LA DIGITALIZACIÓN

Desde que aparecieron los ordenadores digitales, ha existido la tendencia de digitalizar la información, vocal, textos e imágenes, tanto estáticas como en movimiento, con el objetivo de integrarlas en un mismo formato. La digitalización de los sistemas de conmutación y de transmisión, iniciada en la década de los setenta, es un proceso que aún hoy continúa debido a que es un proceso lento por la enorme inversión que se ha de realizar. Sin embargo, la digitalización de los sistemas informáticos y de la propia información es un proceso imparable y dentro de pocos años el adjetivo digital será redundante.

Una de las principales razones para la digitalización de los sistemas es la de poder manejar la información independientemente de cual sea su origen y, por tanto, derivar en la total integración de los mismos.

Existen varios métodos para la digitalización de las señales analógicas, siendo el más extendido el de Modulación por Impulsos Codificados, conocido como MIC en español o como PCM en inglés. Este sistema digitaliza la señal telefónica y la transmite por la línea junto con el resto de señales, utilizando una técnica de multiplexación por división en el tiempo.

Aunque al explicar la digitalización dimos por hecho 8.000 muestras y ocho bits por muestra (velocidad de un circuito telefónico digital, 64 kbit/s), en algunos casos, se pueden utilizar otras velocidades, con otras tecnologías que permiten menos bits por segundo.

Así, además de la PCM, tenemos la DM (Delta Modulation) que llega hasta 32 kbit/s, otra más rápida es la CSVD (Continous Variable Slope DM) que es una técnica predictiva que disminuye los requisitos de velocidad hasta 16 kbit/s e incluso 8 kbit/s,

pero hay muchas técnicas diferentes. Se puede transmitir la voz a sólo 5 kbit/s por segundo aunque la calidad no es muy buena. Hay más sistemas de digitalización que los que hemos contado, pero el estándar es el de 64 kbit/s, como consecuencia de 8 bits por muestra y 8.000 muestras por segundo.

3.7. LA COMPRESIÓN

La técnica de compresión se puede aplicar a cualquier tipo de mensaje, para reducir significativamente el espacio que ocupa en bits; así su almacenamiento y transmisión requerirán menos capacidad. Según el tipo de mensaje, la compresión se basa en:

Mensaje Técnica de compresión

Sonido Enmascaramiento. Los sonidos de cierta frecuencia y amplitud ocultan a nuestro oído otros que le acompañan. Por ejemplo: MP3

Imagen Se basa en la diferente resolución del ojo a ciertos colores (mínimo para el verde y máximo para el amarillo) en la parte de una imagen que se repite; y en la predicción del movimiento. Ejemplo: MPEG 1 y 2

Datos y Texto

Codificación de patrones. En una cadena de datos se busca el carácter que más se repite, y se codifica con menos de 8 bits.

Figura 3.11. Distintas técnicas utilizadas para comprimir los mensajes.

Los estándares de compresión MPEG, cada uno de los cuales puede contemplar varios niveles o capas (layers),son:

• MPEG-1: "Codificación de imágenes en movimiento y audio asociado para medios de almacenamiento digital hasta 1,5 Mbit/s".

• MPEG-2: "Codificación genérica de imágenes en movimiento e información de audio asociada".

• MPEG-3: La planificación original contemplaba su aplicación a sistemas HDTV; finalmente fue incluido dentro de MPEG-2.

3.7.1. Compresión de audio

Vamos a ver cómo es posible mandar la música de un Compact Disc, que requiere una velocidad muy grande 1,4 Mbit/s con sólo 128.000 bit/s, por medio del formato MP3. Lo que se hace para comprimir la música, es detectar en cada instante qué sonidos están enmascarados (el oído no los oye porque hay otros que resaltan más que ellos y no dejan apreciarlos, bien porque su amplitud sea mayor o porque su frecuencia esté muy próxima, o por una combinación de ambas situaciones), y no se registra ni envía la información correspondiente a ellos.

El proceso consiste en dividir en bandas de frecuencia todo el espectro audible, y se van eliminando aquellas frecuencias que están enmascaradas. Recordemos que en el CD se toman 44.100 muestras por segundo, es decir, que teóricamente se puede hacer el proceso anterior 44.100 veces por segundo. Teóricamente, porque efectivamente, en los agudos se va a esa velocidad, pero en los graves se pueden tomar menos muestras.

Dejando sólo la información susceptible de ser apreciada por el oído conseguimos la compresión a por 12 sin que la diferencia sea perceptible. No obstante, hemos de considerar que algunos individuos poseen una curva de enmascaramiento más baja y si notarán alguna pequeña diferencia, al igual que otras personas no lo advertirán aunque comprimamos más la información. Por eso, hay diferentes grados de compresión.

3.7.1.1. EL ESTÁNDAR MP3

El estándar del MP3 es comprimir por un factor 12, utilizando las curvas de enmascaramiento normales, sin que sea notado por la mayoría de las personas. Se puede comprimir mucho más, en vez de 128 kbit/s hay sistemas que comprimen a la mitad 64 kbit/s o incluso menos, pero entonces la merma de calidad es fácilmente perceptible por el usuario.

Éste sistema fue desarrollado en principio por Philips mediante un contrato con la Unión Europea. Un contrato dentro del proyecto Eureka para definir la radio digital. El proyecto se llamó MUSICAM.

Philips desarrolló dos sistemas MUSICAM: El sistema normal, éste de 128 es el estándar (capa dos) y otro estándar mucho más reducido (capa uno), que pierde calidad. Luego, en América, la AT&T desarrolló un método parecido que lo que hacía era comprimir un poco menos y mejorar la calidad. De la unión de ambos sistemas, el europeo MUSICAM y el americano, salió un mejor procedimiento, normalmente denominado capa tres, asociado con la compresión de sonido en televisión.

A MPEG-1 capa tres, se le llama MPEG 3 o, simplemente, MP3. El MP3 es un sistema de compresión de audio definido como estándar que comprime a 128 kbit/s, al

igual que el “capa dos” pero con mejor calidad. Este es el sistema de compresión que se emplea en la televisión digital, en Internet y en la radio digital.

3.7.2. Compresión de vídeo

En audio se aprovecha es un defecto del oído, una característica del oído, que enmascara sonidos. En vídeo, dada su enorme compresión (por 50, en el estándar, y por 100, en el MPEG 1), no se aplica tan sólo una técnica, sino una combinación de ellas, para conseguir un grado de compresión mucho mayor.

En vídeo se combinan tres técnicas para comprimir:

• El primer sistema, que suprime detalles que el ojo no distingue, se usa también en fotografía (imágenes estáticas). En imágenes inmóviles se llama JPEG (Joint Potography Expert Group, o Unión de Grupo de Expertos de Fotografía). Resultado del trabajo común de diversas asociaciones de fotografía del mundo unidas para llegar a un estándar común. En vídeo, es MPEG (Motion Pictures Expert Group, o Grupo de Expertos de Imágenes en Movimiento). Su funcionamiento es como sigue:

Hay detalles que el ojo no capta. Por ejemplo, el ojo no distingue perfectamente, si una imagen es muy pequeña, las diferentes gamas de color. Aprovechando esta característica, en el caso de los colores, en lugar de enviar cada punto codificado con 8 bits (256 combinaciones diferentes, que no se van a distinguir) se definen sólo con 5 bits (32 tonos de color que son más que suficientes). Lo mismo ocurre con los tonos de grises (el ojo es más sensible al gris que al color) y en lugar de mandarlo con 10 bits, (1.024 tonos) bastan 7 bits para un correcto visionado (128 tonos de gris).

También se suprimen los detalles que resulten inapreciables. Ello se hace agrupando los puntos en bloques de 8x8, es decir, de 64 puntos, y analizándolos mediante un programa de ordenador que decide lo que podemos eliminar. El procedimiento más habitual utiliza la transformada discreta del

coseno, DCT (Discret Cosine Transformer) en inglés.

Con este método se puede comprimir por 10 (no se nota diferencia), por 20 (aún buena calidad) y hasta por mucho más, dependiendo de la calidad que desee obtener. En una máquina de fotos digital estándar, una imagen que ocupa 5 Mbytes puede ser reducida a 300 kbytes sin diferencias perceptibles.

• El segundo sistema, Grupo de Cuadros consiste en aprovechar las imágenes estáticas: Imaginemos un informativo en que hay un locutor dando una noticia. Como en TV se emiten 25 imágenes por segundo, estamos enviando 25 veces por segundo la cara del locutor que, probablemente, necesite esa cadencia

puesto que la está moviendo. Pero el resto de elementos en pantalla permanecen estáticos, el fondo, la corbata, la mesa...

Por lo tanto, podemos reducir la cantidad de información transmitida. La emisora de cada 12 imágenes sólo emite 1 y el televisor deduce las intermedias. Para corregir los puntos en los que halla cambios la emisora envía la información requerida únicamente para los elementos cambiantes de la imagen, con el subsiguiente ahorro de capacidad.

El grupo de cuadros que recibe este nombre porque a las imágenes en televisión se las llama cuadros, lo que hace es agrupar los cuadros de 12 en 12 y sólo mandar uno. El ahorro de capacidad dependerá del tipo de imágenes que estemos tratando, cuanto menos cambiante sea ésta, mayor el ahorro. Pero el estándar puede reducir desde por 5, lo cual es muy frecuente, hasta por 12 en caso de elementos muy estáticos.

Entre ambos métodos ya tenemos un factor entre 50 y 100 de compresión. Eso genera un retraso, porque el televisor no puede empezar a componer la emisión hasta que ha recibido la imagen 13. Por lo tanto, en la descompresión del sistema MPEG se tarda medio segundo. El audio en este tipo de televisión se manda con medio segundo de retraso, se retarda para que la imagen vaya junto con el sonido. Lo cual a veces provoca fallos de ajuste y el audio no se corresponde a la imagen visual.

• El tercer sistema (denominado vector movimiento) que se aplica si en las imágenes hay algo que se mueve muy frecuentemente. El método en este caso deduce el movimiento, algo que es relativamente fácil pues la imagen se ha dividido en bloques de 8 por 8 puntos. Las imágenes en movimiento se envían menos veces por segundo, recomponiéndolas en la recepción y, al igual que en el procedimiento anterior, la emisora manda la corrección.

Con el sistema de vector movimiento, sólo se comprime si hay algo que se mueve, como un avión en vuelo, lo que es frecuente, pero la compresión que se consigue es más pequeña puesto que además sólo se comprime en una parte de la pantalla. La media resulta en una compresión a por dos o por tres.

3.7.2.1. EL ESTÁNDAR MPEG-2

MPEG-2 es una combinación de las tres técnicas vistas con anterioridad. Cuando se comprime relativamente poco, para que el ojo no lo perciba, la media de compresión que sale es 50, por lo que se pueden pasar las imágenes que requerían 207 millones de bits por segundo al orden de 4 Mbit por segundo.

El grupo de expertos primero desarrolló un estándar mucho más reducido, que comprimía mucho más, desde los 207 hasta 1,5 Mbit/s que se conoce como MPEG-1. En realidad, el MPEG-1 comprime a velocidad estándar fija, sea cual sea el resultado final, mientras que el MPEG-2 es capaz de adaptar la velocidad según la calidad que se desee obtener. Si se requiere mucha calidad, para una imagen muy quieta, bastarían 2 ó 3 Mbit/s; para una imagen muy dinámica y con mucho detalle, a lo mejor se necesitan 6 ó 7 Mbit/s.

Las emisoras para no tener que estar adaptándolo a cada momento suelen transmitir a una velocidad fija, por ejemplo, a 4Mbit/s. Para mantener esta capacidad las diferentes técnicas se van compensando en la emisión. Así si la imagen se mueve mucho, el detalle puede ser más pequeño, etc.

Aunque hay otros sistemas similares, éstos son los que se han considerado como estándar. Todos los sistemas digitales de televisión emiten a través de MPEG 2 y aplican como estándar de audio el MPEG 1 capa tres, el polémico MP3, por las dudas acerca de la legalidad de su uso.

3.7.3. Compresión de datos

Los dos sistemas de compresión que hemos visto, el de audio y el de vídeo, se denominan “compresión con pérdidas”, porque se pierde información. No es perceptible, si está bien hecha, pero perdemos información. Evidentemente, con los datos no es aceptable perder información porque afecta significativamente a la recepción del mensaje. No se puede omitir nada de información. Necesitamos realizar una compresión sin pérdidas.

El sistema más frecuente es redefinir los caracteres más repetidos: En una página, probablemente, sean los espacios, así al espacio, en lugar dedicarle ocho bits, se le dedican sólo dos, el espacio es el 01. Supongamos que el siguiente carácter que más se repite es la “a”, que será 101, 3 caracteres. De igual modo operaremos sobre los símbolos más repetidos. Como resultado cada vez que hay que mandar un espacio se manda 01, nada más, con lo cual estamos ahorrando los otros seis bits que no se transmiten, hemos hecho un código diferente. Ya no están homogeneizados todos los caracteres a ocho bits, sino que los que más se repiten se definen con menos bits. Este proceso, que puede parecer complicado, se hace automáticamente.

El más típico de estos sistemas de compresión se llama código Huffman que es el nombre del ingeniero que lo desarrolló. Por este sistema no se puede comprimir mucho, porque hay muchos caracteres que no se pueden transformar a sólo dos, tres, cuatro,... bits, pero se reduce aproximadamente a la mitad. De manera que los programas de ordenador que duplican la capacidad del disco duro, en realidad, almacenan la información en el disco duro comprimida a la mitad.

3.8. CODIFICACIÓN XDSL

De las diferentes tecnologías que usamos en telecomunicaciones, la compresión es una de las que más ha avanzado. Permite emitir cuatro canales de televisión por donde antes se transmitía uno. La digitalización es bastante más antigua y es una técnica consolidada. La siguiente tecnología es la de codificación en xDSL, la “x” define el carácter cambiante de los bucles de abonado digital o DSL (Digital Subscriber Line).

El bucle de abonado constituido por pares de cobre, tiene serias limitaciones para soportar aquellos servicios que requieren un gran ancho de banda. Por su propia constitución tiene una atenuación muy creciente con la frecuencia y la distancia. Permite ofrecer un canal analógico de 4 kHz sin necesitar amplificación, suficiente para mantener una conversación, o mediante el empleo de módems o adaptadores de terminal RDSI puede llegar a soportar un flujo de datos de 56 ó 128 kbit/s, respectivamente.

No obstante, las tecnologías DSL convierten ese antiguo bucle de abonado en algo mucho más útil: un bucle de abonado digital con mayor capacidad. Esto se efectúa mediante la instalación de módems en los extremos (en realidad son codificadores) que permiten multiplicar la capacidad de la línea. Hay diversas maneras de hacerlo y esta variedad da lugar a diferentes tecnologías, cuyas características se aprecian en la tabla de la figura 3.12. Nombre de la Tecnología Concepto Velocidad hacia el usuario Velocidad hacia la Central Distancia máxima

IDSL ISDN DSL 128 kbit/s 128 kbit/s 6 km

HDSL High-Data Rate DSL 1,544 Mbit/s 1,544 Mbit/s 4 km

SDSL Symetric DSL 1,544 Mbit/s 1,544 Mbit/s 3 km

ADSL Asymetric DSL 8 Mbit/s 1 Mbit/s 4 km

RADSL Rate Adaptative DSL 7 Mbit/s 1 Mbit/s 6 km

VDSL Very-High DSL 51,84 Mbit/s 2,3 Mbit/s 300 m

Figura 3.12. Diferentes tipos de tecnologías dentro de la familia DSL.

Las ventajas para el operador con el uso de esta tecnología son varias: por una parte, se descongestionan las centrales y la red telefónica, ya que el flujo de datos se separa en origen del telefónico (van superpuestos pero diferenciados), y se reencamina desde la entrada de la central local por una red de datos. Por otra parte, que se puede ofrecer el servicio de manera individual sólo para aquellos clientes que lo requieran, sin

necesidad de reacondicionar todas las centrales locales. Dada la dedicación exclusiva (no compartida) de la parte de acceso de cada usuario, es una buena alternativa para poder ofrecer tarifa plana de acceso a Internet.

3.8.1. IDSL

En lo que cambia la definición de la familia de tecnologías DSL es en la primera letra. La primera letra hace referencia a la aplicación. Por ejemplo, si la primera letra es la “i”, IDSN que es como dicen en inglés a nuestra RDSI, la red digital de servicios integrados, en inglés se llama Integrated Services Digital Network. Luego el IDSL consiste en que por un bucle abonado de par de hilo de cobre normal pueda funcionar la red digital de servicios integrados, que necesita 128 kbit/s en ambos sentidos.

Cuando se emplea esta técnica, el bucle de abonado tiene que ser corto; si es muy largo, no funciona, porque es un par de hilo de cobre. Sólo puede tener hasta 6 kilómetros. Lo cual puede considerarse poco, a la vista del estado del arte actualmente, pero mejora continuamente.

3.8.2. HDSL

El HDSL, en que la H viene de High Data Rate, alta velocidad de datos, permite nada menos que 1,5 Mbit/s en ambos sentidos (1,5 Mbit/s es la jerarquía digital plesiócrona más baja americana, la nuestra son 2 Mbit/s). Puede operar hasta en 4 kilómetros sin necesidad de emplear repetidores, pero usa dos pares de cobre, uno para la ida y otro para la vuelta. Si queremos esto mismo pero usando un solo par de hilo de cobre, tenemos la tecnología SDSL. También es simétrica, pero con una cobertura de sólo 3 kilómetros, porque toda la información circula por un único par de hilo de cobre, que, además, soporta el servicio telefónico básico, por lo que resulta muy interesante para el mercado residencial.

3.8.3. ADSL

La más conocida de todas las tecnologías xDSL es la ADSL. “A” de asimétrico, puesto que considera que muchos usuarios necesitan recibir un gran volumen de información, tal como vídeo o un programa que “bajemos” de la red. Pero, sin embargo, las necesidades hacia el operador son menores (llamar por teléfono o pedir una página de Internet necesitan muy poca capacidad relativa). Luego hacia el usuario circula nada menos que hasta a 8 Mbit/s (down stream), la velocidad de unas dos películas en MPEG- II, y hacia la central (up stream) sólo 1 Mbit/s. Todo ello por un par de hilo de cobre de hasta cuatro kilómetros.

El servicio ADSL no es siempre posible, aunque el usuario final lo demande. Es necesario, previamente, que el instalador compruebe si la distancia a la central telefónica de la que depende es menor que un determinado valor (aproximadamente 3 km). Este

valor viene determinado por la atenuación máxima que soporta el estándar de acceso, por ser la atenuación muy dependiente de la frecuencia y estar trabajando con un valor mayor.

ADSL. Utilización en la RTC Conmutador de circuitos Conmutador de circuitos Red de telefoníaRed de telefonía Multiplexor de acceso DSL Multiplexor de acceso DSL Red ATM/IPRed ATM/IP Modem ADSL Modem ADSL Internet Internet Bucle de abonado 6 Mbit/s 0,6 Mbit/s

Figura 3.13. Utilización de ADSL para aprovechar la capacidad el bucle de abonado.

3.8.4. VDSL. Datos a muy alta velocidad

La más rápida de toda la familia xDSL es la denominada VDSL (Very High Data Rate DSL), muy alta velocidad de datos, que permite nada menos que 51 Mbit/s hacia la casa del usuario y 2,3 hasta la central, pero alcanza sólo 300 metros. De todas éstas