Señales: Conceptos Básicos

Una señal es una magnitud física variable con el tiempo que lleva asociada una determinada información. El origen de la señal está en un emisor físico y, ordinariamente, tiene por destino un receptor capaz de captarla. Las señales pueden ser de diversos tipos, de acuerdo con la magnitud física considerada. Los seres vivos poseen órganos específicos para percibir y procesar algunos tipos de señales. Por su origen, hay dos tipos de señales: las que producen los elementos inertos y las que producen los organismos. Son señales simples con mensaje directo, que expresa una o más características del elemento que emite la señal.

La Información y su Codificación

Los organismos inteligentes han desarrollado mecanismos para modificar las señales que emiten. Estas modificaciones del sonido tienen por objeto enviar un mensaje. El sonido es una señal simple. Cuando esta se modifica con la intención de enviar un mensaje, se convierte en una señal compuesta. Las modificaciones de una señal simple para convertirla en compuesta se hacen de acuerdo a unos criterios, que se llaman código. El mensaje que lleva asociado una señal es información. Hay dos tipos de información: directa y codificada.

Señal compuesta = señal simple + código

Frecuencia, Período y Amplitud

La frecuencia es un valor que indica la rapidez con que varía una señal a lo largo del tiempo. Puede expresarse mediante la suma de ondas senoidales. La amplitud es el desplazamiento máximo de la onda. El período es el tiempo que tarda en repetirse una señal senoidal. A ese tiempo se le denomina T. La frecuencia, f, es el número de veces que se repite la señal en un segundo, o lo que es lo mismo, el número de períodos que caben en un segundo. La unidad de medida de la frecuencia es el hercio (Hz) y sus múltiplos: kilohercio (kHz), megahercio (MHz) y gigahercio (GHz).

Longitud de Onda y Espectro Electromagnético

La longitud de onda es la distancia que recorre una señal durante el tiempo que dura su período (T). Se calcula como: λ = T * c, donde c es la velocidad de la luz (3.000.000 km/s).

La longitud de onda también puede expresarse en función de la frecuencia: λ = c / f. De esta fórmula se deduce que para frecuencias altas, la longitud de onda es pequeña y viceversa. Las señales electromagnéticas se pueden clasificar en función de su longitud de onda. A esta clasificación se la conoce como el espectro electromagnético.

Señal Analógica y Transmisión

Una señal analógica puede tener cualquier valor entre un mínimo y un máximo. Los equipos analógicos usan señales electromagnéticas para enviar información a distancia. Estas señales pueden viajar por el aire o a través de cables a gran velocidad.

Para enviar sonido o imágenes a distancia es preciso convertirlos en señales electromagnéticas. Esta conversión se realiza con los convertidores de señal, dispositivos capaces de convertir un tipo de señal en otro. Una vez convertido el sonido en señal electromagnética, puede enviarse por el aire o por cable a gran velocidad. Cuando la señal electromagnética llega a su destino, es preciso convertirla otra vez en sonido para que las personas puedan escucharla. De realizar esta tarea se encarga un convertidor.

Modulación de Ondas

Debido a la atenuación que sufren las ondas tras recorrer grandes distancias, para que la transmisión de información sea eficiente se requiere la señal portadora y la señal base. La señal portadora es una señal electromagnética que se usa para transportar la señal base. Sobre la señal portadora se coloca la señal base que se desee transmitir. La señal resultante se denomina señal modulada. Es importante que la portadora sea más potente que la señal a transportar, de lo contrario no podría con ella.

Las Redes de Comunicación

Las redes de comunicación permiten enviar y recibir señales entre diferentes puntos de la Tierra. Hay redes que usan cables y otras que realizan transmisiones inalámbricas. Unas trabajan a bajas frecuencias, otras a muy altas.

Los elementos básicos de las redes de comunicación son: la ruta, el emisor, el receptor, el repetidor y el enrutador.

Ruta

Es el camino que recorre una señal para ir de un punto a otro de una red. Puede ser de dos tipos: inalámbrica y cableada. Las rutas inalámbricas se establecen a través del aire. Las rutas cableadas unen dos puntos fijos de una red. Las rutas inalámbricas pueden ser de punto a punto o de punto a zona. Las emisiones de punto a zona son las que permiten el uso de la telefonía móvil, sistemas WiFi, Bluetooth y radio.

Emisor y Receptor

El emisor es un dispositivo electrónico cuya función es la de generar una señal electrónica y enviarla por una ruta. El receptor es un dispositivo electrónico cuya función es la de recibir la señal electrónica del emisor.

Repetidor

El repetidor es un equipo electrónico con una triple función: recibir una señal, amplificarla y volver a enviarla por alguna ruta. Estos dispositivos son necesarios porque una señal, cuando viaja por un medio de transmisión, siempre pierde intensidad.

Enrutador

Es un aparato electrónico con doble función: recibir una señal por alguna ruta de entrada y emitirla por una de entre, al menos, dos rutas de salida. Entre los enrutadores están las centrales telefónicas y los enrutadores de Internet.

Servicios que Ofrecen las Redes

Telefonía

Inicialmente, la red de telefonía era una red cableada punto a punto, en la que un mismo equipo telefónico fijo actuaba de emisor y receptor. La telefonía móvil modificó la conexión entre el teléfono y el resto de la red. Esta conexión se hizo inalámbrica. La telefonía solo ofrece la comunicación bidireccional de la voz; el móvil ofrece, además, pasar texto e imágenes.

Radio

Es el servicio que menos ha evolucionado. Hay una emisora que emite sonido de forma inalámbrica y su información puede ser recibida por cualquier receptor que esté ubicado en la zona de cobertura.

Televisión

En su etapa inicial, utilizó una red similar a la de la radio, es decir, una red inalámbrica de punto a zona y unidireccional. El servicio de televisión amplió la estructura de sus redes. Por una parte, creó redes cableadas, la denominada televisión por cable, y utilizó la comunicación vía satélite.

Optoelectrónica

Se encarga de construir los dispositivos que permiten convertir señales electrónicas o electromagnéticas en señales ópticas. Uno de los de mayor interés es el relativo a la comunicación mediante fibras ópticas.

Señales Digitales

Las señales digitales binarias están formadas por una secuencia de intervalos temporales de igual duración, con dos valores posibles en cada intervalo temporal. En el dominio de la electrónica se habla de tensión alta y tensión baja. En el dominio de la programación se habla de ceros y unos. Una señal digital binaria es como una secuencia de ceros y unos. Cada posición de cero y/o uno se denomina bit. Un bit es un cero o un uno. Una combinación de 8 bits constituye un byte. Existen otras unidades de información binaria de uso habitual. Las señales digitales se han impuesto a las analógicas porque estas son más sensibles al ruido. El ruido es una señal que aparece en los equipos electrónicos y en los medios de transmisión por causas diversas. Cuando el ruido se añade a una señal analógica, esta se ve modificada y luego no puede diferenciarse entre ruido y señal. El efecto del ruido sobre una señal digital es menor.

Codificación Digital

Los ordenadores utilizan internamente señales digitales binarias, que pueden transportar información codificada, convirtiéndose en señales compuestas. Para codificar una señal digital se sigue este proceso: se organiza la señal digital en paquetes de un número fijo de bits, por ejemplo, 8 bits, y a cada combinación posible de 8 ceros y unos se le asigna un mensaje. La codificación digital tiene una restricción importante: el número de mensajes que se pueden codificar es limitado. La limitación viene impuesta por la longitud del código; las señales analógicas tienen infinitos valores. El proceso se llama discretización.

Tratamiento Digital de las Imágenes: Digitalización

Cuando una imagen se forma en la óptica de una cámara o en la retina de un ojo, es una señal analógica. Los equipos analógicos transmiten y almacenan las imágenes sin modificar su condición analógica. Los equipos digitales deben convertir las imágenes a señales digitales binarias; este proceso se llama digitalización. Las imágenes digitalizadas se almacenan, procesan y transmiten en formato digital. Pero al presentarlas en una pantalla tienen que volver a convertirse en analógicas, no se pueden procesar imágenes en formato digital. La técnica para digitalizar una imagen consiste en dividir la imagen en pequeños cuadraditos; cada uno se llama píxel. A mayor número de píxeles, mayor resolución. A cada píxel se le asigna un valor de intensidad luminosa comprendido entre 0 y 255. Si se usan menos, la imagen ocupa menos memoria pero pierde calidad. Si la imagen es de color, hay que usar 3 intensidades de luz por cada píxel. El número de valores suele ser 256 para cada color y, por último, mediante un código binario se convierten los valores de la intensidad luminosa de cada píxel en ceros y unos.

Compresión de Datos

Se usaron para comprimir cualquier tipo de información repetida, redundante o con escaso valor. Cuando es una imagen, solo se eliminan los cambios que se repiten. Cuando en la compresión se introducen pequeños cambios, estamos perdiendo información, aunque esta se considere no relevante. Las imágenes que tienen muchas zonas en las que la tonalidad del color no cambia, o cambia muy poco, se pueden comprimir. Las imágenes que tienen alto grado de detalle en todas sus zonas se pueden comprimir poco. Las técnicas de compresión de imágenes son aplicables a otras señales. El formato MP3 incorpora una técnica de compresión heredada de las técnicas de compresión de vídeo. Las técnicas de compresión no analizan los contenidos de información y se fijan en si hay o no secuencias de ceros y/o de unos que se repitan.

Filtrado de Imágenes

Mediante técnicas es posible separar las distintas frecuencias que componen una imagen y conseguir modificar características concretas de la imagen. Si se amplifican los componentes de alta frecuencia, se resaltan los detalles de una imagen, los contornos de las figuras. La imagen aparece más nítida, más viva. Si se atenúan las altas frecuencias, se apagan los detalles y los contornos quedan menos resaltados: la imagen sale más borrosa.

Realidad Virtual

Consiste en una representación simulada de situaciones reales o ficticias. Se considera que existen dos tipos de realidad virtual: la inmersiva y la no inmersiva. Utiliza básicamente la pantalla del ordenador, los altavoces, el teclado, etc. La realidad virtual inmersiva intenta que el usuario se sienta integrado en el entorno; se simula con el mayor realismo posible. Los elementos básicos de esta técnica son los guantes y las gafas o cascos especiales.

Memoria y Proceso de la Información

Se hacen tres operaciones: memorizarla, procesarla y transmitirla. Para memorizar la información se necesita un soporte físico sobre el que poder almacenar una señal. Además, es preciso que esta no se borre. Tres son las señales utilizadas para memorizar la información: magnéticas, electrónicas y ópticas. Son las cintas, los disquetes y los discos duros. La memoria interna de los ordenadores y las memorias flash utilizan señales electrónicas. El procesamiento de una señal se lleva a cabo modificando alguna de sus características o bien combinando más de una para obtener otra señal nueva.

Satélites y Antenas Parabólicas

Las comunicaciones terrestres tienen muchas limitaciones. El problema puede resolverse incrementando el número de repetidores. Así se está haciendo con la telefonía móvil. Otra forma es mediante los satélites de comunicaciones. Es un proceso más rápido y eficiente, ya que permite enviar señales a las zonas marítimas. Los satélites trabajan en colaboración con las antenas parabólicas, que se encargan de recibir la señal que envían aquellos. Al incrementarse la potencia que envían los satélites, es posible utilizar antenas de dimensiones mucho más pequeñas. Desde cualquier parte del mundo se tuvo acceso a muchos canales de televisión de varios países. La tecnología de los satélites ha evolucionado tanto que ya es posible recibir señal de estos sin necesidad de utilizar una antena parabólica, como los dispositivos GPS. Un satélite realiza dos funciones.

Sistema de Posicionamiento GPS

Un sistema de posicionamiento es aquel que permite determinar las coordenadas espaciales de un objeto. Se conoce como GPS a un tipo particular de sistema de posicionamiento. Las siglas son Global Positioning System. El GPS permite determinar la posición de un objeto en cualquier punto del espacio que rodea la Tierra.

Funcionamiento del GPS

Para funcionar, hay tres tipos de elementos: un conjunto de satélites que están orbitando la Tierra a gran altura, una red de estaciones sobre la superficie de la Tierra y un equipo electrónico receptor colocado sobre algún móvil del que se desea conocer sus coordenadas en todo momento.

Aplicaciones del GPS

El GPS permite conocer la posición de un elemento que se mueva en el espacio que rodea la superficie de la Tierra. La aplicación más popular es la de la ayuda a la conducción. Esa ayuda solo se usa para indicarle al conductor del vehículo cuál es su posición en el mapa y qué ruta debe seguir. El equipo electrónico debe incorporar un mapa que contenga todas las carreteras y calles de la zona o país por el que se circula. Además del mapa, suele incorporar gran cantidad de información complementaria. Una aplicación que está comenzando a extenderse es la de ayuda a la orientación en el campo o en el monte. El levantamiento topográfico y todas las operaciones relacionadas con la construcción y las obras, es preciso disponer de una gran precisión en el cálculo del posicionamiento. Una aplicación más sofisticada del GPS es el guiado automático de un móvil.

Alternativas al GPS

GLONASS es el sistema global de navegación por satélite desarrollado por Rusia. El sistema posee 24 satélites que orbitan la Tierra a una altitud de 19.100 km. La Unión Europea está desarrollando su sistema de posicionamiento por satélite llamado Galileo. Constará de una constelación de 30 satélites en una órbita a 23.000 km de altura.

Teledetección

Es la captación de señales que se producen en la superficie de la Tierra desde equipos que estén situados en el aire. Una de las aplicaciones más habituales es la predicción meteorológica. Los satélites meteorológicos utilizan tanto la fotografía como las señales de radar. Las fotografías captadas desde los satélites tienen un abanico. Se usan con fines militares, para el espionaje, análisis de cultivos, etc.

La Aldea Global

El desarrollo de las tecnologías analizadas en este capítulo ha hecho posible construir en el mundo una gigantesca red de comunicaciones que no para de crecer. Permite interconectar dos equipos electrónicos, en cualquier parte del mundo donde se encuentren. Posibilita enviar la señal entre dos equipos por varias rutas. La tecnología digital elige la ruta más adecuada para que la señal llegue rápido. El desarrollo de las comunicaciones ha hecho posible que el mundo se haya convertido en una especie de aldea global, un espacio virtual donde todos sus habitantes pueden hablar entre sí.