Señales Digitales: Fundamentos y Características
Las señales analógicas son análogas al mensaje que representan. Las digitales, en cambio, son artificiales, creadas por el hombre y no se parecen en nada al mensaje original.
A diferencia de la señal analógica, que puede tener cualquier valor, la señal digital solo puede tener dos valores (cero y uno). La transición del valor alto al bajo debe producirse en momentos predeterminados, y ambas características dependen de los fabricantes.
Conversión Analógico-Digital (Digitalización)
El proceso de digitalización consta de tres etapas fundamentales:
1. Muestreo
Es el primer paso: tomar muestras. En el mundo digital no se transmite toda la información, sino solo muestras. Para que el receptor no perciba la pérdida, existen circuitos que recomponen la señal. Cuanto menor sea el número de muestras, más detalles se pierden.
- En telefonía, bastan 8000 muestras/segundo para que la conversación sea inteligible.
- En un CD doméstico, se toman 44.100 muestras/segundo por cada canal.
2. Cuantificación
Consiste en valorar o cuantificar cada muestra. Por ejemplo: la primera muestra vale 0, la segunda 1, la tercera 2…, pero como solo hay dos valores posibles (0 o 1), es necesario crear códigos.
3. Codificación
Se traduce cada número a un código de dígitos binarios o bits (0 o 1). Se utiliza comúnmente el código ASCII (Código Estándar Americano de Intercambio de Información), que puede ser:
- 7 bits (27 = 128 caracteres)
- 8 bits (28 = 256 caracteres)
Bytes y Estándares de Datos
Todos los ordenadores utilizan un estándar para la transmisión de caracteres de teclado o gráficos, que es el código ASCII. Los ordenadores se manejan en grupos de 7 u 8 bits; no envían un solo bit. Normalmente, envían 8 bits, que equivalen a un carácter y se guardan en memoria. Los ordenadores modernos pueden enviar dos caracteres a la vez (16 bits) o cuatro (32 bits), siempre en múltiplos de 8.
Byte: Conjunto de 8 bits (b: bit; B: byte).
En una línea telefónica digital, cuando el teléfono receptor recibe la secuencia de ceros y unos, los agrupa de 8 en 8 y los traduce a valores digitales (0, 3, 5…). Luego, introduce estas muestras en un circuito convertidor digital/analógico (D/A) que recompone la señal original, uniendo la línea de puntos imaginaria resultante. Esta señal, convenientemente tratada, llega hasta el altavoz que la reproduce.
Velocidad de Transferencia de Datos (bps)
Mientras que en el mundo analógico se habla de ancho de banda (300 a 3400 Hz), en el digital se utiliza la velocidad de transferencia de datos, medida en bits por segundo (bps).
- Telefonía: Si hay 8000 muestras/segundo y cada muestra tiene 8 bits, la velocidad es de 64.000 bps = 64 kbps. Esta es la velocidad básica de un circuito digital.
- CD Digital: Con 44.100 muestras codificadas por 16 bits, se obtienen 705.600 bps (705 kbps) por cada canal. Como hay 2 canales, la velocidad total es de 1,4 Mbps, lo que equivale a 22 canales de voz de 64 kbps.
- Televisión (TV): Necesita 200 Mbps, suficiente para unas 310 conversaciones telefónicas.
Lo que menos velocidad necesita son los datos, seguidos por la voz, la música y, finalmente, el vídeo.
La radio y la TV ocupan tanto espectro que tradicionalmente se transmiten por el aire mediante ondas electromagnéticas para no saturar los canales de la red telefónica.
El Protocolo es el acuerdo sobre cómo se envían los datos entre ordenadores.
Actualmente, el teléfono se transmite por el aire (telefonía móvil), y la TV suele ir por una red propia de cable. Este cambio se debe a que las redes son cada vez mejores, permitiendo miles de millones de bits por segundo (Gbps), y a las nuevas técnicas de compresión (como el sistema MP3 en audio, que comprime la información hasta 12 veces).
Los Medios de Transmisión
Los medios de transmisión más comunes son: par de cobre, cable coaxial, fibra óptica, ondas de radio y satélites de comunicaciones.
Par de Cobre
Es el sistema tradicional para enviar electricidad. Consiste en dos hilos de cobre, paralelos o trenzados, que pueden estar apantallados o no (es decir, recubiertos o no de un material conductor, pero sin contacto con los dos hilos interiores).
El par de cobre es lo que une el teléfono de las casas con la central telefónica de la zona. Su mayor problema es su escasa capacidad.
Con la tecnología ADSL (Línea de Abonado Digital Asimétrica) se intenta aprovechar la red de hilo de cobre, ya que permite transmitir dos canales de TV y acceder a Internet a alta velocidad. No obstante, ADSL es una técnica cara y compleja:
- Requiere módems/routers más complejos en casa del abonado y en la central del operador.
- Necesita instalación y configuración por parte de un operario.
- No es útil en todos los pares de cobre.
Cable Coaxial (Mismo Eje)
Está formado por dos hilos de cobre: uno en el centro y otro rodeándolo en forma de malla, separados por un aislante de plástico y cubiertos con un plástico externo.
El cable coaxial es mucho menos sensible a interferencias que el par trenzado y puede cubrir mayores distancias. Además, tiene mayor ancho de banda y la posibilidad de conectar un número de estaciones en una línea compartida.
Se agrupan en mazos para formar cables mayores. En caso de ir enterrados en el lecho submarino, requieren técnicas especiales de construcción para evitar tensiones, corrosión o ser atacados por peces.
Este cable suele ser el que usamos para ver la TV, desde la antena colectiva hasta el monitor. Aunque se usó para comunicación a larga distancia, ha sido sustituido por la fibra óptica. Actualmente, el par de cobre y el cable coaxial quedan casi exclusivamente para el último tramo (desde la acera o azotea hasta las casas): el coaxial principalmente para TV o Internet de alta velocidad, y el par de cobre para telefonía.
Fibra Óptica
Consiste en un hilo de vidrio muy fino (diámetro entre 5 y 10 micras). Para su manejo, al fabricarlos se rodean de más vidrio o plástico con distinto índice de refracción, de modo que si la luz intenta salir, el vidrio exterior actúa como un espejo.
La fibra óptica permite transmitir gran cantidad de información a cientos de kilómetros sin necesidad de convertirla en electricidad para amplificarla (ya existen amplificadores ópticos).
Ventajas de la Fibra Óptica:
- Permite la multiplexación de múltiples señales en la misma fibra, utilizando diferentes frecuencias portadoras (FDM).
- Es una de las transmisiones más seguras, ya que al no radiar energía al exterior, es muy improbable la detección de la señal transmitida.
- Tiene pocas pérdidas de potencia, permitiendo enlaces de muchos kilómetros sin usar amplificadores de señal.
- El sistema es inmune a interferencias electromagnéticas exteriores (ausencia de ruido y errores en la transmisión), puesto que la señal se transmite por fotones y no por electrones.
- El tamaño y peso de los cables es muy pequeño, lo que disminuye los costes de instalación y mantenimiento.
- Es inmune a las condiciones climáticas externas y no presenta peligro en su manipulación.
Para convertir la electricidad en luz se utiliza un diodo emisor de luz o LED (cuando recibe más voltios, da más luz, y viceversa). En el otro extremo, para realizar la conversión contraria, se utiliza un instrumento que invierte el proceso (célula fotoeléctrica, célula fotovoltaica o fotodiodo).
Emisores de Infrarrojos
La transmisión de luz infrarroja se puede hacer directamente por el aire y es muy habitual entre los PC y algunos periféricos o para conectarlos a una LAN, aunque la velocidad que se consigue no es muy elevada. Los emisores y receptores de infrarrojos deben estar alineados o en línea tras la posible reflexión del rayo en superficies como las paredes.
Con los infrarrojos no hay problemas de seguridad ni de interferencias, ya que no pueden atravesar los objetos (paredes). Tampoco es necesaria una licencia para su utilización.
Ondas Electromagnéticas
Se componen de un campo eléctrico acompañado de otro magnético que se propagan por el espacio.
El espectro electromagnético es una representación de todas las radiaciones electromagnéticas que existen en la naturaleza, ordenadas según su frecuencia o su longitud de onda. En orden creciente de frecuencia, encontramos:
- Oscilaciones eléctricas largas
- Ondas de radio
- Microondas
- Infrarrojo
- Luz visible
- Ultravioleta
- Rayos X
- Rayos Gamma
- Rayos Cósmicos
Las ondas electromagnéticas viajan por el aire a la velocidad de la luz (300.000 km/s) y rebotan si encuentran un espejo (un conductor metálico actúa como tal).
El radar consta de un emisor muy concentrado de ondas electromagnéticas y una antena receptora. El radar envía un pulso de onda electromagnética y espera a que vuelva; en caso afirmativo, ha encontrado un metal en el medio. Midiendo el tiempo que ha tardado en ir y volver, se sabe a qué distancia está. Se envían impulsos en distintas direcciones para observar lo que hay alrededor.