LAS COMUNICACIONES ASÍNCRONAS ( I )

Sin lugar a dudas, la comunicación paralela en la cual se pueden enviar simultáneamente varios dígitos binarios (bits) a la vez a través de varios alambres independientes es la que ofrece la mayor rapidez posible. Esto es precisamente lo que se hace al interior de una microcomputadora, en donde a través de un bus formado por ocho o más líneas independientes podemos enviar información en forma paralela. Sin embargo, hay ocasiones en las que esto no se puede llevar a cabo. Frecuentemente queremos enviar hacia el exterior información digital pero no contamos con el lujo de varias líneas independientes que nos permitan enviar simultáneamente dígitos binarios diferentes que representen distintos valores. Un ejemplo de ello es la línea telefónica, en donde no contamos ni siquiera con un grupo de cuatro cables que nos permitan enviar a través de la línea telefónica cuatro bits a la vez. Otro ejemplo de ello es la comunicación satelital, en donde al enviar o recibir algo de un satélite lo logramos mediante una señal electromagnética de alta frecuencia. En tales casos, nos vemos forzados a llevar a cabo la comunicación en forma serial en donde en vez de enviar varios bits a la vez tenemos que enviar de uno en uno. En principio, esto requiere del envío simultáneo de una señal de reloj que le permita al receptor saber cómo distinguir entre un bit y el siguiente. A manera de ejemplo, considérese la siguiente señal digital de 16 bits:

0011010010101110

Suponiendo que la señal sea enviada siguiendo un orden de izquierda a derecha, entonces se enviará primero un "0", tras lo cual se enviará otro "0", tras lo cual se enviará un "1" y después el "1" que le sigue, seguido de un "0", y así sucesivamente. Desde el punto de vista de presencia y ausencia de voltajes en la línea para denotar los "unos" y los "ceros", conforme avanza el tiempo esta señal mostrará el siguiente aspecto:

Si en este diagrama de tiempos borramos los "unos" y los "ceros" que están puestos encima de la señal digital, de cualquier forma podemos recuperar la información escribiéndola de nuevo gracias a los pulsos sincronizados de la "señal de reloj". Obsérvese que el envío de una "señal de reloj" es un complemento indispensable en la transmisión serial de una señal digital. Sin esta señal de reloj, el receptor no tiene forma alguna de saber cuándo y en dónde empieza un "cero" y termina un "uno" o viceversa, como tampoco tiene forma alguna de saber cuál es la duración de cada intervalo de tiempo que subdivide a los "bits" que están siendo enviados. Aunque a primera vista pudiera creerse que la subdivisión del tiempo puede ser extraída por el receptor del intervalo de tiempo más corto detectado en una señal entre un "uno" y un "cero", esto no ofrece garantía alguna. En efecto, si enviamos las siguientes señales digitales de 16 bits, una tras otra:

1111111111111111

0000000000000000

1111111100000000

0000000011111111

y el receptor se basa únicamente en la duración del intervalo más corto, que correspondería a la secuencia "11111111", erróneamente podría concluír que se le ha enviado una señal compuesta de tan sólo 8 bits, la señal "11001001", cuando en realidad se le ha enviado una señal de 64 bits. El problema que tenemos para decodificar la señal basada en los tiempos de transmisión es el mismo que el que tenían los telegrafistas de antaño para comunicarse a través de sus primitivos aparatos mediante el "código Morse". (Generalmente, los telegrafistas trataban de mantener cierto "tiempo" razonable entre la transmisión de cada letra, un "tiempo razonable" que pudiera ser leído "razonablemente" por ambos, y aún así era necesario que el receptor después de haber recibido el mensaje telegráfico retransmitiera el mensaje al que lo envió para ver si no se había cometido error alguno. El problema que tenemos aquí es que en la transmisión de datos digitales estamos transmitiendo no el equivalente de una letra del alfabeto cada dos segundos, sino el equivalente de miles de bits de información a velocidad electrónica con la cual ningún humano se podría dar abasto.)

Queda pues fuera de toda discusión la necesidad de tener que enviar una "señal de reloj" junto con la señal digital para que el receptor pueda recuperar íntegramente el mensaje. El problema estriba en que en muchas ocasiones no tenemos ni siquiera el lujo de contar con un cable extra que nos permita enviar dicha "señal de reloj". El cable telefónico consta en esencia de tan sólo dos alambres, de tan sólo dos líneas, un cable es usado para enviar la señal de corriente eléctrica, y el otro cable es utilizado como "tierra eléctrica" para recibir la corriente de retorno. No existe un tercer cable a través del cual podamos enviar una señal de reloj.

¿Entonces cómo es posible que una computadora pueda enviar y recibir una señal de Internet a través de la línea telefónica?

Hay dos respuestas a este dilema.

La primera respuesta tiene que ver directamente con la selección del formato con el cual están codificados los datos binarios, lo cual requiere tratar un tema que habíamos dejado pendiente hasta ahora.

Empezaremos hablando acerca de algunos tipos de formatos usados para la codificación de datos digitales en preparación para su transmisión a través de un canal de comunicaciones. Un esquema que es la representación más sencilla de todas es el método No Regreso al Nivel Cero (Non Return to Zero Level ó NRZ-L) en el cual el "0" es representado como ningún voltaje (o mejor dicho, cero voltaje) y el "1" es representado por un nivel alto de voltaje. Esta es una representación a la que ya deberíamos de estar acostumbrados, puesto que es precisamente la representación con la cual hemos construído casi todos los diagramas de tiempo mostrados en este libro desde el principio, es el mismo formato que se ha estado utilizando en la construcción de todo los diagramas de tiempo relacionados con el comportamiento de los circuitos digitales combinatorios y secuenciales.

Otra variante es el método NRZ-I (Non Return to Zero Inverted) en la cual solo ocurre una transición cuando aparece un "1" (un "0" no produce ningún cambio). La ventaja de este método es que es más fácil para los circuitos eléctricos detectar un cambio de voltaje que estar midiendo niveles absolutos de voltajes. Este método es el utilizado en las comunicaciones que se llevan a cabo en los puertos USB de las computadoras caseras. La desventaja de este método es que no hay cambio alguno cuando hay una secuencia formada por puros "ceros" además de que no lleva consigo ninguna información que permita al receptor sincronizar su propio "reloj" con el "reloj" con que fue construído el dato recibido. Para superar esta deficiencia, en 1949 hizo su aparición el esquema de codificación Manchester, utilizado ampliamente en las redes de computadoras conectadas bajo la convención Ethernet, en el cual se utiliza una transición de un voltaje bajo a un voltaje alto a la mitad del bit para representar un "1" y una transición de un voltaje alto a un voltaje bajo a la mitad del bit para representar un "0". Para lograr una codificación Manchester, la señal NRZ-L es sometida junto con la señal de "reloj" a una operación de OR-EXCLUSIVO, lo cual transforma a una señal codificada como NRZ-L en una señal Manchester. La ventaja del método Manchester es que envía al mismo tiempo el dato y la información sincronizadora de los pulsos del reloj con los cuales se construyó la palabra binaria, ya que tiene una transición para cada ciclo sin importar que la palabra binaria esté formada por una larga secuencia de "unos" y "ceros". La enorme desventaja es que al recurrir a transiciones a la mitad de cada bit,el ancho de banda requerido para la transmisión de la señal se duplica, de modo tal que una señal codificada en formato NRZ-L que pueda ser enviada en un ancho de banda de 200 Megahertz requerirá un ancho de banda de 400 Megahertz para poder ser enviada. A continuación se muestran los tres esquemas NRZ-L, Manchester y NRZ-I: