ASÍ FUNCIONA LA CONVERSIÓN ANALÓGICO- DIGITAL DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL ANALÓGICA

Transcripción

1 ASÍ FUNCIONA LA CONVERSIÓN ANALÓGICO- DIGITAL DIGITALIZACIÓN DE LA SEÑAL ANALÓGICA En una señal eléctrica analógica, los valores de tensión positivos y negativos pueden mantenerse con un valor constante, o también pueden variar en una escala que va de "0" volt, hasta el valor máximo que tenga fijado, pasando por valores intermedios. Sin embargo, en la señal digital, a diferencia de la analógica, solamente existen dos condiciones: hay voltaje o no hay voltaje y su variación no ocurre de forma continua, sino de forma discreta, a intervalos de tiempo determinados. Las variaciones que sufren los valores de tensión o voltaje en una señal analógica, al convertirse en digital se transforman en código numérico binario, representado exclusivamente por los dígitos 0 y 1. En ese caso, el 0 significa que no existe ningún impulso eléctrico de tensión o voltaje, mientras que el 1 significa que sí hay voltaje con un mismo valor siempre en volt. Representación gráfica una señal digital integrada por valores discretos binarios de ceros y unos. Representación gráfica de una señal real de audio digital En la actualidad infinidad de dispositivos electrónicos, como los ordenadores o computadoras (PC), los equipos de grabación y reproducción de audio y vídeo modernos, los teléfonos fijos y móviles o celulares, así como una gran cantidad de dispositivos destinados a realizar investigaciones científico- técnicas y de análisis médicos, basan su funcionamiento en la tecnología digital. Por otra parte, todos los Cd y Dvd que utilizamos en nuestras casas, ya sean previamente

2 grabados, o vírgenes para grabar imágenes, películas, juegos, programas para el ordenador, música, etc., emplean, igualmente, técnicas digitales para almacenar los datos. Una vez aclaradas las diferencias básicas entre la tecnología analógica y la digital, veamos ahora cómo se efectúa el proceso de conversión de una tecnología a otra. Para realizar esa tarea, el conversor ADC (Analog- to- Digital Converter - Conversor Analógico Digital) tiene que efectuar los siguientes procesos: CONVERSIÓN ANALÓGICO DIGITAL 1. Muestreo de la señal analógica. 2. Cuantización de la propia señal. 3. Codificación del resultado de la cuantización, en código binario. 1. Muestreo de la señal analógica Representación gráfica de medio ciclo positivo (+), correspondiente a una señal eléctrica analógica de<sonido, con sus correspondientes armónicos. Como se podrá observar, los valores de variación de la<tensión o voltaje en esta sinusoide pueden variar en una escala que va de 0 a 7 volt. 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.

3 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 cuantización. Las tasas o frecuencias de muestreo más utilizadas para audio digital son las siguientes: 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. Por tanto, una señal cuyo muestreo se realice a 24 khz, tendrá menos calidad y fidelidad que otra realizada a 48 khz. Sin embargo, mientras mayor sea el número de muestras tomadas, mayor será también el ancho de banda necesario para transmitir una señal digital, requiriendo también un espacio mucho mayor para almacenarla en un CD o un DVD. En la grabación de CDs de música, los estudios de sonido utilizan un estándar de muestreo de 44,1 khz a 16 bits. Esos son los dos parámetros requeridos para que una grabación digital cualquiera posea lo que se conoce como calidad de CD.

4 CONDICIÓN DE NYQUIST El ingeniero sueco Harry Nyquist formuló el siguiente teorema para obtener una grabación digital de calidad: La frecuencia de muestreo mínima requerida para realizar una grabación digital de calidad, debe ser igual al doble de la frecuencia de audio de la señal analógica que se pretenda digitalizar y grabar. Este teorema recibe también el nombre de Condición de Nyquist. Es decir, que la tasa de muestreo se debe realizar, al menos, al doble de la frecuencia de los sonidos más agudos que puede captar el oído humano que son 20 mil hertz por segundo (20 khz). Por ese motivo se escogió la frecuencia de 44,1 khz como tasa de muestreo para obtener calidad de CD, pues al ser un poco más del doble de 20 khz, incluye las frecuencias más altas que el sentido del oído puede captar. 2. Cuantización de la señal analógica Una vez realizado el muestreo, el siguiente paso es la cuantización (quantization) de la señal analógica. Para esta parte del proceso los valores continuos de la sinusoide se convierten en series de valores numéricos decimales discretos correspondientes a los diferentes niveles o variaciones de voltajes que contiene la señal analógica original. Por tanto, la cuantización 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 decimal, antes de convertir esos valores en sistema numérico binario.

5 Proceso de cuantización (quantization) de la señal eléctrica analógica para su conversión en señal digital. 3. Codificación de la señal en código binario Después de realizada la cuantización, 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. La codificación permite asignarle valores numéricos binarios equivalentes a los valores de tensiones o<voltajes que conforman la señal eléctrica analógica original. 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.

6 En esta tabla se puede ver la sustitución que se ha hecho de los valores numéricos correspondientes a los voltajes de las muestras tomadas de la señal analógica utilizada como ejemplo y su correspondiente conversión a valores en código binario. Valor de los voltajes de la señal analógica del ejemplo Conversión a Código Binario BITS DE RESOLUCIÓN DEL AUDIO DIGITAL En una grabación analógica la longitud de la sinusoide u onda senoidal grabada en una cinta, por ejemplo, determina la calidad y fidelidad que tendrá después la reproducción de los sonidos, es decir, lo que se conoce como "respuesta de frecuencia". En las antiguas grabaciones en cintas magnetofónicas analógicas de ¼ pulgada de ancho y carrete abierto, las grabaciones de audio se podían efectuar a diferentes velocidades de giro de la cinta. Las antiguas grabadoras domésticas de cinta abierta para grabar audio, generalmente permitían seleccionar tres velocidades de grabación y/o reproducción: 1 7 / 8, 3 ¾ y 7 ½ ips (inch per second pulgadas por segundo), equivalentes a 4,75; 9,5 y 19 cm/seg, mientras que las de calidad profesional, utilizadas en emisoras de radio, televisión y estudios de grabación de sonido, grababan a mayor velocidad: 15 ips, equivalente a 38 cm/seg.

7 Es decir, a menor velocidad la longitud de la sinusoide que se obtenía por cada segundo de grabación era menor que cuando se grababa a mayor velocidad. Por tanto, una misma grabación de música realizada a 15 ips tenía una respuesta de frecuencias mucho mayor que si se grababa a 7 ½ ips o a menos velocidad, pues al ser más extensa la longitud de la onda senoidal, ésta podía captar en la grabación mayor número de detalles o armónicos, así como registrar también las frecuencias más altas o agudas de los sonidos. Representación gráfica de una misma señal analógica de audio grabada en una cinta magnética a<velocidades diferentes: 15, 7 1 / 2, 3 3 / 4 y 1 7 / 8 ips (inch per second o pulgadas por segundo). A medida<que se reduce la velocidad de grabación, la longitud de la onda senoidal se contrae, perdiéndose calidad<en la grabación. Algo similar ocurre con la cantidad de bits que se utilizan para realizar el muestreo de la señal analógica para después convertirla en señal digital. O sea, un muestreo realizado a 8 bits tendrá menos calidad y respuesta de frecuencia que otro realizado a 16 bits, pues en este último caso la señal digital resultante contendrá las frecuencias más altas y se aproximará más a la forma que tenía la señal analógica original. Por ejemplo, un muestreo de 8 bits contiene 256 estados de una señal (48 decibeles), mientras que otro realizado a 16 bits contiene estados de la misma señal (96 decibeles). SSeñal eléctrican analógica.

8 La misma señal digitalizada a 8 bits. Observe la forma escalonada<resultante del muestreo de este ejemplo, en el que se puede<apreciar gráficamente la pérdida de calidad o respuesta de<frecuencia en el sonido. Otra vez la misma señal, pero esta vez digitalizada a 16 bits. Como se podrá observar en este último ejemplo, el muestreo de la<señal digital realizado a mayor resolución, se asemeja mucho más<a la forma que tiene originalmente la onda del sonido de la señal<eléctrica analógica. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA CONVERSIÓN ANALÓGICO DIGITAL Ventajas: No introduce ruidos en la transmisión. Se guarda y procesa mucho más fácilmente que la 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 CDs y DVDs 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.

9 Desventajas: 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.