1.3: Estructura de los Sistemas de Comunicación

Objetivos de aprendizaje

• Una introducción al modelo fundamental de comunicación, desde la generación de la señal en la fuente a través de un canal ruidoso hasta la recepción de la señal en el sumidero.

Figura 1.3.1 El Modelo Fundamental de Comunicación.

El modelo fundamental de comunicación se retrata en la Figura 1.3.1. En este modelo fundamental, cada señal portadora de mensaje, ejemplificada por s (t), es analógica y es una función del tiempo. Un sistema opera con cero, una o varias señales para producir más señales o simplemente absorberlas (Figura 1.3.2). En ingeniería eléctrica, representamos un sistema como caja, recibiendo señales de entrada (generalmente provenientes de la izquierda) y produciendo a partir de ellas nuevas señales de salida. Esta representación gráfica se conoce como diagrama de bloques. Denotamos señales de entrada por líneas que tienen flechas apuntando hacia la caja, señales de salida por flechas apuntando hacia fuera. Como lo tipifica el modelo de comunicaciones, cómo fluye la información, cómo se corrompe y manipula, y cómo se recibe en última instancia se resume interconectando diagramas de bloques: Las salidas de uno o más sistemas sirven como entradas a otros.

Figura 1.3.2 Un sistema opera sobre su señal de entrada x (t) para producir una salida y (t).

En el modelo de comunicaciones, la fuente produce una señal que será absorbida por el sumidero. Ejemplos de señales en el dominio del tiempo producidas por una fuente son la música, el habla y los caracteres mecanografiados en un teclado. Las señales también pueden ser funciones de dos variables, una imagen es una señal que depende de dos variables espaciales, o más, las imágenes de televisión (señales de video) son funciones de dos variables espaciales y tiempo. Así, las fuentes de información producen señales. En los sistemas físicos, cada señal corresponde a una tensión o corriente eléctrica. Para poder diseñar sistemas, debemos entender la ciencia y la tecnología eléctrica. Sin embargo, primero necesitamos entender el panorama general para apreciar el contexto en el que trabaja el ingeniero eléctrico.

En los sistemas de comunicación, los mensajes —señales producidas por fuentes— deben ser refundidos para su transmisión. El diagrama de bloques tiene el mensaje s (t) pasando a través de un transmisor con etiqueta de bloque que produce la señal x (t). En el caso de un transmisor de radio, acepta una señal de audio de entrada y produce una señal que físicamente es una onda electromagnética radiada por una antena y que se propaga como predicen las ecuaciones de Maxwell. En el caso de una red informática, los caracteres mecanografiados se encapsulan en paquetes, se adjuntan con una dirección de destino y se lanzan a Internet. Desde la perspectiva del “big picture” de los sistemas de comunicación, se aplica el mismo diagrama de bloques aunque los sistemas pueden ser muy diferentes. En cualquier caso, el transmisor no debe operar de tal manera que el mensaje s (t) no pueda recuperarse de x (t). En el sentido matemático, el sistema inverso debe existir, de lo contrario el sistema de comunicación no puede considerarse confiable. (Es ridículo transmitir una señal de tal manera que nadie pueda recuperar el original. Sin embargo, existen sistemas inteligentes que transmiten señales para que solo los “en la multitud” puedan recuperarlas. Tales sistemas criptográficos subyacen a las comunicaciones secretas.)

Las señales transmitidas a continuación pasan por la siguiente etapa, el canal malvado. Nada bueno le sucede a una señal en un canal: Puede corromperse por el ruido, distorsionarse y atenuarse entre muchas posibilidades. El canal no se puede escapar (el mundo real es cruel), y el diseño del transmisor y el diseño del receptor se centran en la mejor manera de defenderse conjuntamente de los efectos del canal en las señales. El canal es otro sistema en nuestro diagrama de bloques, y produce r (t), la señal recibida por el receptor. Si el canal fuera benigno (buena suerte encontrando tal canal en el mundo real), el receptor serviría como sistema inverso al transmisor, y cedería el mensaje sin distorsión. Sin embargo, debido al canal, el receptor debe hacer todo lo posible para producir un mensaje recibido\[\hat{s}(t) \nonumber \]
que se asemeje a s (t) tanto como sea posible. Shannon demostró en su artículo de 1948 que la comunicación digital confiable, por el momento, tomar esta palabra para significar libre de errores, era posible a través de canales arbitrariamente ruidosos. Es este resultado el que explotan los modernos sistemas de comunicaciones, y por qué muchos sistemas de comunicaciones se están volviendo “digitales”. El módulo de Comunicación de la Información detalla la teoría de la información de Shannon, y ahí aprendemos del resultado de Shannon y cómo usarlo.

Por último, el mensaje recibido se pasa al sumidero de información que de alguna manera hace uso del mensaje. En el modelo de comunicaciones, la fuente es un sistema que no tiene entrada sino que produce una salida; un sumidero tiene una entrada y ninguna salida.

Comprender la generación de señales y cómo funcionan los sistemas equivale a comprender las señales, la naturaleza de la información que representan, cómo se transforma la información entre formas analógicas y digitales, y cómo la información puede ser procesada por sistemas que operan en señales portadoras de información. Esta comprensión exige dos campos de conocimiento diferentes. Una es la ciencia eléctrica: ¿Cómo se representan y manipulan eléctricamente las señales? El segundo es la ciencia de la señal: ¿Cuál es la estructura de las señales, sin importar cuál sea su fuente, cuál es su contenido de información y qué capacidades fuerza esta estructura sobre los sistemas de comunicación?