Sobre las Senales Digitales

Sobre las Señales Digitales

Vicente González Ruiz

September 12, 2016

Las fuentes de informaci’on pueden ser anal’ogicas o digitales.
Las fuentes anal’ogicas pueden encontrarse en un n’umero de estados inﬁnito. Las digitales, no.
Por deﬁnici’on, las computadoras s’olo pueden procesar informaci’on digital (generada por una fuente digital).

Son t’erminos que suelen usarse indiferentemente, sin embargo, signiﬁcan cosas distintas:
- La informaci’on es todo aquello que una vez conocido reduce la incertidumbre del conocedor sobre algo.
- Un dato es la representaci’on f’isica de la informaci’on. Por ejemplo, el conocimiento del resultado de la pr’oxima quiniela de f’utbol ser’ia la informaci’on y el boleto ser’ia el dato.
- Una señal es un evento f’isico observable y medible. En este sentido, una señal es un dato, y si nococemos su signiﬁcado, transportar’a alguna cantidad de informaci’on. En redes de computadoras las señales son generalmente ondas electromagn’eticas medidas en funci’on del tiempo.

Distinguimos entre:
1. Señales digitales cuando representan fuentes de informaci’on discretas.
2. Señales anal’ogicas cuando representan fuentes de informaci’on continuas.
La forma en que se representan f’isicamente las señales no caracteriza necesariamente su naturaleza anal’ogica o digital. En otras palabras, hay señales que pueden parecer anal’ogicas y sin embargo, representar fuentes digitales, y viceversa.

Generalmente hay 3 limitaciones en la transmisi’on de señales: la atenuaci’on, la distorsi’on de retardo y el ruido.
Todos los medios de transmisi’on y de almacenamiento poseen un ruido intr’inseco, generalmente de caracter electromagn’etico, que es inevitable. Este ruido, llamado tambi’en ruido blanco, es generalmente producido por la agitaci’on t’ermica de los ’atomos que forman el medio y se encuentra uniformemente distribuido en todas las componentes de frecuencia.
Todas las señales cuando se propagan se aten’uan en intensidad. En otras palabras, pierden energ’ia en su desplazamiento (el medio siempre ofrece alguna clase de resistencia).
Se deﬁne la relaci’on señal/ruido o SNR (Signal to Noise Ratio) como el cociente (o relaci’on) entre la energ’ia de la señal (que transporta la informaci’on) respecto de la energ’ia del ruido (que est’a presente en el medio). Matem’aticamente hablando:
$SNR = Energia$ (1)
De cara a optimizar una transmisi’on, interesa que la SNR sea lo m’as alta posible.

Cuando una señal transporta informaci’on anal’ogica, cualquier posible valor de dicha señal tiene un signiﬁcado diferente para el receptor. Esto no ocurre as’i, si la señal representa a una fuente digital.
Cuando la SNR no es inﬁnita (esto siempre es as’i porque el ruido siempre existe y es imposible generar una señal con energ’ia inﬁnita), durante la transmisi’on de la señal dicho ruido se suma a la señal.
Si se trata de una señal “anal’ogica”, para el receptor es imposible distinguir la señal del ruido, porque cualquier posible valor de la señal tiene sentido. El ruido, por deﬁnici’on, es impredecible.
Si la señal es “digital”, y la SNR es suﬁcientemente alta, el receptor puede determinar con una cierta probabilidad de acierto y para un instante dado, cu’al era el estado inicial de la señal antes de ser transmitida. Por tanto, el receptor en este caso s’i puede separar el ruido de la señal.

Para mejorar la relaci’on entre la energ’ia de la señal y la energ’ia del ruido puede utililizarse un ampliﬁcador de la señal. En la pr’actica dicho ampliﬁcador siempre incrementa en la misma medida que la energ’ia de la señal, la energ’ia de alguna señal de ruido, y por lo tanto, el n’umero de veces que puede aplicarse este proceso es ﬁnito. Adem’as, el ampliﬁcador presenta su propio ruido que tambi’en se sumar’a a la señal.
En el caso de una señal digital, la señal puede interpretarse y regenerarse (librarse totalmente del ruido) tantas veces como queramos. Este proceso es el que realiza un repetidor digital.

Por sencillez, la mayor’ia de los sistemas de tratamiento de informaci’on digital manejan s’olo dos posibles estados. Un bit (Binary digIT) es un dato digital y representa generalmente estos estados mediante los s’imbolos “0” y “1”.
Cuando una secuencia de bits se representa mediante una señal obtenemos una señal binaria (digital, evid’entemente). Por ejemplo, en la Figura

Figure 1: Ejemplo de una señal digital.

1 se muestra una señal de tensi’on, binaria, que representa a la secuencia de bits 010110010. En ella hemos dispuesto que el bit de informaci’on 0 se codiﬁca el’ectricamente mediante un potencial de 0 voltios y el bit 1 mediante 5 voltios.