IV. HACIA 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. El INTELSAT 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 esplosivo 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:

mediante una antorcha se envía una señal de un punto geográfico a otro para poner en operación el sistema hidráulico por medio del cual el receptor obtendrá la información que se desea. Desde un punto de vista estricto, este sistema de comunicaciones digitales contiene también elementos de procesamiento distribuido: la información que se transmite es la señalización (las antorchas), que se usa para activar el sistema de procesamiento, que a su vez consiste en los cilindros con agua, y las reglas sobre las cuales están marcados los posibles mensajes; a estos últimos, en lo sucesivo, se les llamará cilindros codificadores. Con la señal de la primera antorcha se abren las dos válvulas por las que saldrá agua y bajará el nivel de los cilindros codificadores; con la segunda señal se cerrarán las válvulas para tomar la lectura (es decir, el mensaje) en el cilindro codificador del lado del receptor.

En este sistema se pueden identificar y explicar los siguientes problemas relacionados con (y de fundamental importancia para) las telecomunicaciones digitales:

a) Conversión analógico-digilal 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 ambigo 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) Pennitiendo 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 mensa je. 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.