Las Comunicaciones Modernas

Frecuentemente se habla de la "dinámica" de
las telecomunicaciones y de las tecnologías de la
información. Pero ¿qué significa esto en
realidad? A fines del siglo pasado era posible identificar unos
cuantos acontecimientos y a otros tantos científicos que a
la larga seguramente generarían un importante cambio en el
área. Hoy esto ya no es posible. El número de
acontecimientos, decisiones, inventos y desarrollos que
contribuyen al avance del área es enorme y, de hecho,
aumenta día con día. En un siglo (1850-1945) hubo
menos cambios que los que ocurrirán en la próxima
década o posiblemente en el próximo
año.

Iniciamos este capítulo con una breve
descripción del avance de las telecomunicaciones a lo
largo del tiempo que más tarde introducirían los
conceptos de las telecomunicaciones modernas; posteriormente se
explican dichos conceptos.

1850: Utilizando la tecnología de la
época, en telegrafía era posible transmitir unas
cuantas palabras por minuto a través de algunos
kilómetros de distancia. En los siguientes 50 años,
con técnicas más complejas, y con base en
transmisiones de radio (es decir, inalámbricas) que
permitían comunicaciones con velocidades de
propagación iguales a las que se utilizan hoy en
día (a la velocidad de la luz), se logró, en 1870,
enviar mensajes a tasas de transmisión del orden de 20
palabras por minuto.

En 1901, después de las exitosas transmisiones de
Marconi entre Poldhu, Inglaterra, y St. Johns, Canadá, fue
posible transmitir —casi independientemente de la distancia
entre transmisor y receptor— hasta cientos de palabras por
minuto. 1945: Los avances que se lograron durante la segunda
Guerra Mundial en el área de las comunicaciones fueron
determinantes para su desarrollo futuro.

En aquellos años se llevó al extremo el
ingenio humano, al diseñar sistemas más
rápidos, seguros, y privados que los que se
conocían hasta ese momento. Frecuentemente se implantaban
soluciones un tanto empíricas, sin tener aún
dominados todos los aspectos científicos que se
requerían para ampliar los conocimientos del área.
Importaba en especial un aspecto: cómo emplear las
comunicaciones para beneficiar los intereses militares que
dominaban en aquellos días.

Las dos guerras mundiales fueron así los dos
acontecimientos que en mayor medida han afectado, no
únicamente a las telecomunicaciones modernas, sino a la
tecnología y la investigación científica en
general (un ejemplo de esto es el desarrollo de los aviones).
Ambas guerras fueron las responsables de convertir experimentos
caseros en trabajos de grupos bien coordinados, patrocinados por
gobiernos y corporaciones, buscando colectivamente nuevos
desarrollos y aplicaciones novedosas de técnicas
conocidas.

1965: El producto de una interesante colaboración
multinacional para el uso del espacio fue el lanzamiento y puesta
en operación del primer satélite comercial de
comunicaciones, el INTELSAT I, conocido también
como el "Pájaro madrugador". El INTELSAT I
tenía una capacidad de 240 circuitos telefónicos.
Dos años después se integraba un sistema global de
comunicaciones vía satélite con la
colocación en órbita de dos satélites
adicionales de mayor capacidad, los INTELSAT II del
Pacífico y del Atlántico, con lo cual se
podía establecer comunicación telefónica
(cerca de 720 circuitos para voz) entre cualesquiera ciudades del
planeta. ElINTELSAT V, puesto en órbita en 1980,
puede procesar 12 000 llamadas telefónicas de manera
simultánea, aparte de dos canales de
televisión.

1988: El primer cable transatlántico de fibras
ópticas, el sistema TAT-8, fue puesto en
operación entre Estados Unidos y Gran Bretaña. Sus
propietarios son ATT y un consorcio de 27
compañías y oficinas gubernamentales europeas.
Puede transportar simultáneamente 40000 conversaciones
telefónicas, lo cual es más que lo que pueden
transportar todos los otros cables y enlaces satelitales
transatlánticos combinados. Esto ocurrió 146
años después de que el primer conductor de
señales subacuático fuera probado, en 1842 por S.
Morse y E. Cornell, entre ambos lados del río Hudson; 137
años después de haber tendido cables que
atravesaban el río Mississippi; 138 después del
enlace Dover-Calais, y 122 después del primer cable
exitoso que enlazaba Irlanda con Newfoundland. Las comunicaciones
internacionales vía satélite siguen creciendo con
una tasa anual de cerca del 10%. El
sistema INTELSAT cuenta con 16 satélites en
operación; 11 de ellos pueden transmitir entre 12 000 y 15
000 canales de voz y, adicionalmente, dos de televisión.
De acuerdo con estas tendencias es posible suponer que dicha
capacidad podrá ser expandida en el futuro a una cantidad
cercana a los 100 000 circuitos telefónicos. 1996:
Crecimiento explosivo de redes que enlazan todo el planeta,
computadoras que se comunican a velocidades de millones de bits
por segundo, telefonía celular, localización global
de personas, redes personales de comunicación,
televisión de alta definición, redes
telefónicas interconectadas con redes de televisión
por cable, realidad virtual, satélites de órbita
baja, supercarreteras de información,
etcétera.

Todos los avances científicos logrados en las
telecomunicaciones han requerido muchos años de
experiencia, de innovación y de expansión: en los
años cuarenta, con objetivos de carácter militar,
siendo de importancia secundaria el beneficio social que las
comunicaciones tendrían como consecuencia; en los sesenta
era muy satisfactorio poder conectar aparatos telefónicos
en ambos extremos de un canal de satélite y sostener con
inteligibilidad razonable una conversación
telefónica; en los noventa se han incorporado los
satélites a sistemas integrales de transmisión de
información, con una gran variedad de medios de
comunicación tales como fibras ópticas y cables
metálicos, permitiendo la satisfacción de una
amplia gama de necesidades de comunicación entre las
cuales están la transmisión de datos, las
teleconferencias y, desde luego, las transmisiones de
conversaciones habladas.

A mediados de los noventa es imposible concebir muchas
actividades humanas cotidianas sin el apoyo de las
telecomunicaciones: fax, teléfono celular,
televisión a colores, radiolocalización de
personas, redes de computadoras, etcétera.

Como ha sido descrito anteriormente, en un principio las
telecomunicaciones se realizaban empleando señales cuya
magnitud es una función directa del mensaje que se desea
transmitir: en telefonía, por ejemplo, mediante la
correspondencia de una señal de voltaje de amplitud grande
a sonidos de volumen alto, y señales de amplitud
pequeña a sonidos de bajo volumen (transmisión
analógica). Las transmisiones de este tipo pueden tener
problemas serios: si se le suma el ruido (que invariablemente
está presente en todo canal de comunicaciones) a la
señal transmitida, considerando que este ruido
también tiene como efecto señales de amplitud
variable desconocida e impredecible, entonces lo que se recibe en
el receptor estará distorsionado por el ruido. Por
ejemplo, todos hemos tenido la experiencia de querer dialogar con
nuestra pareja en una discoteca donde la música
está a un volumen altísimo.

El diálogo es en realidad difícil, puesto
que el "ruido del canal" normalmente tiene un volumen mucho mayor
que el de la voz en una conversación, aun si se pretende
hablar a gritos. (No obstante, es importante recordar, para este
ejemplo, como veremos más adelante, que los seres humanos
contamos también con los lenguajes gestual y
corporal.)

El ruido es un fenómeno inevitable en las
comunicaciones. Por tanto, la tarea de un ingeniero en
telecomunicaciones consiste en diseñar sistemas que
permitan hacer llegar la información de la fuente al
destino a pesar del ruido, el cual, además, varía
con el tiempo y es más perjudicial en algunas ocasiones
que en otras.

Para resolver el problema del ruido se dispone de las
comunicaciones digitales, que están basadas en el
siguiente principio: supongamos que la información
está contenida en sucesiones de colores que pueden ser
cualquier tonalidad del espectro visible; si se modifica
ligeramente alguno de los colores es difícil establecer de
manera precisa cuál era el color original. Por ejemplo, si
en lugar de ver azul rey se observa azul marino, no hay forma de
saber si originalmente se tenía azul rey o azul marino.
(El concepto mismo de la tonalidad de los colores es subjetivo y
puede variar de persona en persona). Por otra parte, si se sabe
que únicamente se puede observar blanco o negro, es
posible establecer reglas de decisión sencillas para
determinar si un tono específico de gris originalmente era
blanco o negro. Es decir, a partir de qué tono de gris
(del más claro hasta el más oscuro) se
decidirá negro, con el entendimiento de que las
tonalidades más claras corresponden al blanco.

El mismo principio se aplica a las comunicaciones
digitales, con la excepción de que no se trata de colores
(blanco o negro), sino de "unos" o "ceros". Recordando que en
toda transmisión hay ruido sobrepuesto, si se transmite el
voltaje correspondiente a un "cero" (0 volts) y se le suma ruido
que hace aparecer a ese valor como un 0.4, se decidirá que
lo transmitido fue un cero, mientras que si se reciben valores
mayores de 0.5, la decisión a tomar será
"uno".

Recurriendo nuevamente al ejemplo de la discoteca con
música a un volumen en extremo alto, si las personas que
dialogan sólo disponen de dos palabras-gesto por ejemplo
sí y no, aun estando muy alto el volumen resulta mucho
más fácil decidir si lo que dijo la otra fue
precisamente un sí o un no (figura IV. 1).

Figura IV.1. Señal
digital ruidosa.

Las comunicaciones digitales tienen las siguientes
ventajas sobre las analógicas: —como las
computadoras trabajan con información digital, esta debe
ser procesada en microprocesadores digitales (ésta es una
de las razones por las cuales se habla de la convergencia entre
la electrónica, las telecomunicaciones y la
computación), con lo cual se aumentan enormemente las
posibilidades de procesamiento a grandes velocidades y de
almacenamiento masivo de la información. —estando la
información en formato digital, es posible explotar
plenamente las técnicas modernas de criptografía,
codificación, compresión de datos,
corrección y detección de errores y el
procesamiento digital en general.

Para explicar cada una de las ventajas de las
comunicaciones digitales se hará referencia a uno de los
primeros sistemas de comunicaciones del que se tiene
documentación: el sistema de Polibio (mencionado en la
Introducción) que podría ser llamado
"telégrafo síncrono apoyado en medición
hidráulica de tiempo y en señalización
óptica."

Recordemos que se trata de un sistema en el cual el
mensaje que se desea transmitir pertenece a un conjunto finito de
mensajes; es evidente que para que este tipo de comunicaciones
tenga sentido, ambas partes (receptor y transmisor) deben estar
conscientes de los posibles mensajes que uno transmitirá
al otro. El sistema será empleado en este capítulo
para explicar algunas de las ideas relacionadas con las
comunicaciones digitales. Para ello, conviene describir
nuevamente su operación:

En este sistema se pueden identificar y explicar los
siguientes problemas relacionados con (y de fundamental
importancia para) las telecomunicaciones digitales: a)
Conversión analógico-digital de una
señal. La altura de los cilindros codificadores,
sobre los cuales están marcados los mensajes, puede tomar
cualquier valor entre la altura máxima (recipiente externo
totalmente lleno) y la mínima (recipiente externo
totalmente vacío). Es decir, la altura es una variable
analógica. Sin embargo, cada uno de los mensajes tiene
asociada una zona o un rango de alturas, al cual le corresponde
cada uno de los mensajes. Si existen diez posibles mensajes,
existen también diez posibles regiones de altura. Este
proceso es, evidentemente, una conversión analógico
a digital y tiene incorporado un proceso de cuantización
del mismo tipo que fue mencionado en el capítulo II
(figura IV.2).

Figura IV.
2. Conversión analógico-digital en el
codificador de Polibio.

  b) Codificación de un
mensaje. En realidad, la salida del sistema, una vez
que se cierra la válvula, es la altura del cilindro
interno del sistema; sin embargo, como el cilindro está
subdividido en regiones, y a cada región le corresponde un
mensaje, el mensaje está codificado. A cada altura posible
le corresponde uno y sólo uno de los posibles mensajes. El
conjunto de mensajes se conoce con el nombre de alfabeto de
salida del codificador o conjunto de mensajes codificados (figura
IV.3).

Figura
IV.3. Codificación.

c) Criptografía de un mensaje. La
criptografía es la ciencia de "cifrar información
de manera tal que únicamente aquellas personas que conocen
la forma en que fue cifrada la información y las claves
con que fue realizado el proceso de cifrado pueden descifrarla".
Pues bien: a pesar de que cualquier persona podría, en
teoría, construir su propio "telégrafo
síncrono apoyado en medición hidráulica de
tiempo y en señalización óptica", no
cualquiera podría recibir adecuadamente los mensajes
transmitidos por los guerreros romanos, ya que el sistema tiene
intrínseco un sistema criptográfico con dos claves.
La primera consiste en la forma en que fueron codificadas cada
una de las alturas del cilindro codificador, esto es, el mensaje
asociado a cada región tiene que ser conocido tanto por el
receptor como por el transmisor. La segunda está en la
apertura de las válvulas, ya que si el flujo de agua no es
igual en transmisor y receptor, las alturas de los cilindros
donde la información está codificada serán
diferentes a la hora de cerrar las válvulas, por lo cual
generarán en receptor y transmisor diferentes mensajes. Es
más, para darle una mayor seguridad al envío de la
información, receptor y transmisor podrían disponer
de, por ejemplo, dos diferentes válvulas y tres diferentes
cilindros codificadores con la información codificada de
diferentes maneras; por medio de la antorcha se podría
señalizar cuál es la válvula que será
utilizada y cuál es el cilindro flotador a ser empleado.
El enemigo (técnicamente se le conoce como
"criptoanalista") no puede conocer el mensaje correcto, excepto
si usó la misma válvula y el mismo cilindro. Cabe
mencionar que a lo largo del tiempo el enemigo podría
deducir las claves observando las acciones correspondientes a
cada clave; por esto resulta recomendable que en cada
transmisión sea cambiada la clave (técnicamente
esto se denomina clave dinámica) (figura IV.4).

Figura IV.4. Uso de
criptografía en el sistema.

  d) Sincronización entre
transmisor y receptor. El problema de la
sincronización consiste en que tanto el receptor como el
transmisor deben trabajar a la misma velocidad para que el
primero extraiga del canal la información a la misma
velocidad que el transmisor inyectó en el canal. En este
ejemplo, la sincronización está implícita en
la señalización por medio de la antorcha,
así como en la velocidad con que se permite la salida del
agua de los contenedores. Si en algún momento se pierde la
sincronía, no puede realizarse adecuadamente el proceso de
comunicación. 

e) Necesidad de un protocolo. Así
como dos personas o en general dos seres vivientes necesitan
establecer un conjunto de reglas por medio de las cuales puedan
establecer comunicación, y en ausencia de ellas no es
posible comunicarse, esto también es aplicable en
comunicaciones entre sistemas (equipos o
computadoras).

Por ejemplo, para que dos personas se comuniquen
telefónicamente, las reglas (que dependen de cada
país y que aceptan ligeras variaciones) son las
siguientes: al sonar el timbre del teléfono, el receptor
toma el auricular y dice "bueno" en México, "hola" en
España, "hello" en Estados Unidos, etc.

Posteriormente, quien inició la llamada
(transmisor) dice algo como "¿a dónde hablo?", a lo
cual el receptor contesta "¿a dónde quería
usted hablar?"… y así sucesivamente. Este hecho, es
decir, la necesidad de contar con reglas que ambos interlocutores
entiendan y respeten, se hace evidente en el ejemplo que se
está analizando.

Las reglas, en este caso, son las
siguientes: i) el transmisor enciende su
antorcha y abre la válvula de su contenedor de
agua, ii) el receptor al ver la antorcha del
transmisor, abre su válvula y espera, sin dejar de
observar en la dirección del
transmisor, iii) al haber sido desalojada la
cantidad de agua para que el mensaje del cilindro con los
mensajes codificados sea el correcto, el transmisor envía
nuevamente una señal con su
antorcha, iv) el receptor, al ver la nueva
señal, cierra su válvula, observa el mensaje en su
cilindro, toma una decisión e instrumenta la acción
que corresponde al mensaje recibido. Sin un protocolo
sería muy difícil lograr establecer una
comunicación entre seres humanos, y, sobra decirlo, seria
prácticamente imposible entre entes menos inteligentes que
los seres humanos, tales como equipos o computadoras.

 f) Presencia de distorsión y de ruido
en las comunicaciones. La distorsión en un
sistema de comunicaciones consiste en todo aquello que perturba
el contenido de la información de un mensaje. Es decir, lo
que dificulta al receptor la interpretación correcta del
mensaje que le envió el transmisor. En el sistema que
estamos estudiando, la distorsión se puede presentar
cuando los orificios (válvulas) por donde sale el agua de
los recipientes del transmisor y del receptor no son del mismo
tamaño; en ese caso, aun si los orificios permanecieran
abiertos el mismo tiempo permitirían que en cada uno de
los recipientes escapara una cantidad diferente de agua y que,
por tanto, al final del mensaje sus respectivos niveles de agua
(código del mensaje) fueran distintos, impidiendo una
comunicación correcta. Otras posibles fuentes de ruido en
este sistema son distintos volúmenes de agua en los
contenedores al iniciar la transmisión, diámetros
diferentes de los cilindros de agua empleados como recipientes, o
bien, diferencias en la forma en que fueron marcadas las alturas
correspondientes a las regiones en ambas reglas. g)
Detección y toma de decisiones en las
comunicaciones. En todo sistema de comunicaciones
digitales, en el lado del receptor deben ser tomadas decisiones
acerca del mensaje que envió el transmisor, ya que, por el
efecto del ruido y la distorsión, las salidas del sistema
podrían estar en alguna zona ambigua en la que no
esté totalmente claro si el mensaje enviado fue el que
corresponde a la región superior o a la inferior. En los
sistemas modernos, en que las señales son unos o ceros,
representados por voltajes, al sumárseles el ruido, puede
no estar claro cuál fue el símbolo transmitido. Por
ejemplo, si no hubiera ruido, un voltaje de 1 volt podría
ser un "uno" y un voltaje de cero, podría ser un "cero";
pero si el ruido contribuye con, por ejemplo, 0.25 volts, la
decisión que debe tomar el receptor es si ese voltaje que,
si bien no es cero, tampoco es un claro "uno", corresponde ya sea
a uno o al otro símbolo.

En el sistema de Polibio, puede ocurrir que al cerrar el
orificio la marca de las alturas no quede exactamente a la mitad
de una región, caso en el cual la decisión consiste
en evaluar las posibilidades de que dicho desplazamiento pueda
haber sido originado por el mensaje que está en la parte
superior o en la inferior de la marca deseada (figura
IV.5).

Figura IV.5. Ejemplo de zona
ambigua por efecto de ruido en el mensaje.

Con ayuda de los conocimientos de telecomunicaciones
hasta aquí presentados, el sistema descrito puede ser
ampliado para darle una mayor precisión y mejorar su
desempeño; esto podría ser realizado, por ejemplo,
con las siguientes modificaciones:

1) Confirmando recepción correcta y/o
solicitando una retransmisión. En el ejemplo del
telégrafo óptico-hidráulico, el papel que
desempeña el receptor es pasivo, es decir, se limita a
recibir los mensajes pero no toma ninguna acción en caso
de tener duda acerca de los mismos. Sin embargo, se
podrían utilizar antorchas en el lado del receptor,
pidiendo retransmisiones al transmisor hasta que el receptor
esté satisfecho con el mensaje recibido y no tenga duda
acerca de lo que debe hacer.

Este sistema de telecomunicaciones puede funcionar de
dos maneras: i) el transmisor transmite sus
mensajes y supone que el receptor los recibe adecuadamente, pero
no espera que el receptor le confirme si esto
ocurrió; ii) el transmisor transmite su
mensaje, el receptor lo recibe y emite una señal de
confirmación al transmisor cuando no tiene duda acerca del
mensaje recibido; en caso de duda, le envía una solicitud
de retransmitir. En este caso, tanto en la parte de
transmisión como en la de recepción,
tendrían que ser reinicializados los sistemas antes de la
nueva transmisión (esto es, tendrían que volver a
llenar de agua sus recipientes).

2) Introduciendo repetidoras. Cuando el
alcance requerido por un sistema de telecomunicaciones es mayor
que el permitido por la tecnología seleccionada, puede
realizarse la comunicación por etapas, cubriendo
distancias cortas y repitiendo los mensajes hasta que lleguen a
su destino (recordemos el ejemplo de los relevos romanos). En el
sistema estudiado una ampliación lógica consiste en
la introducción de repetidoras; cada una de las
repetidoras desempeñaría el papel de receptor, por
una parte, con todas las funciones que éste tiene
asociadas y, por la otra, el de transmisor hacia la siguiente
etapa, también con cada una de las funciones que tiene
asociado un transmisor (figura IV.6).

Figura IV.6. Uso de
repetidoras.

3) Agregando redundancia. La redundancia
consiste en agregar a un mensaje elementos que faciliten al
receptor la toma de decisiones acerca del mensaje transmitido. En
el caso del telégrafo óptico-hidráulico,
esto puede ser realizado si el receptor tiene, por ejemplo, tres
sistemas idénticos. Cuando observa la señal de la
antorcha indicándole que debe abrir la válvula, lo
hace simultáneamente en los tres, y hace lo mismo en el
momento de cerrarlas. Al tomar la lectura, lo hace en los tres
sistemas, y toma su decisión con base en los tres.
Así, si las tres lecturas coinciden no hay duda, pero si
una de ellas señala algo diferente a lo de las otras dos,
el receptor basa la decisión en la mayoría. Con
esto disminuye significativamente la probabilidad de errores
(figura IV.7).

Figura IV.7. Decisión
por mayoría.

4) Permitiendo transmisiones punto a
multipunto. Frecuentemente es necesario contar con los
mensajes transmitidos en más de un punto de manera
simultánea. Esto, a diferencia del caso en que se
transmite en un solo punto y el mensaje está destinado a
un solo punto (transmisión punto a punto), se conoce como
transmisión punto a multipunto (este caso es el precursor
de la radiodifusión). En caso de requerirse por las
necesidades de la aplicación, el sistema en estudio es
fácilmente convertible a un sistema punto a multipunto.
Esto implica tener varios receptores en distintos lugares que
pudieran recibir las señales de las antorchas del
transmisor. Todos ellos deben estar familiarizados tanto con los
códigos como con las claves criptográficas, para
que los mensajes puedan ser recibidos exitosamente en tantos
puntos geográficos como fuera necesario (evidentemente,
dentro de la zona de cobertura del sistema, es decir, en todos
aquellos puntos en que pudieran ser observadas las señales
ópticas provenientes de la antorcha del transmisor)
(figura IV.8).

Figura
IV.8. Transmisión punto a
multipunto.

Como se puede observar en el análisis anterior,
los conceptos de las comunicaciones modernas son de una
simplicidad asombrosa y responden a ideas sencillas que fueron
instrumentadas y utilizadas por el hombre hace más de 20
siglos. Sin embargo, al utilizar esas ideas con equipos y
sistemas basados en tecnologías modernas, se han logrado
manejos de cantidades de información a velocidades que no
sólo en la época de Polibio eran inimaginables,
sino que aun en la primera mitad de este siglo parecían
imposibles de alcanzar.

Para contrastar las ideas ilustradas con el sistema
anterior y mostrar su utilización en un sistema moderno, a
continuación se describe otro ejemplo de un sistema basado
en tecnologías de vanguardia, y que desde su
introducción, hace apenas unos 10 años, ha
revolucionado los sistemas que existían hasta entonces: el
reproductor de discos-compactos (CD-player). Los
sistemas CD han pasado a ser parte del entretenimiento
cotidiano del hombre de finales de este siglo; muchas personas
tienen estos sistemas y las radiotransmisoras los usan cada vez
más para reproducir la música que difunden. Aunque
este sistema no es propiamente de transmisión de
información, contiene varias etapas de procesamiento de
señales propias de las telecomunicaciones.

Es de conocimiento público que las reproducciones
de música realizadas por medio de la tecnología de
los discos compactos tienen mayor calidad de sonido que las
basadas en los discos tradicionales (conocidos como LP), y
también que la calidad de estos últimos es
incomparable con la música generada por los discos de los
años cincuenta (los conocidos de 78 revoluciones por
minuto). La razón es precisamente que los discos compactos
usan representaciones digitales de la música, es decir,
están basadas en "unos" y "ceros". Por tanto, pueden
explotar plenamente las ventajas de las comunicaciones digitales,
como la codificación, la redundancia para la
corrección de errores y el procesamiento de las
señales por medio de microprocesadores.

La música de los LP se genera a
través de voltajes (muy pequeños, por cierto)
captados por medio de la aguja del reproductor, y que se producen
por medio de irregularidades en los surcos del disco. Es
lógico que una aguja al pasar un cierto número de
veces por la misma irregularidad del disco, se altere
paulatinamente por la fricción y el desgaste, degradando
así la calidad de las reproducciones a lo largo del
tiempo. En los CD, la lectura de la información se
realiza por medio de lectores ópticos basados en emisores
láser a semiconductor, de manera tal que no hay contacto
físico entre el lector y el disco, lo cual evita el
desgaste del mismo. Por otra parte, aunque se modificara
ligeramente el disco compacto, es decir; aunque se cambiaran
algunos unos a ceros y viceversa, como la información es
digital (está codificada en una enorme sucesión de
bits, es decir, de "unos" y "ceros") y contiene redundancia, el
sistema puede tomar decisiones que le permitan, por una parte,
detectar cuando fueron alterados algunos bits, y por otra,
regenerar la señal original de manera satisfactoria
(aunque los discos tengan "rayones"), casi podríamos
decir, con la calidad original.

En el momento de generar un CD, la primera
etapa de procesamiento consiste en tomar las señales
correspondientes a la música original (es decir, las
señales analógicas correspondientes a los canales
derecho e izquierdo) para hacerlas pasar por un proceso de
muestreo. Para generar música de alta fidelidad (hasta 20
kHz) se toman 44 100 muestras por segundo de cada uno de los
canales. Posteriormente, para realizar el proceso de
conversión de analógico a digital, se utiliza un
cuantizador de 65 536 niveles. Las 44 100 muestras cuantizadas
correspondientes a cada segundo de música deben entonces
ser codificadas, para lo cual se requieren 16 bits por cada una
de ellas (nótese que 2 x 2 x 2… x 2, 16 veces, es decir
la potencia décimo sexta de 2 es precisamente 65 536).
Estos números permiten estimar la cantidad de bits
contenidos en un solo CD:supongamos que la duración
de un CD típico es de una hora (3 600 segundos),
que a cada segundo le corresponden 44 100 muestras por cada uno
de los canales, y que a cada muestra se le asignan 16 bits.
Multiplicando todos estos números se concluye que en
un CD hay miles de millones de bits, que deben ser
extraídos del CD y procesados
sincronamente. 5 

Sin embargo, todos ellos son necesarios para reconstruir
la señal original en el reproductor con la calidad
típica de estos sistemas (se ha llegado a afirmar que a
través de estos sistemas se logra alcanzar una nueva y
más intensa experiencia musical). Cada uno de los bits se
graba ópticamente en una capa de poliéster que es
lo que le da forma al disco. El reproductor, antes de enviar la
señal al amplificador de audio, lee los bits del disco,
decide si cada uno de ellos es un uno o un cero elimina los
errores (una vez detectados) y reconstruye la señal
analógica correspondiente a la música. Hasta ese
momento, la señal de la música prácticamente
no tiene distorsión (con excepción de la
introducida por la conversión analógico a digital)
y es hasta la amplificación y la reproducción en
las bocinas en donde la música puede sufrir alguna
distorsión o modificación indeseable. Si la
música es difundida por radio, el canal de radio
también iontroduce algún tipo de ruido
adicional.

Los científicos de la primera mitad de este
siglo, aunque desde luego no tenían reproductores de
discos compactos, estaban conscientes del efecto potencial que
podría tener esta nueva forma de representar y procesar
una señal por medio de dos símbolos
únicamente, y empezaron a estudiar el problema desde el
punto de vista teórico. En 1949, C. E. Shannon propuso lo
que llamó una "Teoría matemática de la
comunicación", donde analiza las siguientes cuestiones
fundamentales: a) ¿Cómo se puede
medir la cantidad de información contenida en un
mensaje? b) ¿Cómo se puede medir
la capacidad que tiene un canal para transmitir
información? c) Cuáles son las
características deseables para un codificador?; y cuando
este proceso se realiza en forma eficiente, ¿cuánta
información puede ser enviada a través de un
canal? d) ¿Cuáles son las
características generales de los procesos de ruido y
cómo afectan la calidad de los mensajes recibidos en el
receptor?

Los conceptos y las ideas contenidos en dicha
teoría han servido desde su publicación como
semillas para la mayoría de los trabajos modernos de las
comunicaciones digitales. Se postulan definiciones de
índices óptimos de desempeño, y se demuestra
la existencia de mecanismos de procesamiento de
información: un buen número de los resultados
actuales giran alrededor de la obtención, el diseño
y la realización electrónica de sistemas y
dispositivos electrónicos que alcancen o por lo menos se
aproximen tanto como se desee a los desempeños predichos
por Shannon. Para explicar los conceptos establecidos por
Shannon, partimos de su sistema conceptual, cuyas componentes se
explicarán a continuación. El sistema conceptual se
presenta en la figura IV.9, señalando las diferentes
transformaciones que va sufriendo la señal desde la fuente
hasta llegar al usuario.

Figura IV.9. Sistema de
comunicaciones con transformaciones.

La fuente ya ha sido descrita en repetidas ocasiones y
por tanto no abundaremos más sobre sus
características. En el bloque que sigue a la fuente, es
decir, el codificador de la fuente, se realiza la función
de convertir el mensaje proveniente de la fuente (el cual no
necesariamente es de tipo digital o binario) en un mensaje
binario, esto es, en una sucesión de unos y
ceros.

A su salida se tiene conectado el codificador del canal.
Su función es proteger la información transmitida
contra los efectos y fenómenos a que está expuesta
al viajar a través del canal. Esto se logra agregando
redundancia a la información transmitida, con el objeto de
que en el lado del receptor se pueda identificar cuándo
ocurrió esta situación. A través de bloques
o palabras largas es más fácil la
inmunización contra el efecto del ruido.

Para ilustrar esto considérese un sistema que
introduce redundancia de manera tal que se transmite tres veces
cada letra de un mensaje que puede consistir en cadenas de letras
del alfabeto de 32 posibilidades (éste es un método
que fue descrito en el sistema de telégrafo de Polibio).
Al ocurrir un error se toma una decisión basada en
mayorías.

Por ejemplo, si se desea transmitir la palabra
"mamá", con este esquema se codifica en
"mmmaaammmááá". Si en el receptor se recibe
"mmmaaxmnmááá", al aplicar la
decisión por mayoría, se llega nuevamente a
"mamá", porque las tercias aax y mnm se interpretan o
decodifican como a y m" respectivamente. En el mejor de los casos
se podrán corregir los errores, pero para facilitar el
procesamiento muchas veces es suficiente detectar la presencia de
uno o más errores, aunque no se identifique su
posición (nótese que en un sistema binario, al
identificar la presencia y posición de un error su
corrección es inmediata, puesto que en un sistema donde
solamente hay dos posibles símbolos, un "uno" y un "cero",
la única forma en que puede aparecer un error es cambiando
un "uno" a un "cero" o un "cero" a un "uno"). Identificando la
presencia de un error, aunque no su posición, el receptor
puede solicitar al transmisor la retransmisión del mensaje
(esta idea también fue ilustrada con el telégrafo
óptico-hidráulico).

El canal, desde un punto de vista estricto, no pertenece
ni al lado del transmisor, ni al del receptor, sino que es el
elemento que une a ambos lados del sistema. Como ya fue
mencionado repetidamente, no hay canal perfecto, es decir, todo
canal introduce ruido. Independientemente del material del que
está construido el canal, éste transporta la
información digital o binaria por medio de pulsos de dos
distintos valores. Si el canal es metálico, los pulsos
serán de voltaje; si es óptico, los pulsos se
representan por medio de intensidades luminosas.

La forma en que transmite la información es
precisamente una de las características que hacen que un
canal sea distinto de otro. Pero desde el punto de vista de la
teoría de la información, el parámetro
más importante de un canal consiste en lo que se denomina
su capacidad, es decir, la cantidad de información que
puede transmitir por unidad de tiempo.

La capacidad de un canal depende, entre otros factores,
del material del que está construido. Las capacidades de
los canales han evolucionado desde valores pequeños, tales
como las de los canales telefónicos (estas capacidades,
aunque pequeñas, no fueron motivo de preocupación
cuando fueron construidos los primeros canales
telefónicos, porque no se disponía de los elementos
tecnológicos para poder aspirar a alcanzar la capacidad de
los canales). Las capacidades más grandes disponibles en
la actualidad son las de canales basados en fibras
ópticas.

Finalmente, del lado del receptor se realizan las
operaciones inversas a las efectuadas en el lado del transmisor:
el decodificador del canal decide si en la transmisión de
un símbolo hubo error o no, y hace lo posible por
identificar su posición para corregirlo, o, en su caso,
solicitar una retransmisión del mensaje. El decodificador
de la fuente reconstruye la señal original a partir de la
sucesión binaria que le envía el decodificador del
canal, para así entregar al usuario final la
versión reconstruida de lo que fue generado en la
fuente.

Para terminar este capítulo, el lector
conocerá acerca de los volúmenes de
información que deben ser manejados para los servicios
utilizados por el hombre en la actualidad y para completar la
imagen que se debe haber formado con los miles de millones de
bits contenidos en un solo CD. En el siguiente cuadro
se presentan cantidades de información aproximadas, que
corresponden a algunos tipos de mensajes.

Autor:

Pablo Turmero