Telecomunicación

[gL.edu] Este artículo recoge contribuciones de José María Díaz Nafría, elaboradas en el contexto de la Clarificación conceptual en "teoría de la señal y la comunicación", bajo la supervisión de José María Díaz Nafría.

Definiciones

La telecomunicación como transmisión, emisión o recepción de información a larga distancia empleando medios electromagnéticos, se trata de un neologismo acuñado a principios del siglo XX compuesto por los términos tele- del griego τηλε (/'têle'/ equivalente a 'lejos' o 'a lo lejos') y "comunicación" (poner en común, hacer partícipe, compartir). Aunque cabe advertirse que en lo que respecta a la distancia, ésta puede variar desde los pocos centímetros que separan un ordenador de alguno de sus periféricos a los millones de kilómetros que separan las estaciones terrestres de las sondas de exploración espacial.

Actualmente la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UTI) define telecomunicación, con una intención de comprender sus diversas formas, como "toda transmisión, emisión o recepción de signos, señales, escritos, imágenes, sonidos o informaciones de cualquier naturaleza por hilo, radioelectricidad, medios ópticos u otros sistemas electromagnéticos." No obstante, en dicha definición destacan dos elementos fundamentales: (i) el de la comunicación de información (que a su vez se desgrana en emisión, transmisión y recepción) y (ii) el de la utilización de medios electromagnéticos. Lo que nos ofrece una definición más sintética de la telecomunicación como transmisión de información por medios electromagnéticos.

El segundo componente permite distinguir las telecomunicaciones de los medios postales u otros procedimientos empleados en la antigüedad o en muy diversos contextos socio-culturales en los que el lapso de tiempo invertido en la transmisión de la información impide mantener comunicaciones con la misma agilidad que contextos presenciales. Es decir, en la telecomunicación se logran comunicaciones -al menos a nivel planetario- virtualmente instantáneas: en cuanto se ha terminado de transmitir el mensaje telegráfico éste ya está en el receptor -por muy lejos que se encuentre-; o nos es posible mantener una conversación oral mediante teléfono entre dos usuarios cualesquiera, como si ambos estuvieran frente a frente. Sin embargo, esta instantaneidad de las telecomunicaciones debe matizarse: por una parte, los procesos de transmisión siempre exigen un tiempo –a diferencia de lo inicialmente creído en los albores de la telegrafía eléctrica–, ya que como demostró Maxwell en su descripción comprensiva de los fenómenos electromagnéticos su propagación no puede superar la velocidad de la luz; y por otra parte, en las comunicaciones no síncronas la rapidez de las telecomunicaciones se traduce en una capacidad de transmitir información a velocidades superiores a las que pueden lograrse por otros medios (aunque nunca hay que descartar que un tren lleno de medios de almacenamiento de gran capacidad podría transportar información con más rapidez que una fibra óptica de gran capacidad conectando las estaciones terminales).

Orígenes del término telecomunicación

Figura 1: Modelo de comunicación propuesto por Shannon (1948).

El término fue inicialmente propuesto por Édouard Estaunié, que en su obra de 1904 "Traité Pratique de Télécommunication Électrique" lo define como “transmisión del conocimiento a distancia mediante el uso de la electricidad”. Si bien esta definición no habla de información, se observa que participa del proceso de re-conceptualización teórica del concepto de información que a lo largo de varias décadas culminaría en la Teoría Matemática de la Comunicación de Shannon de 1948, la cual ofrece un modelo canónico tanto para los procesos elementales involucrados en la telecomunicación, como para la definición cuantitativa de la información (v. figura 1). No obstante, el término originalmente propuesto por Estaunié fue adoptado oficialmente a nivel global en 1932, en la conferencia constituyente de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UTI) celebrada en Madrid en 1932. En ella se ofrecía la siguiente definición: "cualquier comunicación telegráfica o telefónica de signos, señales, escritos, facsimiles o sonidos de cualquier tipo, por hilo, radio u otros procedimientos de señalización eléctrica o visual (semáforos)".

Elementos de la telecomunicación

Figura 2: Modelo de sistema de telecomunicación en analogía con la comunicación natural oral.

Aunque generalmente las telecomunicaciones son bidireccionales también existen importantes modos de comunicación unidireccional (TV, radio, radiodeterminación). En caso de bidireccionalidad de la comunicación y suponiendo simetría, el proceso de telecomunicación podrá estudiarse en su forma unidireccional ya que la extrapolación es inmediata.

El modelo de telecomunicación representado en la figura 1 describe las partes fundamentales que intervienen en el proceso de la telecomunicación. Se incluye además una analogía con la comunicación oral, que podemos considerar natural en cuanto a que solo median elementos fisiológicos y el aire.

Transmisión de la información

En ambos extremos del modelo se encuentran la fuente y la presentación (o destino en la terminología empleada por Shannon, v. fig.1). La fuente es el origen de la información y se encargará de preparar ésta para que pueda ser transferida por medios electromagnéticos (el cerebro transforma los enunciados –constituidos por palabras– que desean expresarse en impulsos nerviosos para que el sistema vocal entre en funcionamiento). La presentación se encargará de transformar la información a una forma útil para el entendimiento o aprovechamiento de la información transmitida (los órganos de audición transforman la vibración sonora en impulsos nerviosos que son empleados por el cerebro en un proceso complejo de reconocimiento multinivel de patrones que permite la identificación de fonemas, sílabas, palabras y enunciados).

La transferencia de la información en los sistemas de telecomunicación se realiza por medio de un flujo de energía electromagnética, propagada a través de medios de transmisión (constituidos por medios materiales, ya sean naturales –como el aire, el agua o la tierra–, o artificiales –como cables, fibras ópticas, líneas de transmisión, etc., pero que también pueden incluir el vacío) que constituyen una parte fundamental de la red de telecomunicación, a la que nos referiremos más adelante. No obstante, como usualmente el soporte primario de la información no es electromagnético sino por ejemplo acústico, imágenes o textos escritos, es necesario realizar una transformación en fuente o presentación que permita obtener una representación eléctrica de esa forma primaria. A esta representación de naturaleza electromagnética se le denomina señal, la cual generalmente deberá adaptarse a las posibilidades y limitaciones de los medios de transmisión, mediante técnicas apropiadas de modulación. Tanto para esta adecuación como para otras requeridas para que la señal pueda cursar a través de la red de telecomunicación, en general, es necesario procesar las señales en fuente –procesamiento de emisión– (implicando operaciones de diferente tipo como: ecualización, codificación, sincronización, filtrado, modulación, etc), así como realizar un proceso inverso en su destino para obtener la replica de la señal original –procesamiento en recepción–. Los equipos que integran fuente (o presentación) y la parte de procesamiento requerido en dicho extremo se denomina terminal de telecomunicaciones (típicamente constituido por un un transductor y un procesador de señal).

A cada uno de los puntos que separan las entidades del modelo general de sistema de telecomunicación se denomina interfaz. Siendo el flujo de señal emergente en el interfaz de fuente: emisión y el flujo entrante en el de presentación: recepción. Al proceso conjunto de emisión y recepción, entre fuente y presentación se denomina transmisión.

Encaminamiento de la información

Por otra parte, en lo que respecta al acceso y encaminamiento de la señal en la red de telecomunicaciones, se requiere una organización o disciplina de la comunicación y las partes de las señales asociadas en términos de convenciones denominadas protocolos, que consisten en procedimientos estrictamente definidos así como formatos de mensajes que permiten la comunicación entre dos o más entidades a través de un medio físico de transmisión. Para su realización se emplean señales específicas que se denominan señalización, que se complementan con otro tipo de señales, ajenas al trasvase de información, y que se utiliza para el control de los equipos del sistema de telecomunicación.

La red de telecomunicación que será la encargada de establecer un contacto entre las partes emisoras y receptoras se define como el conjunto de facilidades y recursos tanto físicos como lógicos que permiten la transmisión. Se incluyen, por tanto, los medios de transmisión y conmutación que establecen caminos físicos o virtuales para las señales procedentes de la fuente, proporcionando así conectividad entre fuente y presentación.

Con objeto de hacer económicamente viable la utilización de la red es necesario compartirla con un buen número de usuarios, en virtud de las técnicas de multiplexación. Estas permiten la transmisión múltiple de información con diferentes orígenes y destinos empleando una única estructura física. A este principio se encuentra también asociado el acceso multiple de un conjunto de usuarios a la red.

Limitaciones fundamentales de la transmisión de información

Al margen de las funcionalidades del sistema, en el curso de la transmisión de la señales, se cosechan varios efectos indeseados que podemos englobar bajo el concepto de perturbación. Por ejemplo, la atenuación no es un fenómeno deseado al reducir la potencia de la señal en el receptor. Sin embargo, de mayor importancia y perjuicio son la distorsión, la interferencia y el ruido que pueden aparecer como alteraciones en la forma de la señal. Aunque tales corrupciones pueden en realidad acaecer en cualquier punto del sistema, por convención se puede considerar que se agregan en el canal de transmisión como se contempla en el modelo de Shannon (fig.1). Algunas de ellas podemos mitigarlas mediante buenas elecciones de diseño o soluciones tecnológicas específicas, pero hasta un cierto límite.

En general, el diseñador de un sistema de telecomunicaciones se enfrenta a dos restricciones fundamentales. Por una parte están los problemas tecnológicos, incluyendo consideraciones tan diversas como la disponibilidad de componentes circuitales, factores económicos, reglamentos nacionales o internacionales, etc. Algunos problemas de realizabilidad pueden remediarse en teoría, aun cuando las soluciones perfectas no sean prácticas. Por otra parte el diseñador ha de afrontar limitaciones físicas fundamentales, que dictan lo que en última instancia puede o no llevarse a cabo, independientemente de los problemas tecnológicos. En el caso de la transmisión de información por métodos electromagnéticos las limitaciones fundamentales son el ancho de banda y el ruido.

Ancho de banda

El concepto de ancho de banda se emplea como medida de la rapidez tanto en señales como en sistemas. Cuando la señal varia de forma rápida con el tiempo, su contenido frecuencial o espectral se extiende sobre un ancho rango y en tal caso se dice que la señal posee un gran ancho de banda. Análogamente, la habilidad de un sistema para seguir las variaciones de la señal está reflejada en su respuesta espectral utilizable o ancho de banda de transmisión. Todos los sistemas de telecomunicación contienen elementos de almacenamiento de energía, y ésta no puede liberarse o modificarse de forma instantánea. Consecuentemente todo sistema de comunicación tiene un ancho de banda finito, B, que limita el régimen de las variaciones de la señal.

La telecomunicación bajo condiciones de tiempo real requiere un ancho de banda que permita dar cabida al espectro de la señal, de otra manera, aparecerán diversos tipos de distorsión. Así, por ejemplo, se requerirán varios megahercios para señales de video para TV, mientras que las variaciones mucho más lentas de una señal de voz tendrán cabida en un ancho de banda un poco superior a los 3 kHz. Para una señal digital con régimen binario R símbolos por segundo, el ancho de banda deberá ser de al menos R/2 Hz. En el caso de transmisión de información sin la restricción de tiempo real, el ancho de banda disponible determina la velocidad máxima de la señal. Por tanto, el tiempo requerido para transmitir una determinada cantidad de información es inversamente proporcional a B.

Ruido

El ruido impone una segunda limitación en la transmisión de información. Pero ¿por qué el ruido es inevitable? La respuesta se encuentra de la mano de la teoría cinética. A cualquier temperatura sobre el cero absoluto, la energía térmica origina el movimiento aleatorio de las partículas microscópicas. Cuando estás partículas son electrones su movimiento supone corrientes o voltajes aleatorios denominados ruido térmico. Existen además otro tipo de ruidos (como se discute en el artículo ruido), pero el térmico aparece en todos los sistemas de telecomunicación.

El ruido en relación a la señal portadora de la información se mide en términos de sus potencias relativas mediante la relación-señal-a-ruido (S/N). La potencia de ruido térmico es por lo general muy pequeña, y la relación S/N puede ser tan elevada que el ruido se hace inapreciable. Cuando la relación es, sin embargo, pequeña el ruido puede degradar la fidelidad en las comunicaciones analógicas y generar errores en las digitales. Estos problemas se acentúan en los enlaces a larga distancia cuando las perdidas de transmisión reducen la potencia de la señal recibida hasta el nivel de ruido. La amplificación en la recepción no es en tal caso provechosa, puesto que el ruido será amplificado junto con la señal deseada.

Capacidad de canal

Teniendo en cuanta ambas limitaciones, Shannon en 1948 estableció que el ritmo de transmisión de la información no puede exceder la capacidad del canal:

$C=B\log _{2}{\bigl (}1+S/N{\bigr )}$

Esta relación, conocida como ley de Hartley-Shannon, establece un límite superior en la capacidad de un sistema de comunicación con unos determinados ancho de banda y relación señal-a-ruido.