telecomunicación

Rama da enxeñaría que trata da transmisión de información a distancia. Claude Shannon, enxeñeiro estadounidense, foi o primeiro en tratar matematicamente os problemas das telecomunicacións, e ao resolver en 1948 os problemas básicos da comunicación, sentou tamén as bases da Teoría da Información. Esta teoría non se interesa polo aspecto semántico da información, senón por aspectos como a cantidade de información contida nunha serie de mensaxes e os requirimentos para transmitilos. Shannon estudou o problema de enviar unha mensaxe desde a fonte de información ao seu destino a través dun medio afectado por ruído. Esta mensaxe, ben pode ser voz (sinal analóxico), ou ben unha ringleira de caracteres (sinal dixital). Os sistemas de telecomunicación modernos normalmente dixitalizan a información antes de transmitila. Unha característica importante da mensaxe é a cantidade de información que contén, medida en bits, diferentes dos “bits” ou “binits” (binary digits, díxitos binarios) empregados para codificar a información. No modelo de comunicación de Shannon, a medición da cantidade de información que se quere transmitir está asociada coa fonte de información, non coas mensaxes. Se se pensa nun sistema de comunicación deseñado para transmitir os resultados dos partidos dun equipo de fútbol, e o destinatario só está interesado en saber se gañou ou perdeu, a fonte de información precisa transmitir dúas posibles mensaxes: “gañou” ou “perdeu”. Se se pensa que as posibilidades de gañar ou perder son exactamente iguais (50%), a fonte de información só xera un bit de información cada vez que envía unha mensaxe. Se a fonte de información sempre transmitira a mesma mensaxe, por exemplo que o equipo gañou, a información transmitida sería nula, ou dito doutro xeito, o feito de que o equipo gañase deixaría de ser noticia, e o sistema de comunicación sería perfectamente inútil. Aínda así, esta mensaxe con cero bits de información require un bit (binit) para ser codificado antes de ser transmitido. Os sistemas de telecomunicación non se interesan pola semántica asociada ás mensaxes. A fonte transmite un sinal curto cando o equipo perde e un sinal longo cando gaña. Ademais, este sistema pode empregarse sen ningún cambio para informar a un afeccionado doutro equipo sobre os resultados do seu equipo. O usuario é o que interpreta a mensaxe ao saber de que equipo se trata. O papel do transmisor é adaptar a mensaxe á canle de comunicación. Shannon, no seu artigo “A Mathematical Theory of Communication” puxo como exemplo o telégrafo. Se se emprega o telégrafo para enviar estas mensaxes, o transmisor tería un pulsador e unha batería capaz de xerar corrente. Unha pulsación curta representa “gañou” e unha longa “perdeu”. O canal físico é o medio empregado para transmitir o sinal do transmisor ao receptor. Neste caso, o canal é o circuíto formado por un único fío condutor, que conecta transmisor e receptor con retorno da corrente por terra. O receptor obtén a mensaxe a partir do sinal recibido. Neste caso, o receptor é un solenoide que activa un dispositivo mecánico ao paso da corrente, capaz de producir un sinal longo e outro curto. Como calquera canal, o telegráfico ten tamén unha fonte de ruído, que é calquera campo eléctrico variable que induza unha corrente no fío condutor. Se a corrente é o bastante forte pode cambiar os sinais longos en curtos, ou viceversa, ou crear sinais espurios. Os sinais xerados pola fonte de información poden ser analóxicos ou dixitais. O mundo físico é analóxico. O sinal acústico xerado polas cordas vocais e o detectado polo oído interno son analóxicos, o mesmo que o sinal óptico recibido polos conos e os bastóns da retina. Mais, a información manipulada polos ordenadores é dixital e os sinais empregados polos sistemas de telecomunicación modernos son principalmente dixitais. Exemplos de sistemas de telecomunicación analóxicos son as canles tradicionais de TV, que co tempo pasarán a ser dixitais. O interese polas telecomunicacións dixitais, malia que a información ten que ser convertida en analóxica antes de ser presentada aos sentidos, provén de que os sinais dixitais só requiren dous símbolos para a súa representación e transmisión, “0” e “1”. Isto implica que o receptor só ten que decidir se o símbolo enviado polo transmisor é un “0”ou un “1”. Prodúcese unha perda de información cando, por exemplo, o sinal acústico recibido polo micrófono dun teléfono se dixitaliza, pero esta conversión faise dun xeito que garante que o sinal analóxico pode ser restaurado coa calidade requirida. No caso da telefonía dixital, é mester enviar unha mostra do sinal cada 125 mseg para que o sinal restaurado sexa intelixible. Despois, as mostras codifícanse empregando 8 bits, cunha frecuencia das mostras de 8 Khz. Este sistema require transmitir 8.000×8 = 64.000 bits/seg por cada canal telefónico, de aí a importancia do ancho de banda, un concepto asociado ao sistema de telecomunicación, que inclúe o transmisor, o canal e o receptor. Pódese definir, nos sistemas dixitais, como a cantidade de información en bits/seg que o sistema pode transmitir; e precisamente é esta a velocidade de transmisión en bits/seg. Polo tanto, cada tipo de sinal precisa diferentes velocidades de transmisión. Velaquí os valores para algúns tipos frecuentes de sinais:


FORMULA


Para saber que ancho de banda é preciso para transmitir estes sinais, cómpre dicir que se mide en Hz. Existe unha relación entre o ancho de banda e a velocidade de transmisión, que no caso dun canal sen ruído débese a Nyquist e vén definida pola expresión: C = 2×W×log2 M, onde C é a velocidade de transmisión en bits/seg, W é o ancho de banda en Hz, e M é o número de símbolos transmitidos pola fonte de información. Por exemplo, un canal telefónico ten un ancho de banda de 3,4 Khz; se se empregara para enviar sinais dixitais, poderíase conseguir unha velocidade de transmisión de C = 2×3.400 = 6.800 bits/s. Este sería o caso dun canal sen ruído con M=2. Se se pensa nos módems de conexión a Internet que empregan a liña telefónica normal con velocidades de ata 48 Kbits/s, cómpre dicir que, primeiramente, a fórmula previa só sería aplicable a canles sen ruído e, en segundo lugar, os módems modernos non envían os bits directamente á liña telefónica. Un módem pode agrupar os bits en grupos de cinco, e cada combinación de 5 bits (M=5) convértese nun símbolo diferente, cun total de 32 símbolos. O módem transmite os símbolos empregando técnicas especiais de modulación. O número de símbolos que unha fonte de información pode enviar polo canal por segundo coñécese como velocidade de sinalización e mídese en baudios. O ruído limita o máximo número de símbolos, xa que algúns poden ser cambiados durante a transmisión. Neste caso a velocidade máxima de transmisión dun canal pode calcularse pola fórmula de Shannon: C = W×log2 (1+S/N) bits/seg. S/N é a relación entre a potencia do sinal e a potencia do ruído. Nun canal típico W é 3.400 Hz e a relación S/N 1.000, de aí que a velocidade máxima teórica dun canal de comunicacion típico resulta ser de aproximadamente 34.000 bits/seg. A maior parte dos módems empregan compresión da información antes de transmitila, co que teoricamente poden superar este límite indicativo. Non debe confundirse o ancho de banda dun canal telefónico, que é 3,4 KHz, co ancho de banda da liña telefónica, que é moito maior. As tecnoloxías xDSL (ADLS, HDSL, VDSL, etc) empregan a capacidade real dunha liña telefónica para conseguir velocidades de transmisión ata decenas de Mbits/seg. O módem para canal telefónico é un exemplo de transmisión de información dixitalizada empregando un canal analóxico.
Características dos medios de transmisión
O medio de comunicación é o principal factor determinante dun sistema de telecomunicación, e os máis comúns son o cobre, o aire e a fibra óptica. As ondas electromagnéticas poden transportar eficientemente información a través dos metais ou da atmosfera. As fibras ópticas e a mesma atmosfera poden ser empregadas para transportar sinais ópticos creados por láser ou díodos emisores de luz (LEDs). Curiosamente, o cobre, que tanta importancia tivo nas telecomunicacións, utilízase menos nos sistemas modernos. En cambio, a atmosfera e a fibra óptica aumentan a súa importancia. Se se pensa nas cuestións básicas para seleccionar un medio de transmisión, cómpre definir a velocidade máxima de transmisión, o nivel de afectación dos sinais durante a mesma, o tipo de sinal óptimo para transmitila e o custo imposto polo medio. Estas cuestións non teñen sentido se non se inclúen, por riba do medio, os transmisores e os receptores, e se considera o conxunto como un sistema de telecomunicación. Por exemplo, a atmosfera permite a transmisión dun moi amplo espectro de ondas, desde as electromagnéticas de moi baixa frecuencia (VLF) de poucos hertzios, ata os raios gamma de frecuencias por riba de 100 trillóns de hertzios. Un espectro tan amplo de frecuencia contén bandas de frecuencias de moi diferentes características en canto á forma de propagación, atenuación, dispersión e cantidade de información que poden transmitir, pero, en principio, un sistema de telecomunicacións aéreo pode empregar un transmisor/receptor capaz de transmitir e detectar calquera destas frecuencias. Os sinais electromagnéticos están sometidos a diversos cambios ao viaxar a través dun medio e poden atenuarse e perder parte da enerxía asociada co sinal. Por exemplo, a potencia por metro cadrado dunha onda electromagnética enviada por unha antena onmidireccional diminúe co cadrado da distancia á antena. Esta atenuación é obvia cando se ten en conta que a mesma potencia se distribúe pola superficie dunha esfera que crece co cadrado do raio. Os sinais transmitidos por un medio tamén se distorsionan, é dicir, cambian de forma. Isto pode deberse a que se mesturan con ruído, con interferencias doutros sinais ou por interaccións co propio medio. Outros cambios das ondas son máis complexos. As ondas viaxan á velocidade da luz, pero esta velocidade é diferente dun medio a outro, e mesmo variable na mesma, e por iso as ondas electromagnéticas sofren reflexións, refraccións e difraccións, á vez que tamén sofren a influencia das moléculas da atmosfera. Este efecto é moi importante en capas ionizadas como a ionosfera, e fan que as ondas electromagnéticas se atenúen e distorsionen de diferente xeito en función da frecuencia. A atmosfera é tamén un ambiente ruidoso. O ruído é todo tipo de perturbación electromagnética que pode ou non afectar á transmisión, ten moitas orixes e afecta diferentemente ás diversas frecuencias. Para combatilo modúlase o sinal ou úsase máis potencia. O outro medio de transmisión de grande importancia é a fibra óptica. Feita en silicio, o material sólido máis abundante na Terra, unha fibra normal sen o recubrimento protector é máis fina ca un cabelo (1/8 mm de diámetro), polo que se considera un dos mellores medios para transmitir información. As fibras ópticas, a diferenza dos metais, transmiten a información en forma de raios de luz xerados por láser ou díodos emisores de luz (LEDs). As ondas luminosas, que tamén son ondas electromagnéticas, teñen un ancho de banda moito maior ca as ondas de radio e non sofren interferencias dos campos electromagnéticos normais, nin os xeran. As fibras son máis delgadas e lixeiras e non teñen os problemas de bucles a terra dos condutores metálicos. A fibra óptica emprega o fenómeno da reflexión óptica, que ten lugar entre dous medios de diferente índice de refracción. Os raios que viaxan polo núcleo da fibra ao incidir na superficie entre o núcleo e a cuberta reflíctense e volven ao núcleo; os raios que forman o pulso luminoso transmítense polo núcleo con moi poucas perdas e os pulsos poden ser extremadamente estreitos. O resultado é que a fibra óptica ten unha altísima capacidade de transmisión a moi longa distancia. Hai dous tipos básicos de fibra, monomodo e multimodo. Esta última é capaz de transmitir múltiples raios ou modos simultaneamente. A fibra monomodo transmite un único modo ou raio. Curiosamente, é esta a que ten máis capacidade, xa que os pulsos luminosos se deforman menos e pode transmitir pulsos máis estreitos, e tamén se empregan en distancias máis longas ao ter menos dispersión. O diámetro do núcleo dunha fibra multimodo é de 50 a 100 micras, mentres que o diámetro da fibra monomodo é de 8 a 10 micras, o que a fai máis custosa de fabricar. Hai tamén fibras de plástico máis baratas e máis prácticas para distancias curtas. Unha fibra óptica pode transmitir máis dun sinal óptico empregando diferentes lonxitudes de onda, ou raios luminosos de diferentes cores. Esta tecnoloxía chámase DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing, Multiplexación por División de Lonxitude de Onda Densa), e permite enviar ata 1 terabit/seg de información por unha soa fibra. Esta capacidade é extraordinaria se se ten en conta que é equivalente a uns 15 millóns de conversacións telefónicas. Ademais, cómpre decatarse que as fibras se instalan agrupadas en cables que poden conter centos delas. Os sinais ópticos dixitais poden viaxar por unha fibra óptica monomodo a máis de 100 km sen requirir amplificación. Tradicionalmente, os sinais ópticos convértense en sinais eléctricos para ser amplificados, restáurase a súa forma orixinal e amplifícanse para despois ser convertidos a ópticos. Mesmo se pode facer a amplificación directamente no dominio óptico. Esta técnica que se coñece como EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier), consiste en tramos de fibra dopada con erbio que actúa como amplificador do sinal na banda de 1.250 a 1.656 nm. Un cable transatlántico contén uns 100 amplificadores deste tipo. O importante deste tipo de amplificación, a diferenza dos amplificadores eléctricos, é que o amplificador está contido na mesma fibra e a enerxía empregada para a amplificación é enerxía óptica que se envía pola fibra.
Sistemas Dixitais de Telecomunicación
Nun Sistema Dixital de Telecomunicación o transmisor acepta só información dixital ou sinais analóxicos dixitalizados para a súa transmisión, e os sinais enviados polo medio de transmisión poden ser dixitais ou analóxicos. Por exemplo, un módem telefónico transmite información dixital utilizando sinais analóxicos modulados; en cambio, un sistema RDSI (Rede Dixital de Servizos Integrados), que soporta dúas canles telefónicas ou de datos, emprega sinais de transmisión dixitais. Isto implica que os sinais enviados polo canal están formados por unha ringleira de bits. Estes sistemas dixitais teñen unha importancia crecente porque son máis inmunes aos ruídos e ás interferencias; poden ser reconstruídos perfectamente por repetidores; poden ser almacenados facilmente en caso de que sexa necesario unha retransmisión; diferentes tipos de información poden ser multiplexados para o seu envío polo mesmo canal; pódense empregar con códigos detectores e correctores de erros; a información pode ser protexida dos ollos alleos empregando encriptamento; os equipos dixitais son máis simples e máis baratos ca os equipos de comunicación analóxica; intégranse máis facilmente coas redes de ordenadores; forman as liñas de comunicacións das redes de datos e Internet. Estas vantaxes implican tamén certas limitacións. Por exemplo, os bits transmitidos envíanse formando paquetes, que, segundo o sistema, poden ter centos ou miles de bits. O receptor ten que esperar á recepción de todos estes bits do paquete e decidir despois se o paquete é válido ou erróneo, porque puido ser afectado polo ruído. Esta espera implica un retardo tanto no tempo de transmisión como no de proceso que implica a validación do paquete. Outros retardos aparecen nos centros de encamiñamento (routing) ou de conmutación que dirixen o paquete ao seu destino. Estes equipos empregan colas de entrada ou de saída que retardan o encamiñamento dos paquetes. Poden tamén dar prioridade a un tipo de tráfico -por exemplo a voz-, sobre outros, por exemplo o envío de arquivos en baixa prioridade. Os modernos sistemas dixitais de telecomunicación teñen que soportar diferentes tipos de tráfico, como conversas telefónicas dixitalizadas ou a conexión de aplicacións de software en diferentes ordenadores, e adaptarse aos diversos medios físicos de comunicación. As distintas necesidades dos servizos e os diferentes medios dan lugar á existencia de diferentes sistemas.
O futuro das telecomunicacións
Historicamente, hai exemplos de sistemas de telecomunicación por medios ópticos que se remontan á Antigüidade. Xa en época moderna, nos ss XVIII e XIX apareceron en Europa e EE UU varios sistemas de telegrafía óptica e eléctrica, e posteriormente desenvolvéronse o teléfono, a radio, a televisión e diversos sistemas inalámbricos e celulares. En canto ao seu futuro, parece inevitable que os sistemas de fibra óptica e os sistemas inalámbricos, tanto fixos como celulares, continúen a captar mercado a costa da telefonía fixa e os sistemas de TV por cable. Tamén parece inevitable o incremento no uso de satélites, sobre todo non xeoestacionarios, de órbita baixa. En aplicacións de comunicacións entre puntos fixos, tales como o domicilio ou o traballo, os sistemas de fibra óptica ofrecerán os servizos de telefonía de voz e conexión a Internet, ademais de servizos como o vídeo individual. Os servizos de teleconferencia que empregan bandas de 128 Khz poderán ser ofrecidos nos domicilios do usuario e nos negocios con máis calidade e a menor prezo. Xa existen sistemas experimentais de fibra a domicilio (FTTH, Fiber to the Home), nos que unha soa fibra pode servir a varios usuarios empregando diferentes cores de luz e bifurcadores ópticos pasivos. A liberalización do mercado das telecomunicacións só pode acelerar a implantación destes servizos.