Codificación de la Información

Transcripción

1 Introducción Debido al incremento de las necesidades de intercambio de información en todos los sectores, los servicios de telecomunicación han ido apareciendo y creciendo para satisfacer tan alta demanda. En consecuencia, se ha hecho necesaria la aparición de distintos sistemas de transmisión y almacenamiento, y su mejora en eficacia (fiabilidad) y eficiencia (mayor velocidad, menor potencia, menor ancho de banda, entre otros). La tarea de las fuentes de codificación es representar la información con el mínimo numero de símbolos. Cuando un código se transmite sobre un canal ante la presencia de ruido, se presentaran errores. La tarea de la codificación del canal es representar la información de manera que se minimice la probabilidad de error en la decodificación. Se nota que la codificación del canal requiere el uso de redundancia. Si todas las salidas posibles del canal corresponden unívocamente a una fuente de entrada, no existe posibilidad de detectar errores en la transmisión. Para detectarlos, y posiblemente corregir errores, la secuencia de codificación debe ser mas larga que la secuencia original. Codificación de señales (procesos de digitalización) Es un procedimiento utilizado muy frecuentemente en la actualidad, en el que ante una serie de señales de tipo analógico se transcriben en señales de tipo digital. De modo que de esta manera se facilita su procesamiento posterior, y también se mejoran las características físicas de la misma. Es decir, una señal analógica es muy sensible frente a alteraciones de posibles interferencias, esto se debe a que la señal original (analógica) es muy difícil de recuperar ya que los valores que pueden tener esta señal pueden ser infinitos. Si la comparamos con una señal digital (ondas alternas pulsantes) que tiene un número determinado de posibles valores (en el caso de una señal binaria tendría dos posibles valores). Este hecho permite que la recuperación de valores en una señal digital sea más sencilla, y por tanto se pueda utilizar para comunicaciones en largas distancias. En este procedimiento podemos destacar tres fases bien diferenciadas: Muestreo, cuantificación y codificación (la veremos en detalle). Muestreo : Consiste en la toma de muestras de la amplitud de la señal de entrada (analógica). Un parámetro muy importante en este proceso en el número de muestras por segundo (frecuencia de muestreo). Cuantificación : Consiste en evaluar el valor de cada una de las muestras, de modo que se asigna uno de los posibles valores de la señal digital resultante a cada de las muestras. El proceso de cuantificación provoca el ruido de cuantificación, provocado por el recorte del número de posibles valores de la señal analógica a la señal digital. Codificación : Consiste en traducir los valores obtenidos en el proceso de cuantificación (ya son valores digitales) al sistema binario, mediante la utilización de una serie

2 de códigos preestablecidos. De este modo al finalizar este procedimiento, se obtiene la deseada señal digital equivalente a la inicial analógica. Codificación digital unipolar Es el tipo de codificación más sencillo y está casi en desuso. Se basa en codificar una única polaridad, tal y como su nombre indica. De modo que normalmente un valor binario igual a uno supone un valor en la señal de salida igual a uno, y un valor igual a cero suponer un valor cero en la señal de salida (nivel de reposo). Codificación digital polar Este es el tipo de codificación más utilizado en la actualidad. Se basa en codificar dos polaridades (una positiva y otra negativa) para la representación de la información binaria. Podemos encontrar la siguiente clasificación de codificación polar: Codificación digital polar NRZ Se caracteriza por que la señal siempre tiene un valor positivo o negativo. Podemos diferenciar claramente dos tipos:

3 NRZ-L: El valor de la señal depende del valor del bit deseado. Normalmente si el bit tiene un valor uno la señal tendrá nivel positivo, si tiene un valor cero la señal tendrá nivel negativo. NRZ-I: El valor de la señal no depende directamente del valor del bit actual, de modo que un valor uno de la señal provocará un cambio de nivel en la señal de salida, mientras que un valor cero no provoca ningún cambio. De este modo el valor no solo depende del bit actual sino también del bit anterior. Si comparamos ambos tipos podemos llegar a la conclusión de que es mejor el tipo NRZ-L, ya que incorpora una sincronización implícita basada en el cambio de nivel de la salida producida por un valor uno. De modo que tiene una mayor fiabilidad. Codificación digital polar RZ Se caracteriza por la utilización de tres posibles niveles en la señal de salida (positivo, negativo y cero). Un bit uno se representa con el cambio de nivel positivo a cero, y el cero con el cambio de nivel negativo a positivo. Cada una de las transacciones se producen en la mitad del intervalo, tal y como puede observarse en la siguiente figura. Este tipo de codificación permite además incorporar un procedimiento de sincronización, utilizando las transiciones generadas en la mitad de los intervalos. Codificación digital polar Bifásica Es la mejor solución en relación al problema de la sincronización. Se basa en realizar un cambio de polaridad en medio del intervalo, no un retorno a cero, sino que continua en el polo opuesto. Estas

4 transiciones a mitad de intervalo permiten la sincronización, tal y como ocurría en el RZ. Tenemos dos tipos: Mánchester y Mánchester diferencial. Manchester: Usa la transición a mitad de intervalo para representar información y para sincronizar. Un uno binario se representa con una transición de negativo a positivo, un cero binario con una transición de positivo a negativo. Este tipo de codificación obtiene el mismo nivel de sincronización que RZ pero con dos valores de amplitud. Manchester diferencial: Usa la transición a mitad de intervalo para la sincronización, para representar información la ausencia o existencia de transición a inicio de un intervalo. Una transición inicial significa un cero binario, mientras que la ausencia de la misma se corresponde con un uno binario. Codificación digital bipolar Se basa en la utilización de tres posibles niveles (positivo, negativo y cero). El nivel cero se utiliza para representar el valor cero binario, los niveles negativo y positivo se utilizan para representar el valor uno binario de forma alternada, es decir, para representar dos unos consecutivos o no, se utilizará un nivel positivo y a continuación (cuando tengamos que representar el siguiente uno binario) uno negativo. Bipolar con inversión de marca alternada (AMI) Es la codificación bipolar más sencilla. El cero binario se representa con el nivel cero, y los unos binarios se representan con la alternancia de los niveles positivos y negativos. Tiene problemas de sincronización ante largas secuencias de ceros consecutivos.

5 Bipolar con sustitución de ocho ceros (B8ZS) Se basa en el AMI pero solucionando los problemas de sincronización para largas secuencias de ceros, de forma que funciona de forma idéntica a AMI bipolar, la diferencia se constata ante largas secuencias de ceros (8 o más consecutivos) en las que se fuerza un cambio artificial en la señal. Cada vez que hay una sucesión de ocho ceros se introducen cambios basándonos en la polaridad del bit uno anterior. Se acompañan dos ejemplos a y b. Bipolar de alta densidad HDB3 Se basa en AMI, pero introduce cambios, de modo que cuando se encuentren cuatro ceros consecutivos se introducirán cambios en el patrón (en B8ZS hay que esperar ocho ceros consecutivos). Hay que tener en cuenta que si la polaridad del bit anterior era positiva, la violación tomará un valor positivo. Si por el contrario la polaridad era negativa, entonces tomará su correspondiente valor negativo. Codificación de caracteres Con la codificación de caracteres nos referimos a la metodología a seguir para realizar la conversión de un carácter de un lenguaje natural, de un alfabeto, en un elemento de otro sistema de representación, como por ejemplo podría ser una secuencia de unos y ceros, una secuencia de impulsos de índole eléctrica Todo ello con la finalidad de facilitar el almacenamiento de caracteres (texto) o para por ejemplo facilitar el envió de texto a través de las diversas redes de comunicaciones. En una codificación de caracteres de n bits lo que se realiza es separar cada una de las posibles combinaciones de esos n bits, y asignar a cada una de esas combinaciones uno de los posibles caracteres, de modo que por cada combinación únicamente pueda haber un único carácter asociado. De modo que puede ser considerada como una tabla de traducción de caracteres a bit y viceversa.

6 Tipos de codificación Hoy en día existen una gran cantidad de normas de codificación o tipos de codificación, de entre todos los existentes se detallarán los más utilizados, como pueden ser el ASCII, ASCII extendido y el Unicode. ASCII Sus siglas se corresponden con American Standard Code for Information Interchange, es decir Código Estadounidense Estándar para el Intercambio de Información. Está basado en el alfabeto latino como el que se utiliza en inglés. Este código utiliza siete bits para representar la información, en algunas ocasiones se puede añadir un bit adicional para detectar errores en las transmisiones, esto se debe a que en el momento de introducir el sistema de codificación ASCII muchos ordenadores únicamente podían trabajar con octetos de bits (bytes), por lo que para poder compatibilizar este sistema se añadió este bit de paridad para detectar errores de transmisión. Los ordenadores que no utilizaban este bit de paridad finalmente le añadían un valor fijo con el fin de compatibilidad con esto otros anteriores. En resumen, es un código de codificación con una capacidad de 7 bits (en base decimal de 0 a 127 posibles caracteres) y utiliza 8 bits para su representación por los motivos de compatibilidad nombrados anteriormente. Prácticamente todos los sistemas actuales utilizan el sistema de codificación ASCII o alguna extensión de éste. ASCII extendido Debido a las limitaciones del sistema ascii (por ejemplo para lenguas distintas del inglés, como el español o para contextos matemáticos en los que hacen falta letras griegas) surgen diversas extensiones del código ascii. Estas extensiones usan ocho bits para realizar la codificación, de modo que surgen diversos códigos extendidos que sirven cada uno de ellos para un conjunto de lenguas que tienen caracteres en común. Es decir, con ocho bits no se pueden codificar todos los caracteres de todas las lenguas del mundo, y por lo tanto no consigue resolver el problema de forma unificada. Una codificación ASCII extendida está compuesta por: Caracteres de los códigos 32 a 126 de la codificación ASCII. Coincide con los caracteres

7 imprimibles de ASCII. Caracteres de los códigos 8 a 13 de la codificación ASCII. Son los caracteres llamados comúnmente de espacio. Inclusión de caracteres adicionales, van desde el código 128 al 255 del ASCII extendido. De modo que se añaden caracteres :imprimibles adicionales a los incluidos en el ASCII tradicional. Entre las codificaciones ASCII extendido más comunes podemos encontrar: Página de códigos 437 (usual en versiones en inglés). Página de códigos 850 (usual en versiones de Europa occidental. Latin-1 (típico de Unix). Unicode Es un ambicioso estándar de codificación cuyo objetivo es proporcional el medio mediante el cual es posible la representación de textos en cualquier idioma del mundo, resolviendo la problemática existente con el resto de sistemas de codificación que existían hasta ese momento. De este modo Unicode se ha vuelto el sistema de codificación con el esquema de codificación más potente, siendo por tanto el dominante en el plano internacional de compatibilidad entre idiomas en el software. El estándar se basa en un conjunto de tecnologías de reciente creación, como son xml, java y los sistemas operativos modernos. Unicode por el momento se ha mostrado como la metodología a seguir para codificar cada uno de los posibles caracteres del mundo en su correspondiente código único. El almacenamiento de toda esta información es otra cosa muy distinta, por lo que ha dado lugar a diversas codificaciones Unicode. El problema principal surge de la incapacidad de multitud de software escrito de utilizar codificación diferente de ocho bits, por lo que hace imposible superar la barrera de los 256 códigos sin un procesamiento previo. El software de 16 bits permite una codificación de algo más de códigos, mientras que el número de caracteres definidos por Unicode son más de Este hecho hace que surjan diversos mecanismos de implementación de Unicode. Unicode define dos métodos de implementación del sistema:

8 Codificación UTF (Formato de Transformación Unicode). Codificación UCS (Juego de Caracteres Universal). Dentro de ellas podemos encontrar: UTF-7, codificación de 7 bits muy poco usada. Se suele considerar obsoleta. UTF-8, codificación de 8 bits de longitud variable. UCS-2, codificación de 16 bits de longitud fija, permite únicamente la utilización de la Plana Básica Multilenguaje. UTF-16, codificación de 16 bits de longitud variable. UCS-4 y UTF-32, codificaciones de 32 bits de longitud fija, tienen igual funcionamiento. Los nombres de las codificaciones UTF se acompañan con un número que indica el número de bits utilizados, en las UCS se acompaña el número de bytes. El UTF-8 es la codificación más utilizada para la escritura basada en caracteres latinos, siendo compatible con ASCII. Además se está haciendo muy popular en internet debido a que contiene todos los caracteres necesarios para la representación HTML del código de una página. Codificación cuántica Lo más cercano que nos podemos encontrar a un sistema cuántico de codificación, es el sistema creado por las Universidades de Harvard y Boston, que utiliza partículas de luz (fotones), en vez de claves para la representación de la información. En un futuro, se piensa que la codificación cuántica, podría reemplazar el sistema de codificación actual para poder proteger el tráfico de información en internet. Poco a poco esta tecnología es una tecnología más de un presente cercano, que de un futuro, sus aplicaciones serán muy parecidas a las del laser, donde al principio la gente, no imaginaba todas sus posibles aplicaciones y usos. El hecho de que las partículas subatómicas pueden existir en estados múltiples simultáneamente, hasta el momento en que algo interactúa con ellas, depende de un descubrimiento determinante en la física. Este proyecto consta de una financiación de 3 millones de euros donados por DARPA, aunque también existen empresas privadas con sedes en Nueva York (MaqiQTechnologies) que ya están comercializando el producto. La compañía que creó la red anterior a Internet (ARPANET), denominada la BBN, ha estado transmitiendo claves cuánticas desde hace años. La codificación cuántica tiene sus raíces en el sistema que empleaban los espías en la Segunda Guerra Mundial (series idénticas de números al azar, donde el código solo se podía descifrar si el receptor tenia la misma página de claves que el emisor, donde cada página de claves solo se podía utilizar una vez para conseguir mayor seguridad). En una red cuántica, un laser separa fotones individuales y estos fotones son enviados a un modulador, este los canaliza a la red a través de un cable de fibra óptica, donde estos fotones indicaran una unidad mínima de información si son largos, y uno más breves indicaran una unidad diferente. En el otro lado, el receptor cuenta con otro dispositivo que acepta los fotones y los reconoce. Si las secuencias coinciden, las claves se almacenan y se emplean para descodificar la información enviada. Lo interesante de la codificación cuántica, es que si por ejemplo, alguien utiliza un foto detector para

9 intentar leer el código, lo perturba, e inutiliza el código y se alerta a la red de la incidencia de intento de intrusión. El científico Myers, dijo que es prematuro saber como resultara, pero que con el tiempo, podría tener una gran aplicación comercial, pero que de momento es costoso y la complejidad lo limita a organizaciones de los estados. Como conclusión, se puede decir, que si se desarrolla una supercomputadora cuántica, no existirían limitaciones para descifrar fácilmente las codificaciones que existen hoy en día. Métodos avanzados de codificación Compresión de datos La compresión de datos se basa en la disminución del volumen de información tratable, ya sea para su transmisión o procesamiento posterior. Básicamente, se pretende procesar la información para que, empleando la menor cantidad posible de espacio, el contenido sea equivalente al tomado inicio del procedimiento. Esto permite ahorrar espacio de almacenamiento y disminuir el tiempo de transferencia de datos. De modo que podemos definir la compresión de datos como una recodificación de una codificación existente con anterioridad, es decir vamos a realizar una nueva recodificación con el objetivo de reducir el volumen de información resultante. Estas técnicas de recodificación suelen ser muy complejas debido a que se centran en fuertes teorías matemáticas. Podemos definir el espacio que ocupa una información codificada sin técnicas de compresión, como el cociente entre la frecuencia de muestreo y su resolución. Es decir, mientras más bits se utilicen mayor será el tamaño del archivo resultante. El valor de la resolución no puede alterarse a la voluntad, ya que depende del sistema digital con el que se trabaje, con ese motivo se usa la compresión, para transmitir la misma cantidad de información que contendría una alta resolución, pero utilizando un menor número de bits, un menor tamaño total. El funcionamiento básico de las técnicas de compresión se fundamentan en la búsqueda de series o repeticiones de datos, para eliminar toda la información no deseada (redundancia). En la realidad, el proceso a seguir en las técnicas de compresión no es tan trivial, es bastante complejo. A la hora de comprender los procesos de compresión son necesarios tener claros una serie de conceptos como son: Redundancia : Todos los datos que son previsibles o repetitivos. Entropía : La diferencia entre la cantidad total de datos (inicial) y la cantidad de información redundante. Es decir, es la información que no se puede eliminar a simple vista. Podemos clasificar la información utilizada durante el proceso en torno a tres tipos: Redundante : Es la información repetitiva o predecible. Irrelevante : Información que no se puede apreciar y por tanto, su eliminación no afecta a la comprensión total de la información. Básica : Es la información que no se puede eliminar, son los datos que nos importan

10 realmente. Si nos basamos en los tipos de información descritos anteriormente, una compresión puede realizarse con pérdida de información ( utilizada sobre todo en archivos de imágenes o sonidos, de modo que esa pérdida de información no afecta de forma relevante o bien el error producido es tolerable), o bien sin pérdida (utilizada en información que no puede ser degrada, como por ejemplo archivos de texto). Compresión con pérdida (lossy compression) Método de compresión que permite generar tasas de reducción bastante elevadas (mejores que los métodos sin pérdida), ya que se centra en la eliminación de información no necesaria para una buena comprensión de la información, de modo que el error obtenido en la mayoría de los casos es aceptable. Suele utilizarse sobre documentos multimedia (audio, video, imagen), de modo que la pérdida de calidad puede ser más o menos aceptable. Utilizando esta técnica podríamos por ejemplo, en un archivo de audio, realizar una reducción de una decima parte sobre la original, sin que el oído humano note la diferencia. En un archivo de tipo imagen también puede obtenerse un buen grado de compresión, pero la pérdida de calidad se aprecia más rápidamente por el ojo humano. Con respecto a los archivos de video también se logra una buena relación de compresión, en torno a 1/300 sobre el original. Esta metodología de compresión con pérdida se basa en la percepción humana, de modo que su objetivo es la eliminación de toda aquella información no relevante para la percepción humana. A continuación se acompaña una lista con los sistemas de compresión con pérdida más usuales: Compresión de imágenes con pérdida de calidad Compresión por fractal JPEG JPEG 2000 Compresión Wavelet JBIG2 Cartesian Perceptual Compression (CPC) DjVu ICER HAM Compresión de videos/animación con pérdida de calidad Flash MNG Motion PEG H.261 H.263 MPEG, MPEG-1 Part 2, MPEG-2 Part 2 MPEG-4 Part 2, H.264/MPEG-4 AVC Ogg Theora Sorenson video codec

11 VC-1 Compresión de música con pérdida de calidad AAC ADPCM ATRAC Dolby AC-3 MP2 MP3 Musepack Ogg Vorbis WMA Compresión de voz con pérdida de calidad CELP G.711 G.726 Harmonic and Individual Lines and Noise (HILN) AMR (usado en celulares GSM como los T-Mobile) Speex Compresión sin pérdida (lossless compression) Método de compresión en la que se información recuperada del proceso de compresión es idéntica a la inicialmente utilizada en el proceso, de modo que se recupera de forma íntegra, sin margen de error existente. Este tipo de compresión se utiliza cuando se desea comprimir información que contiene datos que no pueden ser degradados, como por ejemplo documentos de texto, ejecutables Los algoritmos de compresión sin pérdida pueden ser utilizados para comprimir cualquier tipo de información, aunque con algunos de estos tipos no se alcance un ratio de compresión muy elevado. En general, los archivos de texto se pueden comprimir muy bien, en cambio los archivos multimedia no alcanzan un elevado ratio. Los algoritmos pueden ser clasificados por los tipos de datos para los que fueron diseñados. Tenemos tres tipos principales: texto, imagen y sonido. A continuación se acompaña una lista de los algoritmos sin pérdida más utilizados actualmente. Propósito general RLE LZW Deflate Compresión de audio sin pérdida de calidad

12 Apple Lossless - ALAC Direct Stream Transfer - DST Free Lossless Audio Codec - FLAC Meridian Lossless Packing - MLP Monkeys Audio - Monkeys Audio APE RealPlayer - RealAudio Lossless Shorten - SHN TTA - True Audio Lossless WavPack - WavPack lossless WMA Sin pérdida - Windows Media Lossless Compresión gráfica sin pérdida de calidad ABO - Adaptive Binary Optimization GIF - (sin pérdida de calidad, pero su paleta de colores es limitada) PNG - Portable Network Graphics JPEG-LS - (versión JPEG sin pérdida de calidad) JPEG (incluye un método sin pérdida de calidad) JBIG2 - (posee tanto con pérdida y sin pérdida) TIFF WMPhoto - (incluye compresión sin pérdida) Compresión de video sin pérdida de calidad Fuente: Huffyuv SheerVideo CorePNG MSU Lossless Video Codec Animation codec Lagarith H.264/MPEG-4 AVC

13 Conversión Señales Análogas y Discretas Conversión Analógica Digital (CAD). La operación que permite expresar una propiedad o atributo físico en forma numérica es precisamente la medida. La noción de Magnitud está inevitablemente relacionada con la de medida. Se denominan magnitudes a ciertas propiedades o aspectos observables de un sistema físico que pueden ser expresados en forma numérica. En otros términos, las magnitudes son propiedades o atributos medibles. La longitud, la masa, el volumen, la fuerza, la velocidad, la cantidad de sustancia son ejemplos de magnitudes físicas. La sinceridad o la amabilidad no son magnitudes, se trata de aspectos cualitativos porque indican cualidad y no cantidad. Las magnitudes varían con el Tiempo en forma continua, como la distancia, la temperatura, la velocidad, etc., que podrían variar muy lento o muy rápido. Estas son muy difíciles de almacenarlas, manipularlas, compararlas, calcular y recuperar información con exactitud, en cambio si esta información analógica se convierte a información digital, se podría manipular sin problema. Antecedentes Con la creación del hombre, surge la tecnología digital (computadoras, por ejemplo), y con estas se pueden hacer tareas muy rápidamente, muy exactas, muy precisas y sin detenerse. La electrónica moderna usa tecnología digital para realizar muchas funciones que antes desempeñaba la electrónica analógica. Un ejemplo muy evidente es el hecho de que la música actualmente se graba en discos compactos (CD), que previamente ha sido convertida a formato digital del original que es el formato analógico. El equipo creado para reproducir la música grabada de esta manera está llena de circuitos lógicos digitales. A diferencia, los Discos de acetato (los discos de 45 r.p.m. y L.P. de color negro) utilizaban una aguja que recorría los surcos en el disco para poder reproducir la música grabada en forma analógica. Señal analógica Una señal analógica es aquella cuya magnitud (por ejemplo tensión de una señal que proviene de un Transductor y Amplificador) puede tomar en principio cualquier valor, esto es, su nivel en cualquier muestra no está limitado a un conjunto finito de niveles predefinidos como es el caso de las señales cuantificadas, lo que significa que sufre una variación continua en amplitud a lo largo del tiempo. 1. Onda sonora con intensidad, tono, timbre y frecuencia determinada. 2. Micrófono.

14 3. Onda eléctrica analógica después de convertida en impulsos por el micrófono. 4. Salida de la señal eléctrica de audio frecuencia para ser grabada o amplificada localmente. Esto no quiere decir que se traten, en la práctica, de señales de infinita precisión (un error muy extendido) las Señales analógicas reales tienen todas un ruido que se traduce en un intervalo de incertidumbre. Esto quiere decir que obtenida una muestra de una señal analógica en un instante determinado, es imposible determinar cuál es el valor exacto de la muestra dentro de un intervalo de incertidumbre que introduce el ruido. Por ejemplo, se mide 4, Volt pero el nivel de esa muestra de la señal de interés puede estar comprendido entre 4,35 Volt y 4,36 Volt y no es físicamente posible determinar ésta con total precisión debido a la naturaleza estocástica del ruido. Sólo el más puro azar determina qué valores se miden dentro de ese rango de incertidumbre que impone el ruido. Señal digital En cambio, una señal digital es aquella 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. La información digital, ya que es bastante difícil encontrarla en la naturaleza y, posiblemente los pocos pasos que encontremos pueden llevar a confusión. Sin embargo, podemos poner como ejemplos lleno y vacío, vida y muerte, que son valores perfectamente diferenciados y solo admiten un numero finito de estados en un intervalo finito de tiempo. Siguiendo con los ejemplos de diferenciación entre lo analógico y lo digital, podemos mencionar los relojes que, como bien sabemos, pueden pertenecer a una u otra familia. Así, los analógicos se caracterizan por su capacidad de reflejar los infinitos valores del variable tiempo en su recorrido. De manera que para un intervalo finito de tiempo él numero de valores que se han visualizado es infinito. Los Relojes digitales nos darán un número determinado de valores que, dependiendo de la precisión del reloj, será diferente. Si por ejemplo, únicamente tiene horas y minutos en un intervalo de sesenta segundos, solo nos visualizara dos valores: el anterior y el siguiente a este. Si, por el contrario, el reloj tuviera también segundos en el mismo intervalo que el anterior, nos mostraría 61 valores. De este modo comprobamos que, según la precisión del reloj, tendremos más o menos cantidad de valores visualizados. Por lo tanto, la información digital es una forma práctica de reflejar el comportamiento de la naturaleza de una manera sencilla. El proceso de lo que sí estamos seguros, es de los relojes digitales siempre tendrán un numero finito de valores en un intervalo de tiempo completo. Ventajas de la Señal Digital Cuando una señal digital es atenuada o experimenta perturbaciones leves, puede ser reconstruida y amplificada mediante 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 (uso de redundancia) la señal, primero para detectar algún error, y, algunos sistemas, pueden luego corregir alguno o todos los errores detectados

15 previamente. Facilidad para el procesamiento de la señal. Cualquier operación es fácilmente realizable a través de cualquier software de edición o procesamiento de señal. La señal digital permite la multigeneración infinita sin pérdidas de calidad. Es posible aplicar técnicas de compresión de datos sin pérdidas o técnicas de compresión con pérdidas basados en la Codificación perceptual mucho más eficientes que con señales analógicas. Desventajas de la Señal Digital Se necesita una conversión analógica-digital previa y una Decodificación posterior, en el momento de la recepción. El un número suficientes de niveles de Cuantificación en el proceso de digitalización influye en la relación señal a ruido. Se hace necesario emplear siempre un filtro activo analógico pasa bajo sobre la señal a muestrear con objeto de evitar el fenómeno conocido como aliasing, que podría hacer que componentes de Frecuencia fuera de la banda de interés quedaran registrados como componentes falsos de frecuencia dentro de la banda de interés. Conversión Analógica-Digital (CAD) Conversión analógica-digital consiste básicamente en realizar de forma periódica medidas de la amplitud (por ejemplo la tensión que proviene de un micrófono si se trata de registrar sonidos, de un sismógrafo si se trata de registrar vibraciones o de una sonda de un osciloscopio para cualquier nivel variable de interés) de una señal, redondear sus valores a un conjunto finito de niveles preestablecidos de tensión (conocidos como niveles de cuantificación) y registrarlos como números enteros en cualquier tipo de memoria o soporte. El circuito integrado, conversor analógico En la imagen vemos un conversor analógico digital de 4 niveles por comparación directa de la señal de entrada con cuatro tensiones de referencia obtenidas mediante un divisor resistivo. Conversión analógico - digital, es el componente básico para que un ordenador, por ejemplo en un proceso de control automático, pueda realizar la medida de la señal eléctrica analógica, que varia de forma continua en el tiempo, suministrada por el elemento Sensor, estos elementos pasan la señal que varía continuamente a una señal que lo hace a saltos (resolución) y sólo cada cierto tiempo (muestreo). El funcionamiento de la conversión analógico - digital estriba en que la información analógica no es

16 directamente manipulable, ni procesable, mediante sistemas digitales o a través de un ordenador, pero si lo son las señales digitales que pueden almacenarse indefinidamente, y pueden incluso reproducir la señal analógica sin error apreciable. Como ejemplo más destacable en la actualidad, es la técnica de Grabación digital, donde la señal analógica que es la voz, en un proceso previo, será sometida a muestreo y transformada en lenguaje binario. Los unos y ceros que se obtienen en esta acción serán los que, posteriormente, se grabaran sobre un Disco compacto (CD) esto gracias a la tecnología láser, podrán ser reproducidos con una calidad de sonido increíblemente igual a la original. Procesos que intervienen en la Conversión Analógica-Digital Muestreo : El muestreo consiste en tomar muestras periódicas de la amplitud de onda. La velocidad con que se toma esta muestra, es decir, el número de muestras por segundo, es lo que se conoce como frecuencia de muestreo. Retención : Las muestras tomadas han de ser retenidas (retención) por un circuito de retención (hold), el tiempo suficiente para permitir evaluar su nivel (cuantificación). Desde el punto de vista matemático este proceso no se contempla, ya que se trata de un recurso técnico debido a limitaciones prácticas, y carece, por tanto, de modelo matemático. Cuantificación : En el proceso de cuantificación se mide el nivel de voltaje de cada una de las muestras. Consiste en asignar un margen de valor de una señal analizada a un único nivel de salida. Incluso en su versión ideal, añade, como resultado, una señal indeseada a la señal de entrada: el ruido de cuantificación. Codificación : La codificación consiste en traducir los valores obtenidos durante la cuantificación al código binario. Hay que tener presente que el código binario es el más utilizado, pero también existen otros tipos de Códigos que también son utilizados. Durante el muestreo y la retención, la señal aún es analógica, puesto que aún puede tomar cualquier valor. No obstante, a partir de la cuantificación, cuando la señal ya toma Valores finitos, la señal ya es digital.

17 Muestreo de la señal analógica Para convertir una señal analógica en digital, el primer paso consiste en realizar un muestreo (sampling) de ésta, o lo que es igual, tomar diferentes muestras de tensiones o voltajes en diferentes puntos de la Onda senoidal. La frecuencia a la que se realiza el muestreo se denomina razón, tasa o también frecuencia de muestreo y se mide en Kilohertz (khz). En el caso de una grabación digital de audio, a mayor cantidad de muestras tomadas, mayor calidad y fidelidad tendrá la señal digital resultante. Durante el proceso de muestreo se asignan valores numéricos equivalentes a la tensión o voltaje existente en diferentes puntos de la sinusoide, con la finalidad de realizar a continuación el proceso de cuantificar. Las tasas o frecuencias de Muestreo más utilizadas para audio digital son muestras por segundo (24 khz), muestras por segundo (30 khz), muestras por segundo (44,1 khz) (Calidad de CD), muestras por segundo (48 khz). Para realizar el muestreo (sampling) de una Señal eléctrica analógica y convertirla después en digital, el primer paso consiste en tomar valores discretos de Tensión o Voltaje a intervalos regulares en diferentes puntos de la onda senoidal. Cuantificación de la Señal Analógica Codificación de la señal en Código Binario Una vez realizado el muestreo, el siguiente paso es cuantificar la señal analógica. Para esta parte del proceso los valores continuos de la sinusoide se convierten en series de valores numéricos discretos correspondientes a los diferentes niveles o variaciones de voltajes que contiene la señal analógica original. Por tanto, cuantificar representa el componente de muestreo de las variaciones de valores de tensiones o voltajes tomados en diferentes puntos de la onda sinusoidal, que permite medirlos y asignarles sus correspondientes valores en el Sistema numérico, antes de convertir esos valores en sistema numérico binario. La codificación permite asignarle valores numéricos binarios equivalentes a los valores de tensiones o voltajes que conforman la señal eléctrica analógica original. Después de realizada la cuantificación, los valores de las tomas de voltajes se representan numéricamente por medio de códigos y estándares previamente establecidos. Lo más común es codificar la señal digital en código numérico binario. En este ejemplo gráfico de codificación, es posible observar cómo se ha obtenido una señal digital y el código binario correspondiente a los niveles de voltaje que posee la señal analógica.

18 Ventajas de la Conversión Analógica Digital No introduce ruidos en la transmisión. Se guarda y procesa mucho más fácilmente que la señal analógica. Posibilita almacenar grandes cantidades de datos en diferentes soportes. Permite detectar y corregir errores con más facilidad. Las grabaciones no se deterioran con el paso del tiempo como sucede con las cintas analógicas. Permite realizar regrabaciones sucesivas sin que se pierda ninguna generación y, por tanto, calidad. Permite la compresión para reducir la capacidad de almacenamiento. Facilita la edición visual de las imágenes y del sonido en un ordenador o computadora personal, utilizando programas apropiados. El rayo láser que graba y reproduce la información en CD y DVD nunca llega a tocar físicamente su superficie. No la afecta las interferencias atmosféricas (estática) ni de otro tipo cuando se transmite por vía inalámbrica, como ocurre con las transmisiones analógicas. Desventajas de la Conversión Analógica Digital Para su transmisión requiere un mayor ancho de banda en comparación con la analógica. La sincronización entre los relojes de un transmisor inalámbrico digital y el receptor requiere que sea precisa, como ocurre con el GPS (Global Positioning System - Sistema de Posicionamiento Global). Las transmisiones de las señales digitales son incompatibles con las instalaciones existentes para transmisiones analógicas. Glosario: Transductor : Dispositivo que proporciona una salida utilizable en respuesta a una magnitud física, propiedad o condición específica que se desea medir, generalmente se trata de un dispositivo utilizado para convertir un fenómeno físico en una señal eléctrica. El nombre del transductor ya nos indica cual es la transformación que realiza (por ejemplo: electromecánica, transforma una señal eléctrica en mecánica o viceversa Es un dispositivo usado principalmente en la industria, en la medicina, en la agricultura, en robótica, en aeronáutica, etc. para obtener la información de entornos físicos y químicos y conseguir (a partir de esta información) señales o impulsos eléctricos o viceversa (Por ejemplo el micrófono).