¿Cuál es la diferencia entre velocidad de transmisión de datos y ancho de banda?

A veces, los conceptos de velocidad de transmisión de datos y ancho de banda se utilizan indistintamente. Esto se debe, en gran medida, a las empresas de publicidad y los medios de comunicación, que han convertido un importante término técnico del diseño de circuitos analógicos en una palabra de moda. En la actualidad, la palabra "ancho de banda" se utiliza erróneamente hasta el punto de que, sin querer, ha adquirido un significado algo relacionado con el diseño de convertidores analógico-digitales (ADC). Tanto en el diseño de placas de circuito impreso (PCB) como en el diseño de circuitos, el ancho de banda tiene una clara connotación que no tiene nada que ver con la velocidad de transmisión de datos. Incluso, a veces se refiere a alguna cualidad de la señal y a su interacción con un receptor.

Dado que la diferencia entre velocidad transmisión de datos y ancho de banda resulta un poco difusa, ¿cómo afecta esto al proceso de diseño de PCB? En este artículo, profundizaremos en este tema para así definir las métricas de integridad de la señal para canales de velocidad ultra alta. Estos mismos conceptos acerca de las métricas de integridad de la señal se reflejan en el reciente estándar para el USB 4.0. y cobrarán mayor importancia en los nuevos estándares para señales de alta velocidad.

Diferencia entre la velocidad de transmisión de datos y el ancho de banda

La velocidad de transmisión de datos es exactamente lo que su nombre indica. Es el número de bits transmitidos a través de un canal o por un componente por unidad de tiempo. La velocidad de transmisión de datos también puede indicarse en baudios (por ejemplo, el número de unidades de señal por segundo). Esto nos permite diferenciar entre los esquemas de señalización binarios y multinivel. Esto es bastante sencillo; para una señal de dos niveles (por ejemplo, los códigos NRZ), la velocidad en baudios es igual a la velocidad en bits. Para las señales de cuatro niveles (por ejemplo, la PAM4), la velocidad en baudios es la mitad de la velocidad en bits, ya que se transmiten dos bits por intervalo unitario (IU).

En cuanto a la definición de ancho de banda, los diseñadores de componentes electrónicos de todo tipo suelen utilizar el término “ancho de banda” para referirse a uno o varios de los siguientes aspectos:

• Punto de -3 dB. Se suele utilizar en el diseño de filtros para indicar la frecuencia a la que la función de transferencia del filtro (su magnitud) disminuye en 3 dB. 
• Gama de frecuencias en el que un componente puede recibir/transmitir. Esto casi siempre se lo he visto hacer a investigadores que trabajan en la integración o el diseño de sistemas, cuando necesitan adaptar un nuevo componente/sistema para recibir/transmitir dentro de un rango de frecuencias específico. 
• Contenido de frecuencias de la señal. Una señal de banda ancha puede tener su contenido de frecuencias repartido en un amplio rango de frecuencias. El ancho de banda define el tamaño de este espectro. 
• La capacidad de velocidad de transmisión de datos de un canal. Esta definición de ancho de banda surge del hecho de que la velocidad de transmisión de datos (en realidad, la velocidad en baudios) y el contenido de frecuencia están relacionados, pero normalmente se utiliza para describir los enlaces de fibra o inalámbricos, más que las interconexiones a nivel de la placa.

Los dos últimos aspectos en la definición de ancho de banda son más importantes para el diseñador digital ya que es aquí donde debe quedar clara la relación entre el ancho de banda y la velocidad de transmisión de datos para los diseñadores de PCB. En el caso de las señales analógicas, no nos interesa el ancho de banda. A no ser que vayamos a utilizar la modulación con una señal portadora (por ejemplo, Ethernet) o trabajemos con pulsos (como en el lídar) o con formas de onda pulsadas (como en el radar FMCW). El ancho de banda de una señal analógica es bastante pequeño y puede verse directamente en el trazo de un analizador de espectro. Entonces ¿qué es un ancho de banda? Por lo general, el ancho de banda se puede definir como el rango de frecuencias que es interrumpido por el ruido de fondo en el trazo del osciloscopio. En el caso de las frecuencias digitales, la situación no es tan sencilla.

Ancho de banda y señales digitales

En este caso, cuando hablo de ancho de banda en señales digitales, me refiero al contenido de frecuencias que componen una señal digital. El ancho de banda de una señal digital no es tan claro porque, matemáticamente, se extiende hasta una frecuencia infinita. Por lo tanto, para llegar a una definición útil del ancho de banda para usarlo en el diseño de líneas de transmisión para enlaces de muy alta velocidad, necesitamos establecer algún límite superior relevante para el ancho de banda de una señal digital.

Ancho de banda para señales de dos niveles

A continuación, indicamos algunas definiciones comunes de ancho de banda para señales de dos niveles (por ejemplo, los códigos NRZ):

• El 5.º armónico. Se trata de un punto límite común, pero arbitrario, para los anchos de banda de las señales digitales. Digo que es arbitrario porque también se podría utilizar cualquier otra frecuencia impar mayor que el 5.º armónico. Según esta definición, el ancho de banda equivale a 2,5 veces la velocidad de transmisión de datos. 
• La frecuencia de inflexión. Esta frecuencia específica se suele aproximar a 0,35/tiempo de subida En otras palabras, nos dice que el ancho de banda no tiene por qué estar relacionado con la velocidad de transmisión de datos, a pesar de que una mayor velocidad de transmisión de datos binarios tendrá un tiempo de subida más corto.
• La frecuencia de Nyquist. Si asumimos que un receptor solo muestra una señal digital binaria a una velocidad igual a la de transmisión de datos, entonces la frecuencia de Nyquist sería igual a la mitad de la velocidad de transmisión de datos. Esta es otra forma habitual de medir el ancho de banda de las señales digitales binarias.

Aquí tenemos dos métricas que relacionan el ancho de banda con la velocidad de transmisión de datos: el 5º armónico y la frecuencia de Nyquist. De ellas, la frecuencia de Nyquist es la que más se puede generalizar a los flujos de bits multinivel.

Ancho de banda para señales multinivel

Para una señal multinivel, como un flujo de bits con modulación de amplitud de pulso (PAM), la frecuencia de Nyquist es la mejor definición del ancho de banda, ya que es la que más se puede generalizar a cualquier número de niveles de señal. En este caso, el ancho de banda (igual a la frecuencia de Nyquist) se puede definir como:

donde N es el número de niveles de señal por IU y D es la velocidad de bits. Esto coincide conceptualmente con la misma idea utilizada en el criterio de Nyquist según su definición para un ADC, donde la velocidad de muestreo coincide con la velocidad de transmisión de datos. La conclusión es: el hecho de que el ancho de banda de un canal se establezca en X GHz, no implica que la velocidad de transmisión de datos esté limitada a 2X GHz, ya que el estándar de señalización también influye. De hecho, el ancho de banda en términos de su contenido de frecuencia debe definirse caso por caso. No hay una ecuación única.

Cuando estoy analizando el ancho de banda relevante para un determinado flujo de bits, siempre elijo la mayor entre la frecuencia de inflexión o la frecuencia de Nyquist para las señales de dos niveles. Para las señales multinivel, siempre opto por la frecuencia de Nyquist como medida relevante para el ancho de banda. Al examinar los parámetros S o la función de transferencia de un canal, puedes enfocarte en las frecuencias que se encuentran en el ancho de banda y por debajo de éste, ya que el receptor limita el ancho de banda relevante del canal. Solo tienes que tener en cuenta de las pérdidas y el acoplamiento de impedancias en las frecuencias hasta el ancho de banda.

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