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La conversión analógica-digital consiste en tomar muestras periódicas de la amplitud de una señal analógica y convertirlas a valores digitales discretos a través de los procesos de muestreo, cuantificación y codificación. Esto transforma la señal continua analógica en una señal digital de valores binarios que puede ser procesada, almacenada y transmitida más fácilmente, aunque introduciendo un pequeño error de cuantificación.
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- 1. CONVERSIÓN ANALÓGICA DIGITAL 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 (analogic to 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 multiregeneración. 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: Muestreo Cuantización Codificación Recodificación Digital-Digital para transmisión
- 2. 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.
- 3. 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.
- 4. 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 como base, pero en lugar de en 8 bits en 7 bits, reservándose el octavo para indicar el signo).
- 5. Bibliografia FRIES, Bruce y FRIES, Marty. Audio digital práctico. Ed. Anaya Multimedia. 2005 RUMSEY, Francis y McCORMICK, Tim. Sonido y grabación. Introducción a las técnicas sonoras. 2004. WATKINSON, J. El arte del audio digital. IORTV, Madrid, 1993 WATKINSON, John. Introducción al audio digital.