¿Por qué no se pierden datos cuando se envían a grandes distancias?

Esta es una buena pregunta con muchas matemáticas profundas y física detrás ( teoría de la información ). Intentaré darte una respuesta casual.

Relación señal/ruido:

Primero, debe preguntarse qué es una "señal". Por ejemplo, cuando escucha la radio, especialmente la radio AM, escucha bien los sonidos/música/voces aunque haya estática/ruido de fondo. Lo que sucede es que su cerebro puede "filtrar" el ruido estático e interpretar el audio previsto. Si el audio que se supone que debe escuchar es la señal y la estática en el fondo es el ruido, entonces lo que importa es la relación de fuerza entre esos dos. Si el ruido tiene la misma fuerza que la señal, en su mayoría solo escuchará estática y no obtendrá mucha señal.

Esta relación se conoce como relación señal-ruido .

A medida que se transmite una señal, se debilita y muchas cosas la modifican en el camino. Puede pensar en esas cosas como 1) debilitando la señal y 2) fortaleciendo el ruido. Mientras la señal sea mucho más fuerte que el ruido, será posible recuperarla a grandes distancias.

Por ejemplo, la forma de onda de arriba es una señal perfecta y la de abajo tiene mucho ruido:

Tenga en cuenta que todavía es posible distinguir la señal principal porque la relación entre la señal y el ruido es alta.

Verificación de paridad y códigos de corrección de errores:

A veces, cuando transmites una señal, hay suficiente distorsión como para que algunos de los datos no lleguen perfectamente. La forma general de contrarrestar esto es con la redundancia de datos. Por ejemplo, podría decir todo dos veces. Esto es muy derrochador, pero hace un buen trabajo al manejar los errores. Otros esquemas incluyen codificar cada 8 bits como 10 bits . Hay muchos tipos diferentes de códigos de detección y corrección de errores que se pueden utilizar.

Límites teóricos:

La relación entre la señal y el ruido (así como el ancho de banda de frecuencia total disponible) determina en última instancia cuánta información se puede codificar y aún recuperar más tarde. Esto se conoce como el límite de Shannon-Hartley . Si deja mucho "espacio para el ruido", a medida que una señal se propaga largas distancias y se debilita y aumenta el ruido, la señal aún será recuperable.

En la práctica:

Hay muchos esquemas de codificación prácticos para tratar de empaquetar la mayor cantidad de información posible en un canal ruidoso. Uno de los realmente populares es QAM , que se usa para Internet por cable e inalámbrico y todo tipo de cosas. En última instancia, la calidad del enlace y la cantidad de información que se puede transmitir se basa en la relación señal/ruido y el ancho de banda.

Editar: debería decir algo sobre los enlaces y los esfuerzos para reducir el ruido.

Estrategias de reducción de ruido:

Cada tipo de medio de transmisión es susceptible a la distorsión y el ruido y hay muchas estrategias para tratar de reducir eso para que la señal pueda llegar más lejos y aún recuperarse.

En las transmisiones inalámbricas, el ruido y la distorsión a menudo se encuentran en una sola frecuencia y una estrategia para reducir esto es expandir el espectro de la señal para que cubra muchas frecuencias diferentes. Esto se llama espectro ensanchado . Hay muchas variaciones de esto, incluido el "salto de frecuencia".

En las transmisiones de fibra, es posible que la luz que baja por la fibra no tome el camino más corto. Para un pulso dado, algunos fotones pueden reflejarse muchas veces y otros pueden tomar un camino casi directo. Cuanto más larga es la fibra, más se propaga la señal. Esto se llama " dispersión modal ". Al estrechar el diámetro de la fibra y jugar buenos trucos con el índice de refracción, se puede mitigar hasta cierto punto. Aquí hay una imagen que muestra esto:

Consulte http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=25153 para obtener más detalles.

Para las transmisiones por cable, generalmente se hace un esfuerzo para agregar blindaje a los cables o equilibrar los pares (y torcerlos) para reducir la diafonía .

En primer lugar, se utilizan longitudes de onda largas en las ondas portadoras. Estos se ven menos afectados por la materia cotidiana y son buenos para dispersarse. Pueden reflejarse, pero no se distorsionan ni se difractan mucho. Por el contrario, las ondas de luz se absorben en todas partes y los rayos X y superiores son muy direccionales.

Esa es toda la física involucrada. Es lo suficientemente bueno para que funcione una radio. Afortunadamente, el formato de transmisión de radio es tal que las distorsiones en la onda portadora no destruyen completamente el sonido; simplemente lo hacen burbujear, ya que la onda de sonido no está codificada en ningún formato, sino que simplemente se envía sin procesar en la onda portadora. Si envió un MP3 por el mismo método (sin CRC), incluso un poco de "borrosidad" destruiría el archivo.

Además de eso, la mayoría de los protocolos de transmisión de datos tienen mucha redundancia. El mecanismo de redundancia más común es CRC . Básicamente, primero identifica una función que proporciona valores impredecibles de longitud fija: pequeños cambios en la entrada conducen a grandes cambios en la salida. También existe una posibilidad muy pequeña de "colisión": es poco probable que dos entradas dadas tengan la misma salida. Tales funciones se conocen generalmente como funciones hash.. Ahora, los datos se envían en fragmentos y, después de enviar cada fragmento, se calcula y envía el hash de ese fragmento. Si hubo algún error en la transmisión, ya sea al enviar el fragmento o el hash, el extremo receptor notará que el fragmento y el hash no coinciden. Luego rechazará el fragmento y solicitará otra copia (tenga en cuenta que esto requiere un canal de transmisión bidireccional). Esto continúa hasta que se recibe y ensambla el archivo completo.