La conversión analógica-digital o
digitalización, consiste básicamente en realizar de forma periódica medidas de
la amplitud de la señal de entrada y traducirlas a un lenguaje numérico. La
conversión A/D también es conocida por el acrónimo inglés ADC (analogicto
digital converter).
COMPARACIÓN DE LAS SEÑALES
ANALÓGICA Y DIGITAL.
Una señal analógica es aquélla
que puede tomar una infinidad de valores (frecuencia y amplitud) dentro de un
límite superior e inferior. El término analógico proviene de análogo. Por
ejemplo, si se observa en un osciloscopio, la forma de la señal eléctrica en
que convierte un micrófono el sonido que capta, ésta sería similar a la onda
sonora que la originó.
En cambio, una señal digital es
aquélla cuyas dimensiones (tiempo y amplitud) no son continuas sino discretas,
lo que significa que la señal necesariamente ha de tomar unos determinados valores
fijos predeterminados en momentos también discretos. Estos valores fijos se
toman del sistema binario, lo que significa que la señal va a quedar convertida
en una combinación de ceros y unos, que ya no se parece en nada a la señal
original. Precisamente, el término digital tiene su origen en esto, en que la
señal se construye a partir de números (dígitos).
¿POR QUÉ DIGITALIZAR?
Ventajas de la señal digital
Ante la atenuación, la señal digital puede ser
amplificada y al mismo tiempo reconstruida gracias a los sistemas de
regeneración de señales.
Cuenta con sistemas de detección y corrección
de errores que se utilizan cuando la señal llega al receptor, entonces
comprueban la señal (uso de redundancia), primero para detectar algún error, y,
algunos sistemas, pueden luego corregir alguno o todos los errores detectados
previamente. Facilidad para el
procesamiento de la señal. Cualquier operación es fácilmente realizable a
través de cualquier software de edición o procesamiento de señales. La señal digital permite la multiregeneración
infinita sin pérdidas de calidad. Esta ventaja sólo es aplicable a los formatos
de disco óptico; la cinta magnética digital, aunque en menor medida que la
analógica (que sólo soporta como mucho 4 o 5 generaciones), también va
perdiendo información con la
multi regeneración. Inconvenientes de la señal digital La señal digital requiere mayor ancho de
banda para ser transmitida que la analógica. Se necesita una conversión
analógica-digital previa y una decodificación posterior, en el momento de la
recepción. La transmisión de señales
digital requiere una sincronización precisa entre los tiempos del reloj de
transmisor, con respecto a los del receptor. Un desfase cambia la señal
recibida con respecto a la que fue transmitida.
EL PROCESO DE CONVERSIÓN ANALÓGICO–DIGITAL
El proceso de conversión
analógico digital consta básicamente de 4 etapas: MuestreoCuantización Codificación Recodificación Digital-Digital para
transmisión
EL MUESTREO
El muestreo (en inglés, sampling)
consiste en tomar muestras periódicas de la amplitud de onda. La velocidad con
que se toman esta muestra, es decir, el número de muestras por segundo, es lo
que se conoce como frecuencia de muestreo y está en función del teorema de
Nyquist, que indica que la frecuencia de muestreo (fs) será el doble de la
frecuencia máxima (fm) de la señal a muestrear, por ejemplo, si tenemos una
señal de audio con un ancho de banda de 20 Hz a 22,500 Hz, su frecuencia máxima
sería fm =22,500 Hz, por lo tanto su frecuencia de muestreo sería:
LA CUANTIFICACIÓN
Básicamente, la cuantificación lo
que hace es convertir una sucesión de muestras de amplitud continua en una
sucesión de valores discretos preestablecidos según el código utilizado.
Durante el proceso de cuantificación se mide el nivel de tensión de cada una de
las muestras, obtenidas en el proceso de muestreo, y se les atribuye a un valor
finito (discreto) de amplitud, seleccionado
por aproximación dentro de un margen de niveles previamente fijado.
Los
valores preestablecidos para ajustar la cuantificación se eligen en función de
la propia resolución que utilice el código empleado durante la codificación. Si
el nivel obtenido no coincide exactamente con ninguno, se toma como valor el
inferior más próximo. En este momento, la señal analógica (que puede tomar
cualquier valor) se convierte en una señal digital, ya que los valores que
están preestablecidos, son finitos.
No
obstante, todavía no se traduce al sistema binario. La señal ha quedado
representada por un valor finito que durante la codificación, será cuando se
transforme en una sucesión de ceros y unos.
Así
pues, la señal digital que resulta tras la cuantificación es sensiblemente
diferente a la señal eléctrica analógica que la originó, por lo que siempre va
a existir una cierta diferencia entre ambas que es lo que se conoce como error
de cuantificación, que se produce cuando el valor real de la muestra no equivale a ninguno de los escalones
disponibles para su aproximación y la distancia entre el valor real y el que se
toma como aproximación es muy grande. Un error de cuantificación se convierte
en un ruido cuando se reproduzca la señal tras el proceso de decodificación
digital.
TIPOS DE CUANTIFICACIÓN
Para
minimizar los efectos negativos del error de cuantificación, se utilizan
distintas técnicas de cuantificación:
Cuantificación uniforme o lineal. Se utiliza
un bit rate constante. A cada muestra se le asigna el valor inferior más
próximo, independientemente de lo que ocurra con las muestras adyacentes. Cuantificación no uniforme o no lineal. Se
estudia la propia entropía de la señal analógica y se asignan niveles de
cuantificación de manera no uniforme (bit rate variable) de tal modo que, se
asigne un mayor número de niveles para aquellos márgenes en que la amplitud de
la tensión cambia más rápidamente.
Cuantificación logarítmica: Se hace pasar la señal por un compresor
logarítmico antes de la cuantificación. Como en la señal resultante la amplitud
del voltaje sufre variaciones menos abruptas la posibilidad de que se produzca
un ruido de cuantificación grande disminuye. Antes de reproducir la señal
digital, esta tendrá que pasa por un expansor.
Cuantificación vectorial En lugar de cuantificar las muestras obtenidas individualmente,
se cuantifica por bloques de muestras. Cada bloque de muestras será tratado
como si se tratara de un vector, de ahí, el nombre de esta tipología.
LA CODIFICACIÓN
La
codificación consiste en la traducción de los valores de tensión eléctrica
analógicos que ya han sido cuantificados (ponderados) al sistema binario,
mediante códigos preestablecidos. La señal analógica va a quedar transformada
en un tren de impulsos digital.
ASPECTOS GENERALES DE LA
CODIFICACIÓN
El
códec es el código específico que se utiliza para la codificación/decodificación
de los datos. Precisamente, la palabra Códec es una abreviatura de
Codificador-Decodificador. Parámetros
que definen el códec Número de canales: Indica el tipo de señal con que se va a
tratar: monoaural, binaural o multicanal
Frecuencia de muestreo: La frecuencia o tasa de muestreo se refiere a la
cantidad de muestras de amplitud tomadas por unidad de tiempo en el proceso de
muestreo. De acuerdo con el Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, la tasa de
muestreo sólo determinará el ancho de banda base de la señal muestreada, es
decir, limitará la frecuencia máxima de los componentes sinusoidales que forman
una onda periódica. De acuerdo con este teorema, y siempre desde la perspectiva
metemática, una mayor tasa de muestreo para una señal no debe interpretarse
como una mayor fidelidad en la reconstrucción de la señal. El proceso de
muestreo es reversible, lo que quiere decir que, desde el punto de vista
matemático, la reconstrucción se puede realizar en modo exacto (no aproximado).
La tasa de muestreo se determina multiplicando por dos el ancho de banda base
de la señal a muestrear y, añadiendo un margen (un 10% en CD-Audio, por
ejemplo) para contemplar las limitaciones prácticas de los filtros no ideales
(reales).
Resolución
(Número de bits): Determina la precisión con la que se reproduce la señal
original. Se suelen utilizar 8, 10, 16 o 24 bits por muestra. Mayor precisión a
mayor número de bits. Bit rate: El bit
rate es la velocidad o tasa de transferencia de datos. Su unidad es el bit por
segundo (bps). Pérdida: Algunos códecs al hacer la compresión eliminan cierta
cantidad de información, por lo que la señal resultante, no es igual a la
original (compresión con pérdidas).
EJEMPLOS DE CÓDEC
Codificación del sonido: Utiliza un tipo de códec
(código) específicamente diseñado para la compresión y descompresión de señales
de audio: el códec de audio CDA PAM
(Modulación de amplitud de pulsos). La frecuencia de la portadora debe ser al
menos mayor que el doble de la frecuencia de la señal moduladora. Realiza una
cuantificación lineal de la amplitud de la señal analógica. Actualmente, la
principal aplicación principal de una codificación PAM se encuentra en la
transmisión de señales, pues permite el multiplexado (enviar más de una señal
por un sólo canal). PCM (Pulse Code Modulated) cuya resolución es de 8 bits (1
byte. Utiliza la modulación PAM .
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