- Pequeña introducción:
Algunas fuentes de datos son digitales por naturaleza, es decir, su representación nativa está en secuencias de bits. Por ejemplo, cuando escribimos algo en nuestro teclado, la computadora va a codificar ese ‘input’ o entrada usando secuencias de bits. Por lo tanto, podemos pensar en nuestros mensajes como secuencias de bits.
Por supuesto, existen otras fuentes de datos que son análogas por naturaleza. Los ejemplos más prominentes en esta área son el video y el audio. Las escenas de video e imágenes capturadas por el lente de una cámara contienen información codificada acerca de la mezcla de los colores (las proporciones e intensidades) en cada diminuta sección del escenario (ahí entra el concepto del pixel). Otra sería el audio que proviene de un micrófono, la cual contiene información codificada acerca de la intensidad del sonido y la frecuencia o tono de este.
Independientemente de la naturaleza de la fuente, la conversión digital de los datos es la manera moderna de hacer las cosas, uno ve numerosa publicidad para dispositivos «digitales» (por ejemplo, las cámaras) con el mensaje implícito de que, de alguna manera, lo digital es superior a otros métodos. Pero la pregunta es… ¿por qué?
- ¿Por qué digital?
Las dos razones principales por la cual las comunicaciones digitales (y de manera general, la construcción de sistemas usando abstracción digital) son cheveres:
a) Habilita la composición de módulos para construir sistemas grandes (modularidad).
b) Nos permite utilizar algoritmos sofisticados para el procesamiento de los datos con el fin de mejorar la calidad y rendimiento de los componentes de un sistema.
Sin embargo, los 1’s y los 0’s no son la forma natural de comunicar los datos. Al final, los enlaces físicos de comunicación son analógicos a nivel de capa física, por lo tanto, deben existir conversiones entre lo digital y lo analógico (y viceversa) a medida que la información viaja a través de las diversas partes del sistema que separa al transmisor del receptor.
¿Por qué lo analógico es lo natural en muchas aplicaciones?
Véanlo de esta manera: Primero, hay que entender como funciona la representación de los datos de manera analógica.
Consideremos por ejemplo la imagen a blanco y negro de un televisor analógico (yo estaba en pañales cuando empezaron a desaparecer). En esta representación, lo natural sería representar cada imagen como una secuencia de valores, uno por cada coordenada (x,y) en la pantalla, los valores representarán entonces la luminancia, o la gama de grises:
Cero voltios representan al «negro», un voltio representa al «blanco», por lo que los valores que se encuentran entre 0 y 1 representan una fracción de blanco (por eso lo de la gama de grises). Lo que podemos concluir de este ejemplo es que la representación de la imagen en sí es una secuencia de estos valores en un orden específico, por lo que podemos transmitir una imagen generando formas de onda de voltaje.
Otro ejemplo sería el teléfono analógico, el cual convierte ondas acústicas en señales eléctricas y viceversa. Al igual que el sistema análogo de televisión que describí anteriormente, el teléfono analógico no usa bits (0’s y 1’s) para representar datos (en este caso sería la voz) entre dos personas comunicándose.
A esto me refiero con que algunas fuentes de información son análogas por naturaleza. Para seguir ejemplificando, cuando transmitimos a través de un cable, podemos mandar señales a niveles de voltaje distintos (pueden imaginarse una señal irregular que viaja en el tiempo), y el receptor puede medir el voltaje en cada punto (ya que va a estar cambiando) para determinar lo que mando el transmisor. En un enlace de comunicaciones ópticas (se trabaja con luz), podemos mandar señales a intensidades de luz distintas, y el receptor puede medir la intensidad para inferir lo que el transmisor haya mandado.
- ¿Por qué no analógico?
Si lo analógico es lo natural, y nos permiten disponer de una representación aparentemente acertada ¿Por qué no usamos sistemas analógicos entonces? La respuesta es que no existe un enlace de comunicaciones libre de errores. Cada enlace sufre perturbaciones, el dolor de cabeza es el ruido (siempre), pero también pueden haber fuentes de distorsión provenientes del equipo de transmisión que se use. El punto es que las perturbaciones afectan a la señal que va a recibirse; cada vez que exista una transmisión, el receptor no recibirá la señal transmitida de manera exacta, sino una versión perturbada de ella.
Las perturbaciones podemos imaginarlas como un efecto cascada. Imaginémonos entonces una transmisión a una distancia relativamente grande; lo primero que hay que tener en cuenta es que en el ‘camino’, van a haber repetidoras (amplificadores de señal) que van a encargarse de que la información llegue a su destino (ya que un enlace directo entre el transmisor y el receptor es poco práctico y costoso), asumamos entonces que el sistema es analógico.
La imagen a continuación es la ilustración del problema con las perturbaciones, a medida de que la información va pasando por cada repetidora, el margen de error de estos equipos e inclusive factores externos al sistema, influirán en la información, haciendo que se vaya perturbando cada vez mas.
Siguiendo esta lógica, si en un momento dado de la transmisión el valor del voltaje es 0.12345678 voltios, cuando ese valor llegue a la primera repetidora, por la perturbación, la salida será 0.123????? En la cual los «?» serán valores incorrectos, por lo que no tengo una representación acertada de lo que transmití inicialmente. Matemáticamente hablando, podemos describir la salida de cada repetidora como:
Donde Vin es el voltaje de entrada, y epsilon es la perturbación que va a producir la repetidora. Si se tiene un número «N» de errores se tendría entonces que:
Conforme vayan aumentando el número de errores (en este caso repetidoras), la salida se irá alejando de los valores iniciales que se querían (Vo = Vin), cosa que ni de lejos se desea obtener.
- Conclusión
Se desea modularidad (primer punto al comienzo del post), lo cual significa que debemos garantizar unos valores de salida adecuados (en este caso nos interesa que llegue lo que entre al sistema) sin tener que preocuparnos por los detalles internos de los componentes por lo visto en el punto anterior (nos trae muchos problemas). Por lo tanto, necesitamos conseguir una manera de eliminar, o al menos reducir en gran medida, los errores en cada fase de procesamiento, por lo que es imprescindible hacer uso de algoritmos de procesamiento de datos (segundo punto al comienzo del post).
Todo esto nos lleva a usar comunicaciones digitales en vez de analógicas.
La entrada la escribí para intentar explicar el porqué se usan las comunicaciones digitales por encima de las analógicas, pero considero importante también establecer bases para seguir investigando acerca del ‘cómo’ de la implementación de este tipo de sistemas.
Como entrada al mundo digital, lo primero que se tiene que hacer es definir quién va a ser el «1» lógico y el «0» lógico, esto se hace para distinguir a la señal del ruido, ahora no toleramos todo tipo de perturbación sino que establecemos un límite, un umbral.
Después entramos en la problemática de que el transmisor y el receptor necesitan estar de acuerdo en una tasa de reloj a lo largo de un enlace de comunicaciones. Podemos ejemplificar la necesidad de esto notando que cuando hablamos muy rápido con otra persona, nos piden que bajemos la velocidad porque no se entiende. Lo mismo sucede en un enlace de comunicaciones digital. Dentro de esta problemática, entran dos problemas internos los cuales son:
a) ¿Cómo lidiamos con las diferencias en la frecuencia del reloj del transmisor y el receptor? Para resolver este problema necesitamos diseñar un circuito en el receptor que se adapte al tiempo de muestreo (otro concepto importante, ver link) basado en dónde detecta la transición en las muestras de voltaje. Esto es arena de otro costal, pero va a ser un bloque muy importante en todo diseño de sistema de comunicaciones (todo libro de sistemas de comunicaciones decente ilustra un bloque de recuperación de reloj cuando explica comunicaciones digitales).
b) ¿Cómo aseguramos las transiciones entre unos y ceros? Este problema se refiere a que, por ejemplo, si en una transmisión el mensaje lleva muchos «1’s» lógicos seguidos, es posible que el receptor no detecte cuando termine o comience una transmisión (podríamos decir que se confunde, pierde sincronismo el sistema). Esto se resuelve con la codificación de línea (concepto importante, ver link). Dos de las razones más importantes por las cuales se usa la codificación de linea es para no perder el sincronismo en una transmisión, y por razones eléctricas, ya que es deseable mantener un balance de corriente directa en el cable (la conocemos como componente DC), osea, que el promedio de 0’s y 1’s transmitidos sea igual (componente DC = 0). Esto último es importante porque puede llevarnos a tener pérdidas de potencia y daños en los equipos del sistema por voltajes no deseados.
EACHANG 
