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Megamozart en un bit: de lo analógico a lo digital

Megamozart en un bit: de lo analógico a lo digital

Conocimiento y comunicación

“Analógico”, “Digital”, “Multimedia”, “Ancho de banda”, “Bit”, “Byte”, “Megas”, “Gigas”, “Fibra”, “ADSL”…. Son términos que conviven con nosotros y que hemos integrado ya en nuestras vidas con una actitud casi dogmática. Con frecuencia no sabemos qué significan, ni para qué sirven, pero eso no nos preocupa demasiado. Son aceptados por todos y, como digo, casi nunca bien entendidos.

En cierta ocasión interrogaba a un amigo acerca de alguno de estos conceptos. Se trata de una de esas personas que saben de todo y que manejan el lenguaje con una seguridad absoluta, incluso cuando ignoran de qué están hablando. “No sé muy bien qué es, ni para qué sirve”, me decía. “Tampoco estoy seguro de que me importe”.

Si opina como mi amigo, le aconsejo que abandone aquí esta lectura y pase a disfrutar de los otros contenidos del territorio Zenda. Por el contrario, si siente usted la inquietud y la tentación de entrar en ese mundo, acompáñenos en este viaje.

Lo hemos repetido hasta convertirlo en un tópico: “Vivimos en la sociedad de la información”. Esta afirmación es cierta, pero olvidamos con frecuencia añadir que también es la sociedad de la “comunicación”. Lo que realmente distingue a la sociedad del siglo XX y XXI es la comunicación, la capacidad que ahora tenemos para conservar y difundir la información. El conocimiento es en buena medida una consecuencia de la comunicación.

"La onda alcanza nuestros tímpanos y a partir de ahí se inicia un proceso de reconocimiento que concluye con la interpretación del sonido dentro del cerebro."

Hace apenas cien años compartir el conocimiento estaba al alcance de muy pocos y los medios de que disponíamos para ello no eran muy distintos a los que tradicionalmente y durante miles de años el hombre había tenido a su alcance. Las tecnologías emergentes en el siglo pasado cambiaron drásticamente este panorama. La comunicación facilitó, y con ello también propició, el intercambio del conocimiento. La socialización de la información generó nueva información, la nueva información nuevo conocimiento…. y creamos así una espiral que nos ha conducido a nuestros días, al mundo de Internet, al mundo de la información.

El proceso de difusión del conocimiento comienza con la creación del mismo (generación del contenido), su conservación (almacenamiento) y la compartición con terceros (transferencia). Veamos cómo se integra la tecnología en todas las fases de este proceso y veamos también cómo aquellos términos con los que comenzábamos forman parte del mismo.

Al principio se creó el mundo analógico

Analicemos en primer lugar la forma más elemental de comunicación inteligente del ser humano: la comunicación verbal.

Cuando pronunciamos una palabra nuestras cuerdas vocales hacen vibrar el aire de alrededor y generan una onda acústica. Algo parecido a la onda que se genera en la superficie de un lago cuando lanzamos una piedra. Al entrar en el agua observamos una especie de círculos concéntricos que se alejan del lugar donde impactó la piedra, propagándose poco a poco sobre la superficie del lago. La onda sonora que generan nuestras cuerdas vocales no es muy distinta, pero no la percibimos visualmente porque se propaga por el aire y, como todos sabemos, el aire es invisible. La onda alcanza nuestros tímpanos y a partir de ahí se inicia un proceso de reconocimiento que concluye con la interpretación del sonido dentro del cerebro.

Hagamos un alto en este punto y tomemos un descanso. Vamos a relajarnos un rato escuchando a Mozart. Estamos en el Auditorio de Madrid. Aparece en escena la orquesta, cada músico ocupa parsimoniosamente su lugar, como interpretando un guion no escrito. El concertino se prepara para afinar el conjunto. Toma un violín, pellizca con las yemas de sus dedos una cuerda y la suelta. Un sonido agudo inunda la sala; se trata de una nota musical de cierta intensidad; pongamos que, en una escala entre 0 y 99, es de nivel 70. Acaba de arrancar lo que en argot musical se conoce como pizzicato.

A continuación, unos segundos más tarde, repite la operación y produce ahora un pizzicato de menor volumen, pongamos que de nivel 30.

Con frecuencia, en las películas de hospitales vemos al paciente en su cama, casi siempre en coma o inconsciente, y a su lado un dispositivo que dibuja regularmente y con armonía los latidos del corazón (bip, bip, bip…). Repentinamente el enfermo muere y entonces solo queda una línea horizontal (biiiiiiiiip…..). Este dispositivo se llama electrocardiógrafo.

Si pudiéramos utilizar una especie de electrocardiógrafo para visualizar el sonido de los pizzicatos, veríamos algo como lo representado en la figura 1.

Tenemos delante la forma real de la onda sonora que vuela desde el violín, con dos de sus atributos fundamentales: la intensidad sonora, es decir el volumen del sonido, que representamos en vertical (cuanto más alto, más intenso es el sonido) y el momento en el tiempo en que se produce, representado en el eje horizontal (cuanto más a la derecha, más tarde se produce). La señal mostrada es una copia de la real y decimos en estas circunstancias que estamos ante una señal sonora analógica.

"¿Cómo podríamos mantener entonces una conversación o enviar un contenido sonoro a cientos o miles de kilómetros de distancia?"

La capacidad de propagación de las ondas sonoras por el aire es muy limitada y tal como vemos que los círculos concéntricos de las ondas del lago desaparecen rápidamente tras un corto tránsito sobre la superficie del agua, las ondas sonoras se atenúan también rápidamente en su propagación por el aire. Esto hace imposible una comunicación directa entre interlocutores cuando estos se separan apenas unos cuantos metros. ¿Cómo podríamos mantener entonces una conversación o enviar un contenido sonoro a cientos o miles de kilómetros de distancia?

La respuesta que nos ofrece la tecnología es sencilla e ingeniosa. Conocemos algo que llamamos corriente eléctrica, que manejamos bastante bien y que sabemos transmitir a distancia sin grandes dificultades ¿Por qué no hacemos una copia eléctrica de nuestra onda sonora, la transmitimos y, una vez en el destino, volvemos a convertirla en vibraciones acústicas?

Para hacer esto solo necesitamos un conductor (un cable) que nos conecte con el lugar al que queremos llevar el sonido, un micrófono en el origen, un altavoz en el destino y una corriente eléctrica que circule por el conductor (figura 2). El conductor y el conjunto de circuitos eléctricos que le complementan se denominan medio de transmisión.

El micrófono es un dispositivo sensible a las vibraciones acústicas que, en sintonía con el sonido que recibe, modifica las características eléctricas del circuito al que se conecta y en consecuencia cambia también los atributos de la corriente que circula por él. El cambio que introduce sobre la corriente eléctrica es especular respecto al sonido que detecta. De esta forma la corriente sobre el conductor adquiere la forma y características de la onda sonora. Una vez que la “onda eléctrica” alcanza el destino, encuentra allí un altavoz con un diafragma de cartón o similar que vibra movido por un imán solidariamente con la onda eléctrica, recomponiendo así la vibración acústica y el sonido original.

Esta forma de transferir la señal en su versión analógica se llama transmisión analógica. Para el almacenamiento de contenidos en este formato se utilizan medios clásicos por todos conocidos (especialmente por los que ya tenemos algunos años) y también casi olvidados: cintas, vinilos…; medios que calificamos asimismo como analógicos.

Y ahora descubrimos el mundo digital

La transmisión analógica nos ha obligado a cumplir el protocolo que hemos venido describiendo: copia de la señal sonora a señal eléctrica, transmisión y reproducción.

"El código numérico creado es a todos los efectos una réplica del pizzicato, puesto que a partir de él se puede reconstruir íntegramente en su forma analógica. En realidad hemos fabricado una copia digital de la señal analógica."

Pero retomemos y observemos de nuevo la imagen de la figura 2. El pico del primer pizzicato es de nivel 70 y el del segundo de nivel 30. Si el altavoz que tenemos al final de la cadena conociera la intensidad sonora que corresponde al nivel 70 y al nivel 30, sería suficiente con que desde el origen le advirtiera: “ahí te envío un pizzicato de nivel 70” y luego “ahí te envío otro de nivel 30”. Esto le bastaría al altavoz para recomponer en destino los dos pizzicatos en su versión original.

Con este artificio dejaríamos de transmitir la señal analógica en su integridad y pasaríamos a transmitir tan solo dos números, “70” y “30”. Como los números se componen de dígitos, esta forma de transmisión es conocida como digital.

En definitiva, hemos asignado a cada pizzicato un código numérico a partir del cual pueden reproducirse sus características físicas originales, es decir se ha codificado la señal sonora original con un código de cifras o dígitos.

El código numérico creado es a todos los efectos una réplica del pizzicato, puesto que a partir de él se puede reconstruir íntegramente en su forma analógica. En realidad hemos fabricado una copia digital de la señal analógica; copia que consecuentemente denominamos señal digital. Para recomponer la señal analógica original deberá existir lógicamente, en algún momento, un proceso de descodificación que permita descifrar el código de la señal digital.

Regresemos de nuevo al Auditorio. La orquesta está interpretando ya el segundo movimiento del “Concierto número 21 para piano y orquesta” de Mozart. Los instrumentos lanzan generosamente al aire sus notas y todas ellas se integran en una deliciosa melodía que nuestro “cardiógrafo” particular registraría con un trazo como el de la figura 3.

La figura muestra la imagen analógica del sonido que estamos percibiendo. Pero, ¿cómo haríamos para digitalizar esa señal? ¿Cómo podemos transformarla en una secuencia de números? La respuesta no parece tan evidente como cuando hablábamos del pizzicato.

Lo que haremos es lo siguiente (figura 4): medimos la intensidad sonora de la señal a intervalos regulares y anotamos los valores registrados. Asignamos a cada una de estas muestras el código numérico que corresponda a su nivel de intensidad y ya tenemos nuestra señal digital. La réplica digital de la melodía de Mozart estaría formada por la secuencia de dígitos 70 30 50 20, etc.

"No sin dificultad hemos entendido cómo se pueden almacenar y transmitir las señales analógicas, pero ¿qué pasa con las digitales?"

Al procedimiento anterior se le puede plantear una objeción que a todos se nos antoja como muy obvia. En realidad no hemos hecho una copia digital de la señal analógica en toda su integridad, sino tan solo de un conjunto de sus muestras. Esto es cierto, pero la naturaleza, que es muy generosa con el ser humano, permite reproducir la señal original con una gran aproximación a partir solo de un conjunto de sus muestras, siempre que el número de ellas esté por encima de un determinado umbral. Problema resuelto.

Sin duda alguna, llegado este momento, el lector se estará haciendo ya unas cuantas preguntas. No sin dificultad hemos entendido cómo se pueden almacenar y transmitir las señales analógicas, pero ¿qué pasa con las digitales? ¿Qué significado tiene “transmitir un número”? ¿Eso cómo se hace? ¿Y, qué ganamos con todo esto?

Así cuentan los dispositivos electrónicos: el “bit” y el “byte”

Para los dispositivos eléctricos y electrónicos, transmitir la información digital utilizando los números con los que estamos habituados a contar es muy complicado, porque no es fácil reproducirlos sobre una corriente eléctrica.

Estamos acostumbrados a manejar un sistema de numeración de diez dígitos, de 0 a 9, que denominamos de base diez. Contamos comenzando por el número 0, seguimos con el 1, luego con el 2… y así sucesivamente hasta llegar al 9. Una vez que hemos agotado los diez números individuales de la base continuamos la secuencia combinando los números, ahora de dos en dos: 10, 11, 12, 13…. Cuando agotamos la numeración doble comenzamos a utilizar tres dígitos: 100, 101, 102, 103…. Y así sucesivamente.

"El sistema de numeración decimal es muy difícil de representar electrónicamente, pero no ocurre lo mismo con el binario. Transmitir sobre un conductor el dígito “1” es muy sencillo."

Siguiendo esta misma filosofía podríamos contar utilizando sistemas de numeración de cualquier base. Por ejemplo, en un sistema de base dos (denominado binario) solo disponemos de dos dígitos (0 y 1) para construir toda la secuencia de números enteros. Aplicamos el mismo procedimiento: comienzo contando 0, luego el 1; hemos agotado ya los números de la base, por tanto tenemos que continuar la secuencia componiendo números de dos cifras 10, 11; no hay más números de dos cifras, luego hay que seguir ahora con tres cifras 100, 101, 110, 111…. Y así sucesivamente.

Con tan solo dos dígitos podemos contar exactamente igual que con los diez que habitualmente utilizamos.

¿Por qué todo esto? ¿A qué viene introducir aquí el sistema de numeración binario?

Como hemos apuntado antes, el sistema de numeración decimal es muy difícil de representar electrónicamente, pero no ocurre lo mismo con el binario. Transmitir sobre un conductor el dígito “1” es muy sencillo: basta con aplicar una corriente eléctrica. La ausencia de corriente representaría el dígito “0”. La secuencia 1011 sería: corriente, no corriente, corriente, corriente.

Los números en binario son también muy fáciles de guardar en las memorias electrónicas: pongo carga eléctrica en la memoria si quiero almacenar un “1” y no pongo carga si quiero almacenar un “0”.

En resumidas cuentas, utilizando el sistema de numeración binario los contenidos digitales son fácilmente manipulables electrónicamente. Por esta razón, los sistemas electrónicos “cuentan” siempre en binario.

Los “1” y “0” que aparecen en las secuencias digitales reciben el nombre de “Bit”.

La melodía de Mozart de la figura 4 quedaría representada en su versión digital por la siguiente secuencia de bits: 01000110 00011110 00110010 00010100… El primer bloque de ocho dígitos (bits) equivale al número 70 en el sistema de numeración decimal, el segundo al 30 y así sucesivamente.

En definitiva, hemos transformado el concierto de Mozart en un conjunto de bits que puedo transmitir, almacenar, procesar, manipular o reproducir de nuevo en casa. El concierto es simplemente lo que llamamos un contenido digital de audio.

"Si hablamos de una memoria “Pen Drive” de “8 Gigas” nos estamos refiriendo a un dispositivo de memoria que puede almacenar contenido digital de hasta 8.000.000.000 bytes."

Hemos utilizado deliberadamente grupos de ocho dígitos (bits) para codificar las muestras, aunque podríamos haberlo hecho con menos, porque, al igual que en el sistema decimal, en binario los ceros a la izquierda son simple relleno y no cuentan. Como he dicho, la elección de octetos no ha sido casual. El octeto o conjunto de ocho bits es una unidad básica de información que se conoce con el nombre de “Byte” (pronunciado “bait”). Cuando se hace referencia a cantidad de información (o de almacenamiento en una memoria) suele hablarse de unidades como: Kilobyte (1 KB = 1.000 bytes), Megabyte (1 MB = 1.000.000 bytes), Gigabyte (1 GB = 1.000.000.000 bytes), Terabyte (1 TB = 1.000.000.000.000 bytes)…

Si hablamos de una memoria “Pen Drive” de “8 Gigas” nos estamos refiriendo a un dispositivo de memoria que puede almacenar contenido digital de hasta 8.000.000.000 bytes. O, cuando un operador de telefonía móvil nos ofrece “4 Gigas” al mes, nos está diciendo que si contratamos su servicio, podremos descargar en nuestro móvil, a lo largo de un mes, contenido digital equivalente a 4.000.000.000 bytes.

Recapitulemos:

Hemos aprendido que el formato analógico de una señal es en realidad una visión exacta de cómo es en la realidad. La señal puede digitalizarse abandonando su imagen real y transformándose en una secuencia de dígitos que la representa casi exactamente. Por conveniencias técnicas, en el proceso de digitalización solo se utilizan los dígitos “1” y “0”, de manera que se hace obligado el uso del sistema de numeración binario.

Tenemos todavía que dar respuesta a la segunda de las preguntas que más arriba nos hacíamos. ¿Qué ventajas representa para nosotros manejar señales en formato digital?

Comenzaremos por decir que transferir contenidos en versión digital es mucho más eficaz que en formato analógico. Los medios de transmisión no son perfectos e introducen distorsiones que ocasionan pérdida de calidad de la señal analógica reproducida en destino. Cuando se transmite en digital, la distorsión es apenas relevante. El que un “1” o un “0” se reciban distorsionados no influye en la calidad del contenido recuperado. No se trata de recibir bits perfectos para reproducirlos tal cual, solo necesitamos reconocerlos.

Sin entrar aquí en mucho detalle, también hay que decir que manejando formatos digitales el aprovechamiento de los medios de transmisión es mucho mayor que cuando lo que se transmite son contenidos analógicos.

Finalmente, apuntar que el almacenamiento y el procesamiento de la información digital son más simples, más económicos y ofrecen muchas más posibilidades de manipulación para crear efectos como los que todos conocemos.

“Ancho de banda” y “Velocidad”

Sin dejar de pensar en todo esto me doy cuenta de que el concierto ya ha terminado. Tendré que volver otro día con la mente más despejada.

Al abandonar la sala reparo en una cámara de TV que ha estado grabando el acontecimiento. Me pregunto cómo será la señal que ha captado este dispositivo.

"Si intentáramos transmitir esta señal analógica por el mismo medio de transmisión que hemos utilizado para la transmisión del sonido seguramente fracasaríamos. Nos daríamos cuenta de que es técnicamente imposible."

Conceptualmente hablando, el vídeo no es muy diferente al sonido. En este caso las ondas no son sonoras, sino luminosas; no se propagan por el aire, sino sobre la luz; y no se perciben por el oído, sino a través del ojo.

El sistema que utilizaríamos para transmitir señales de vídeo en su formato original, es decir analógico, se aproximaría bastante al representado en la figura 2, cambiando el micrófono por una cámara de TV y el altavoz por un monitor.

Si visualizáramos la señal de vídeo en nuestro cardiógrafo, encontraríamos algo como lo representado en la figura 5.

Comparando esta figura con la figura 3 observamos que la señal de vídeo es bastante distinta a la de audio. Presenta variaciones de intensidad más bruscas y es mucho más irregular.

Si intentáramos transmitir esta señal analógica por el mismo medio de transmisión que hemos utilizado para la transmisión del sonido seguramente fracasaríamos. Nos daríamos cuenta de que es técnicamente imposible.

Esto es debido a que los medios de transmisión tienen limitaciones físicas que los inhabilitan para transmitir determinadas señales. Estas características físicas determinan en cada medio lo que se llama “Ancho de banda”, concepto que cuantifica su capacidad para adaptarse a unas u otras señales.

Es como si el medio de transmisión fuera un túnel y la señal analógica un tren que circula por él. La amplitud del túnel (“Ancho de banda”) tiene que estar en consonancia con la anchura del tren.

Por otro lado, si intentáramos digitalizar la señal de vídeo, enseguida nos percataríamos de que necesitamos tomar muchas más muestras que en el caso de la señal sonora, de otra forma no seríamos capaces de captar con precisión su gran variabilidad. Esto nos obligaría sin duda a generar en el mismo tiempo mucho más código digital, es decir más bits. En consecuencia, a la hora de transmitir la información digital voy a necesitar un medio capaz de evacuarla a una velocidad mayor.

"Vemos que el concepto “Ancho de banda” en analógico guarda estrecha relación con el de “Velocidad” en el mundo digital. Ambos se refieren a la capacidad que un medio tiene para transmitir información."

La velocidad de transmisión de un medio se mide en bits por segundo (b/s) y al referirnos a ella manejamos unidades muy parecidas a las usadas para medir la cantidad de información. Aquí también se habla de Megas, Gigas, etc. pero en este caso no se hace alusión a memoria, ni a cantidad de información, ni a bytes. En este contexto se hace referencia a líneas de transmisión y a velocidades en b/s. Así, cuando un operador de telecomunicaciones nos ofrece 100 megas de acceso a Internet, nos está hablando de una línea de conexión a la Red de velocidad 100 Mb/s.

Vemos que el concepto “Ancho de banda” en analógico guarda estrecha relación con el de “Velocidad” en el mundo digital. Ambos se refieren a la capacidad que un medio tiene para transmitir información.

“ADSL” y “Fibra óptica”

Hemos hablado de contenidos de audio y de contenidos de vídeo, pero queda todavía por hacer referencia a un tercer tipo de información. Es la que generamos al pulsar las teclas de nuestro ordenador; información llamada alfanumérica, porque corresponde a letras, números y caracteres, todos los que tenemos en el teclado. Cada uno de estos símbolos está biunívocamente asociado a un código binario de ocho cifras (un byte), de acuerdo con un sistema de codificación estándar. Al presionar una tecla, el ordenador genera directamente la secuencia de ocho bits que corresponde al símbolo en cuestión.

Cuando trabajamos con aplicaciones que manejan simultáneamente audio, vídeo y alfanumérico, hablamos de contenido “multimedia”. Son los contenidos que más familiares nos resultan y con los que trabajamos diariamente en Internet.

"Los dispositivos ADSL son equipos electrónicos que se insertan en las líneas telefónicas convencionales, habilitándolas para transmitir contenidos multimedia a velocidades relativamente altas."

Ya hemos visto que la velocidad de transmisión del medio físico por el que queramos enviar nuestros contenidos es decisiva. Más todavía si trabajamos con aplicaciones interactivas que requieren una intervención bidireccional y en las que se necesita una rápida evacuación de las cadenas de bits en uno y otro sentido para evitar tiempos de espera prolongados. Esto lo saben muy bien todos los que trabajan con Internet.

Internet se ha instalado entre nosotros y ha llegado a nuestras casas a través de las redes telefónicas. El cable, la línea que llega a nuestro ordenador, la que nos conecta a la Red, es el que nos ha instalado la operadora de telefonía de turno.

Hasta hace bien poco esta línea estaba especialmente concebida para transmitir solo señales telefónicas analógicas, o, dicho de otro modo, señales de sonido en formato analógico. Cuando nos planteamos transmitir en digital contenidos multimedia sobre esas líneas “analógicas”, nos damos cuenta de que su ancho de banda (o, dicho en digital, la velocidad máxima que pueden manejar) no es el apropiado para ello. Con el fin de solucionar el problema se investigan tecnologías capaces de compensar las limitaciones de esas líneas y surge el ADSL. Los dispositivos ADSL son equipos electrónicos que se insertan en las líneas telefónicas convencionales, habilitándolas para transmitir contenidos multimedia a velocidades relativamente altas.

En la medida que las redes telefónicas crecen, las nuevas líneas que tienden las operadoras son de “fibra óptica”. La fibra no es un conductor al uso. Por él no circulan corrientes eléctricas, sino haces luminosos (láser) sobre los que se “copia” la señal a transmitir al igual que hacíamos con la corriente eléctrica de la Figura 2 al transmitir sobre ella los pizzicatos del violín. La diferencia es que la tecnología óptica ofrece anchos de banda y velocidades de transmisión muy por encima de lo que pueden ofrecer los medios clásicos.

Pero, por hoy es suficiente. Quizás las tecnologías ópticas sean excusa para seguir hablando otro día.

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