciada por las condiciones generales de la red.

Entonces, ¿cuál es exactamente el ancho de banda de un sistema de comunicación digital? ¿Es la velocidad máxima a la que pueden transferirse los bits individuales? ¿Es la velocidad máxima a la que se pueden transferir los datos, donde "datos" se refiere solo a la carga útil de un paquete? ¿Tiene en cuenta la tasa de errores de bits o paquetes que normalmente se producen para un conjunto dado de condiciones operativas, lo que significa que es la tasa a la que se pueden enviar los datos? exitosamente transferido?

Me temo que todas estas son posibilidades y, en consecuencia, mi recomendación es la siguiente: cuando la precisión es importante, por ejemplo, si su jefe dice que "el sistema debe tener un ancho de banda de cien megabits por segundo o está despedido". Pregunta para aclarar.

La sobrecarga asociada con la comunicación basada en paquetes hace que la cantidad de datos reales que se transfiere en un período de tiempo dado sea menor que la cantidad de unos y ceros que se transfieren.

Ancho de banda digital: definición de un rango de frecuencias

Si las personas están acostumbradas a pensar en el ancho de banda como el rendimiento, pueden inclinarse a aplicar el término "ancho de banda" a la frecuencia de una señal digital, por ejemplo, "Estoy ejecutando mi línea de datos SPI a un ancho de banda de 100 kHz". No sé si este uso es común, pero es seriamente incorrecto y se debe desalentar.

Si volvemos al significado central de la palabra, el ancho de banda es un rango de frecuencias. El contenido espectral de una onda cuadrada se extiende mucho más allá de la frecuencia fundamental y, por lo tanto, una forma de onda digital que completa 100,000 ciclos por segundo tiene un ancho de banda que es mucho más ancho que 100 kHz.

La transformada de Fourier de una onda cuadrada nos recuerda que las formas de onda digitales tienen cantidades significativas de energía en frecuencias que se extienden mucho más allá de la frecuencia de la señal (medida en ciclos por segundo) o la tasa de bits (medida en bits por segundo).

Cálculo del ancho de banda, ancho de banda de memoria: procesamiento de datos

El término "ancho de banda" se utiliza para describir no solo la velocidad a la que se transfieren los datos, sino también la velocidad a la que se procesan. Este es esencialmente el concepto de rendimiento aplicado a un sistema de procesamiento en lugar de un sistema de comunicación.

El ancho de banda de la CPU, en sí mismo, está determinado por la frecuencia de reloj y los detalles arquitectónicos (como el número de núcleos) que determinan cómo se ejecutan las instrucciones. Sin embargo, resulta que el ancho de banda de la memoria puede ser el factor limitante en los procesadores construidos alrededor de las CPU de primera línea.

El ancho de banda de la memoria se refiere a la velocidad a la que el sistema de memoria puede mover datos a la CPU, y los desarrollos aparentemente tecnológicos han favorecido el rendimiento de la CPU en lugar del rendimiento de la memoria.

Quizás lo más importante que se debe recordar sobre el cálculo del ancho de banda, medido en, digamos, bytes por segundo o instrucciones por segundo, es que no es en modo alguno igual a la frecuencia de reloj del procesador (en ciclos por segundo). Las instrucciones a menudo requieren más de un ciclo de reloj para su ejecución, incluso en los procesadores relativamente simples que se encuentran en los microcontroladores. De hecho, la arquitectura 8051 original requería al menos 12 ciclos de reloj para ejecutar una instrucción.

Combatiendo la confusión: las muchas caras del ancho de banda

Espero que estos dos artículos le hayan ayudado a comprender las diversas formas, ya veces inconsistentes, en que se puede usar el término “ancho de banda” para caracterizar sistemas analógicos, digitales y de radiofrecuencia. La ingeniería es un campo que se basa en la precisión, por lo que todos debemos hacer un esfuerzo para aclarar nuestra información cuando la terminología por sí sola no es suficiente.