Por Reydezel Torres Torres (INAOE).
Los primeros telégrafos
Siempre ha existido el deseo de intercambiar información más allá del alcance de la voz y el oído humanos. Así, en el siglo XVIII se ideó en Europa una forma interesante de telegrafía, o envío de mensajes a distancia, en la que se establecía comunicación entre dos torres separadas algunos kilómetros. La técnica consistía en que el telegrafista en una torre movía un par de brazos mecánicos formando símbolos hasta completar una señal que llevaba un mensaje, la cual se observaba en la otra torre con ayuda de un telescopio, y se interpretaba para obtener la información. Desafortunadamente, la comunicación era muy lenta, ya que sólo se formaban tres símbolos por minuto, equivalentes a tres letras del alfabeto.
Después, se aceleró la codificación o generación de símbolos empleando lámparas rudimentarias. Sin embargo, aún y colocando varias torres repetidoras para aumentar la longitud del enlace, resultaba corta comparada con las distancias entre ciudades.
Esto llevó al desarrollo de la telegrafía eléctrica en el siglo XIX. En este caso, el mensaje se enviaba controlando mediante un botón la corriente eléctrica que circulaba a través de alambres, los cuales eran extendidos hasta cientos de kilómetros. Además, el mensaje se codificaba utilizando una técnica desarrollada por Samuel Morse, basada en secuencias de puntos y rayas, es decir, presionando el botón un tiempo corto y un tiempo largo, respectivamente, con lo que se lograba enviar hasta 20 palabras por minuto.
Comunicación inalámbrica
Sería interesante hablar de la telefonía; sin embargo, sigamos en la línea de enviar y recibir mensajes codificados. En 1888, Heinrich Hertz, basado en descubrimientos previos, incluidos los de James Maxwell y Michael Faraday, demostró que si un circuito eléctrico se encendía intermitentemente, generaba ondas electromagnéticas que otro circuito detectaba aun a una distancia considerable. Con esto, nacieron las comunicaciones inalámbricas.
La información podía enviarse por el aire, lo cual no sólo fomentó el desarrollo del telégrafo inalámbrico, sino también de la radiodifusión y del radar, entre otras muchas aplicaciones. De hecho, incluso se mandó un mensaje al espacio para su posible interpretación por otra civilización. Éste fue enviado en 1974 utilizando el radiotelescopio de Arecibo en Puerto Rico.
Codificación
Para enviar el mensaje espacial, se hizo una codificación digital binaria: digital, porque utilizaba un número de símbolos que se puede contar, y binaria porque eran sólo dos números: el “0” y el “1”. Así, la información se escribe como una cadena de estos símbolos, donde cada eslabón se conoce como “bit” (contracción de “unidad binaria” en inglés). Como ejemplo, una fracción de 90 bits del mensaje es:
“000010000000010000001111100010111010100111001000111000000101000000101000000101000001101100”
Claro que esta cadena de bits debe decodificarse y dos maneras simples de hacerlo son acomodando los 90 bits en nueve filas de 10 columnas, lo cual no lleva a nada, o en 10 filas de nueve columnas, que resulta en la figura de un ser humano:
90 bits del mensaje de Arecibo: los “0s” son cuadros en blanco y los “1s”, cuadros en negro (el mensaje original se encuentra en: https://www.seti.org/seti-institute/project/details/arecibo-message).
En comunicaciones modernas, las reglas que permiten interpretar la información deben conocerse de antemano y forman parte del “protocolo de comunicación”. Ahora volvamos a la Tierra. Al codificar una fotografía utilizando el concepto anterior, el resultado es el siguiente:
Fotografía en blanco y negro sin variación intermedia de intensidad: contiene 1 bit de información por píxel.
Si una fotografía de 0.3 megapixeles en blanco y negro contiene 300 mil bits, ¿cuánto tiempo se requeriría para codificarla con el botón de un telégrafo? ¿Y aumentando a 8 bits por píxel para agregar color?
Fotografía a colores: contiene normalmente 8 bits por píxel.
Comunicaciones con electrónica moderna
Afortunadamente, el botón de los telegrafistas se ha sustituido por transistores, que se cuentan por millones en los chips electrónicos. Esto permite codificar una fotografía de alta definición en fracciones de segundo. Pero como cada vez es mayor la cantidad de información que manejamos, los transistores deben operar a velocidades extremas. Mientras que con el primer telégrafo se producían tres símbolos por minuto, hoy un solo transistor genera más de 20 mil millones en un segundo.
Transistor dentro de un chip visto con un microscopio mientras se verifica su velocidad en el Laboratorio de Altas Frecuencias del INAOE.
Actualmente, hay grandes retos para llevar a cabo la comunicación: una vez codificado el mensaje, debe adaptarse para asegurarse de que su envío requiera poca energía, no se pierda si encuentra obstáculos, no afecte a seres vivos o aparatos, y ocupe el menor ancho de banda. Este último concepto puede ilustrarse imaginando que, si viéramos las ondas electromagnéticas, éstas serían de muchos colores y nos interesa enviar la información con variaciones alrededor de un solo color. Esto abarata la tecnología y evita interferir con aplicaciones donde se utilizan otros colores.
Alrededor del mundo, científicos trabajan en diversas áreas del conocimiento para mejorar las comunicaciones, desde la física de los materiales semiconductores con los que se fabrican los chips electrónicos, pasando por el desarrollo de antenas en miniatura, hasta la aplicación de probabilidad y estadística para el procesamiento de la información. De hecho, investigación de este tipo se desarrolla en México, tanto en la iniciativa privada como en los institutos y universidades públicas, lo que permite el desarrollo de tecnología para mejorar las comunicaciones electrónicas, tan necesarias hoy en día. Todo en base a física y matemáticas.
Antena diseñada en el INAOE para detección de proximidad entre automóviles.
Autor
El doctor Reydezel Torres Torres es investigador de tiempo completo en la Coordinación de Electrónica en el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE). Información de contacto en reydezel @ inaoep.mx
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