Codificador

En telecomunicaciones , un codificador es un dispositivo que transpone o invierte señales o de otro modo codifica un mensaje en el lado del remitente para hacer que el mensaje sea ininteligible para un receptor que no esté equipado con un dispositivo de descodificación configurado adecuadamente. Mientras que el cifrado generalmente se refiere a operaciones realizadas en el dominio digital , la codificación generalmente se refiere a operaciones realizadas en el dominio analógico . La codificación se logra mediante la adición de componentes a la señal original o el cambio de algún componente importante de la señal original para dificultar la extracción de la señal original. Ejemplos de esto último pueden incluir la eliminación o el cambio de pulsos de sincronización verticales u horizontales en señales de televisión; los televisores no podrán mostrar una imagen de dicha señal. Algunos codificadores modernos son en realidad dispositivos de cifrado , y el nombre se mantiene debido a las similitudes en el uso, en contraposición al funcionamiento interno.

En telecomunicaciones y grabación , un codificador (también conocido como aleatorizador ) es un dispositivo que manipula un flujo de datos antes de transmitirlo. Las manipulaciones son revertidas por un descodificador en el lado receptor. El codificador se usa ampliamente en satélites , comunicaciones por retransmisión de radio y módems PSTN . Un codificador se puede colocar justo antes de un codificador FEC , o se puede colocar después del FEC, justo antes de la modulación o el código de línea . Un codificador en este contexto no tiene nada que ver con el cifrado , ya que la intención no es hacer que el mensaje sea ininteligible, sino dar a los datos transmitidos propiedades de ingeniería útiles.

Un codificador reemplaza secuencias (denominadas secuencias blanqueadoras ) por otras secuencias sin eliminar secuencias no deseadas y, como resultado, cambia la probabilidad de ocurrencia de secuencias molestas. Claramente, no es infalible, ya que hay secuencias de entrada que producen secuencias de salida periódicas de todos ceros, todos unos u otras secuencias no deseadas. Por lo tanto, un codificador no es un buen sustituto de un código de línea , que, a través de un paso de codificación, elimina secuencias no deseadas.

Un codificador (o aleatorizador) puede ser:

1. Un algoritmo que convierte una cadena de entrada en una cadena de salida aparentemente aleatoria de la misma longitud (por ejemplo, seleccionando de forma pseudoaleatoria bits para invertir), evitando así secuencias largas de bits del mismo valor; en este contexto, un aleatorizador también se conoce como codificador.
2. Una fuente analógica o digital de bits de salida impredecibles (es decir, de alta entropía), no sesgados y, por lo general, independientes (es decir, aleatorios). Se puede utilizar un generador "realmente" aleatorio para alimentar un generador de números aleatorios pseudoaleatorios determinista (más práctico) , que amplía el valor de semilla aleatorio .

Hay dos razones principales por las que se utiliza la codificación:

• Permite la recuperación precisa de la temporización en el equipo receptor sin recurrir a una codificación de línea redundante. Facilita el trabajo de un circuito de recuperación de temporización (véase también recuperación de reloj ), un control automático de ganancia y otros circuitos adaptativos del receptor (eliminando secuencias largas que constan únicamente de '0' o '1').
• Para la dispersión de energía en la portadora, reduciendo la interferencia de señales entre portadoras . Elimina la dependencia del espectro de potencia de una señal de los datos reales transmitidos, haciéndolos más dispersos para cumplir con los requisitos de máxima densidad espectral de potencia (porque si la potencia se concentra en una banda de frecuencia estrecha, puede interferir con canales adyacentes debido a la intermodulación (también conocida como modulación cruzada) causada por no linealidades del tracto receptor).

Los codificadores son componentes esenciales de los estándares de los sistemas de capa física , además de la codificación intercalada y la modulación . Por lo general, se definen en función de los registros de desplazamiento con retroalimentación lineal (LFSR) debido a sus buenas propiedades estadísticas y a su facilidad de implementación en hardware.

Es común que los organismos de normalización de la capa física también se refieran al cifrado de capa inferior (capa física y capa de enlace ) como codificación. ^{[1] [2]} Esto puede deberse a que los mecanismos (tradicionales) empleados también se basan en registros de desplazamiento de retroalimentación.

Algunos estándares para televisión digital , como DVB-CA y MPE , se refieren al cifrado en la capa de enlace como codificación.

Los codificadores aditivos (también denominados síncronos ) transforman el flujo de datos de entrada aplicando una secuencia binaria pseudoaleatoria (PRBS) (mediante la adición de módulo dos). A veces se utiliza una PRBS precalculada almacenada en la memoria de solo lectura , pero lo más frecuente es que se genere mediante un registro de desplazamiento de retroalimentación lineal (LFSR).

Para asegurar un funcionamiento sincrónico del LFSR de transmisión y recepción (es decir, el codificador y el decodificador ), se debe utilizar una palabra de sincronización .

Una palabra de sincronización es un patrón que se coloca en el flujo de datos a intervalos iguales (es decir, en cada cuadro ). Un receptor busca algunas palabras de sincronización en cuadros adyacentes y, por lo tanto, determina el lugar en el que su LFSR debe recargarse con un estado inicial predefinido .

El descifrador aditivo es exactamente el mismo dispositivo que el descifrador aditivo.

El descifrador/descifrador aditivo se define por el polinomio de su LFSR (para el descifrador de la imagen de arriba, es ) y su estado inicial .${\displaystyle 1+z^{-14}+z^{-15}}$

Los aleatorizadores multiplicativos (también conocidos como feed-through ) se denominan así porque realizan una multiplicación de la señal de entrada por la función de transferencia del aleatorizador en el espacio Z. Son sistemas discretos lineales invariantes en el tiempo . Un aleatorizador multiplicativo es recursivo y un desaleatorizador multiplicativo no es recursivo. A diferencia de los aleatorizadores aditivos, los aleatorizadores multiplicativos no necesitan la sincronización de cuadros, por eso también se los llama autosincronizantes . El aleatorizador/desaleatorizador multiplicativo se define de manera similar mediante un polinomio (para el aleatorizador en la imagen es ), que también es una función de transferencia del desaleatorizador.${\displaystyle 1+z^{-18}+z^{-23}}$

Los codificadores tienen ciertas desventajas:

• Ambos tipos pueden no poder generar secuencias aleatorias en las peores condiciones de entrada.
• Los descifradores multiplicativos conducen a una multiplicación de errores durante la descifración (es decir, un error de un solo bit en la entrada del descifrador dará como resultado w errores en su salida, donde w es igual al número de tomas de retroalimentación del descifrador).
• Los codificadores aditivos deben reiniciarse mediante la sincronización de tramas; si esto falla, se producirá una propagación masiva de errores, ya que no se puede descodificar una trama completa. (Alternativamente, si sabe qué se envió, el codificador se puede sincronizar)
• La longitud efectiva de la secuencia aleatoria de un modificador aditivo está limitada por la longitud del cuadro, que normalmente es mucho más corta que el período del PRBS. Al agregar números de cuadro a la sincronización de cuadros, es posible extender la longitud de la secuencia aleatoria, al variar la secuencia aleatoria de acuerdo con el número de cuadro.

Los primeros codificadores de voz se inventaron en los Laboratorios Bell en el período inmediatamente anterior a la Segunda Guerra Mundial . Estos equipos consistían en dispositivos electrónicos que podían mezclar dos señales o, alternativamente, "restar" una señal. Las dos señales eran proporcionadas por un teléfono y un tocadiscos . Se producía un par de discos coincidentes, cada uno con la misma grabación de ruido . La grabación se reproducía en el teléfono y la señal mezclada se enviaba por el cable. Luego, el ruido se eliminaba en el otro extremo utilizando el disco coincidente, dejando intacta la señal de voz original. Los fisgones oirían solo la señal ruidosa, sin poder entender la voz.

Uno de ellos, utilizado (entre otras funciones) para conversaciones telefónicas entre Winston Churchill y Franklin D. Roosevelt, fue interceptado y descifrado por los alemanes . Al menos un ingeniero alemán había trabajado en Bell Labs antes de la guerra y se le ocurrió una forma de descifrarlos. Las versiones posteriores eran lo suficientemente diferentes como para que el equipo alemán no pudiera descifrarlas. Las primeras versiones se conocían como "A-3" (de AT&T Corporation ). Un dispositivo no relacionado llamado SIGSALY se utilizó para comunicaciones de voz de alto nivel.

El ruido se generaba en discos fonográficos de goma laca de gran tamaño , fabricados en pares, que se enviaban según fuera necesario y se destruían después de su uso. Esto funcionaba, pero era enormemente complicado. Lograr la sincronización de los dos discos resultaba difícil. La electrónica de posguerra hizo que fuera mucho más fácil trabajar con estos sistemas al crear un ruido pseudoaleatorio basado en un tono de entrada corto. En uso, la persona que llamaba reproducía un tono en el teléfono y ambas unidades de codificación escuchaban la señal y se sincronizaban con él. Sin embargo, esto proporcionaba una seguridad limitada, ya que cualquier oyente con un conocimiento básico de los circuitos electrónicos a menudo podía producir una máquina con configuraciones lo suficientemente similares como para interrumpir las comunicaciones.

Fue la necesidad de sincronizar los codificadores lo que le sugirió a James H. Ellis la idea del cifrado no secreto , que en última instancia condujo a la invención tanto del algoritmo de cifrado RSA como del intercambio de claves Diffie-Hellman mucho antes de que cualquiera de ellos fuera reinventado públicamente por Rivest , Shamir y Adleman , o por Diffie y Hellman .

Los codificadores más modernos no son codificadores en el sentido estricto de la palabra, sino más bien digitalizadores combinados con máquinas de cifrado. En estos sistemas, la señal original se convierte primero en forma digital y luego los datos digitales se cifran y se envían. Con los modernos sistemas de clave pública , estos "codificadores" son mucho más seguros que sus homólogos analógicos anteriores. Sólo este tipo de sistemas se consideran lo suficientemente seguros para los datos sensibles.

La codificación por inversión de voz puede ser tan simple como invertir las bandas de frecuencia alrededor de un punto estático o utilizar varios métodos complejos para cambiar el punto de inversión de forma aleatoria y en tiempo real y utilizando múltiples bandas.

Los "codificadores" que se utilizan en la televisión por cable están diseñados para evitar el robo casual de señales, no para proporcionar una seguridad real. Las primeras versiones de estos dispositivos simplemente "invertían" un componente importante de la señal de TV, volviéndolo a invertir en el extremo del cliente para su visualización. Los dispositivos posteriores eran apenas un poco más complejos, filtraban ese componente por completo y luego lo añadían examinando otras partes de la señal. En ambos casos, cualquier aficionado con conocimientos razonables podía construir fácilmente los circuitos (véase Codificación de televisión ) .

Los proveedores de equipos electrónicos para codificación y decodificación están disponibles para aficionados. Los entusiastas de los escáneres suelen utilizarlos para escuchar comunicaciones codificadas en carreras de coches y algunas transmisiones de servicio público. También es común en las radios FRS . Esta es una forma sencilla de aprender sobre codificación.

El término "scrambling" a veces se utiliza incorrectamente cuando en realidad se hace referencia a "jamming " .

En el contexto de la televisión por cable, la decodificación es el acto de tomar una señal de video codificada o encriptada que ha sido proporcionada por una compañía de televisión por cable para servicios de televisión premium , procesada por un decodificador y luego suministrada a través de un cable coaxial y enviada al hogar donde un decodificador reprocesa la señal, decodificando así la señal y poniéndola a disposición para su visualización en el televisor . Un decodificador es un dispositivo que restaura la imagen y el sonido de un canal codificado. Un decodificador debe usarse con un decodificador de cable para poder desencriptar todos los canales premium y de pago por visión de un sistema de televisión por cable.

• [1] Estructura de trama DVB , codificación de canal y modulación para servicios satelitales de 11/12 GHz (EN 300 421)
• Recomendación UIT-T V.34
• Norma de estación terrestre Intelsat IESS-308
•  Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de MIL-STD-188 ).