Comunicaciones analógicas y digitales.

Entradas desde el 20/10/2003 :

Al hablar con una persona cara a cara, se están emitiendo unas señales, si se dibujasen es fácil imaginar cual sería el resultado, unas curvas con unas características y unos valores en continua variación, sin que tengan una limitación, esa sería una señal analógica. Se dice que la señal que transporta la información por este sistema es "continua", en tanto que la referida a la digital es "discreta".

La primera, que es la clásica, puede tener una cantidad de estados o valores ilimitados mientras que en la digital no es así, depende del tipo de técnica que se use, si es la más simple, la binaria, tan solo puede tener dos estados, 0 y 1.

Cuando hablamos por teléfono, la onda necesita de una línea para transmitirse. Esta puede ser un cable, una señal de radio, un láser, etc. Como cuando se es niño y se unen dos botes con un hilo tenso, si se habla en un bote se escucha en el otro, porque la voz provoca unas vibraciones que se propagan por el hilo. Claro, si está flojo la propagación se pierde y no se oye nada. Si en lugar de un medio mecánico como ese lo trasladamos a uno eléctrico tenemos el mismo resultado, el aparato telefónico convertirá nuestra voz, por medio de unas membranas que van a vibrar por las ondas que emitimos al hablar, en impulsos eléctricos y se transmitirán por la línea en forma de ondas, que tendrán una fase, una amplitud y una frecuencia determinada y que el teléfono receptor retornará, por otro sistema parecido de membranas, en sonido.

Pero entonces, si hay una onda con un número de valores ilimitado ¿cómo obtener una con una cantidad de ellos muy inferior? A este proceso se le conoce como Digitalización, es decir, la conversión de analógico a digital.

Imaginemos que practicamos senderismo y subimos una montaña por un lateral y descendemos por el contrario. Andamos siempre a la misma velocidad, no nos importa cual sea. Y además llevamos un cronómetro que nos avisa cada X periodos de tiempo, por ejemplo cada minuto, de manera que en el momento en que se produce un aviso, simplemente colocamos una señal, como un banderín. Cuando terminemos nuestra andadura tendremos N banderines colocados. Bien, pues hacemos un plano y unimos la posición en la que se encuentra cada uno por una línea recta ¿qué obtendríamos? que los infinitos valores que tiene la montaña, cada inclinación, cada accidente del terreno, se han convertido en un "esquema" en el que el perfil se mantiene, pero con una cantidad de puntos ya no infinita, tan solo N.

Si la montaña es nuestra señal analógica, la resultante es la digital.

Ese sería el primer paso, pero en él hemos puesto el cronómetro a un minuto. No sabemos si es válido para que la montaña se refleje en un número de valores finitos sin perder sus características, o por el contrario, nos puede interesar conseguir una imagen menos fiel pero más útil, con una cantidad de valores muy inferior, tal vez N sea un número excesivamente amplio. Así estamos en el segundo paso de la Digitalización, es decir, evaluar cual es el período de tiempo al cual tenemos que ajustar nuestro cronómetro, lo que se denomina "señal de muestra" y eso tan sólo lo podemos saber si conocemos cual va a ser el motivo final del proceso. Lo que es válido para la conversión de datos, no lo es para voz, o para audio o para imágenes, se precisan que las velocidades sean muy variables. Una señal telefónica permite utilizar intervalos de 8.000 muestras por segundo, en tanto que si se pretende lo mismo en sistemas de visualización ha de ser muchísimo más alta.

Hay que tener en cuenta que cuanto mayor sea el número N (que he inventado como ejemplo) mayor ha de ser la cantidad de bits que los representan, y también es mas fiel la señal digital a su origen analógico. Es a lo que se le denomina "niveles de cuantización". En el gráfico que acompaño creo que se puede imaginar lo que esto significa.

Señal analógica

Señal digital

Teniendo en cuenta lo hablado, la imagen que en general tenemos de lo binario se vendría abajo, pero es tan solo por un error de concepto. Binario significa que hay dos estados, pero ¿cuántos niveles o qué amplitud pueden tener estos? Si las transmisiones se efectuasen a base del concepto puro de bits 0 y 1 clásico, sería imposible, por lo que se utilizan sistemas de codificación que se conocen como dibits, tribits, etc. Es decir, si se envía por un sistema tribits, que sería 2 elevado a 3, ya no existe tan solo la posibilidad de los dos valores en el sentido estricto, sino que entran a la vez 8 posibilidades de 0 y 1, y así sucesivamente.

Como en una línea de teléfono no es una sola persona la que habla, sino un montón a la vez (una señal a través de satélite o fibra óptica que generan un ancho de banda capaz de millones de transmisiones a la vez) pues las señales se modulan, es decir, que sobre la portadora o señal que se envía para "aguantar" a las demás (en plan coloquial, la que se oye cuando se descuelga el teléfono) se modifican uno de los valores dando lugar a que la frecuencia, por ejemplo, de cada onda sea distinta, de la misma manera que hay cantidad de ondas de radio en el espacio con distintas frecuencias y no se mezclan. Por supuesto se puede modificar igual la amplitud o la fase, son los sistemas denominados "multiplexación", que si bien no entrarían en lo que estamos tratando, sí los incluyo para intentar hacer notar las diferencias, pues en las digitales se consideran la amplitud, duración y período.

Esta es una de las que resultan significativas, en una central analógica estándar, de las que se conocen como centrales de tránsito, se ha de multiplexar y demultiplexar . Hago constar para entenderlo que en comunicaciones telefónicas se utiliza comunmente las distintas frecuencias para estos fines, y por lo tanto las centrales tienen sus equipos para ello. En las digitales no es así, se modulan por lo que se denomina "codificación de pulsos" (MCP). Para entenderlo tendremos que incluir unas explicaciones más al sistema de digitalización. Hemos dicho anteriormente que se produce un muestreo con un nivel de cuantificación, pero lo que no se menciona es que el muestreo no se hace sobre una sola onda, sino sobre varias a la vez. Supongamos que se interviene simultáneamente en 24 canales, de manera que se le da paso en secuencias a cada uno de ellos, de manera que se obtiene una "trama" de períodos de tiempo muy cortos y esta contiene ya los 24 a la vez.

El último paso, que tan solo se ha esbozado hablando de los distintos niveles binarios que pueden participar, es la "codificación", el más complejo, creo que basta con decir que lo que se pretende es reducir la cuantificación al mínimo sin perder fidelidad. De manera que se utilizan dos sistemas:
1. Que la cuantificación no sea uniforme
2. Que se comprima la señal antes de codificarla y el resultado se cuantifica de manera uniforme.
Todo ello tiene que ver con el voltaje que permita el canal, y con la calidad de la señal, es decir, con la distorsión que pueda sufrir en la transmisión. Dependiendo de ello se aplican unas formas de codificación u otras.

Las diferencia entre los multiplexadores de sistemas analógicos y digitales hacen que este último sistema permita más transmisiones en el mismo ancho de banda, con el consiguiente abaratamiento.

Además, el mas grave problema de las transmisiones analógicas es el "ruido" en las líneas, es muy difícil separar éste de la señal en sí (el ruido es analógico), en cambio en digital es muy fácil, con lo que la calidad de la información está asegurada. De paso esto lleva a permitir velocidades mucho más altas.

José Luis Freire