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Conversión Analógica Digital

Conversión Analógica-Digital (CAD)
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Componente básico para que un ordenador pueda realizar la medida de la señal eléctrica analógica
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

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.
  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 4,3576497 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

Representación gráfica una señal digital integrada por valores discretos binarios de ceros y unos.
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

  1. Cuando una señal digital es atenuada o experimenta perturbaciones leves, puede ser reconstruida y amplificada mediante sistemas de regeneración de señales.
  2. 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 previamente.
  3. Facilidad para el procesamiento de la señal. Cualquier operación es fácilmente realizable a través de cualquier software de edición o procesamiento de señal.
  4. La señal digital permite la multigeneración infinita sin pérdidas de calidad.
  5. 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

  1. Se necesita una conversión analógica-digital previa y una Decodificación posterior, en el momento de la recepción.
  2. el un número suficientes de niveles de Cuantificación en el proceso de digitalización influye en la relación señal a ruido.
  3. 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
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Conversor analógico digital de 4 niveles por comparación directa de la señal de entrada con cuatro tensiones de referencia obtenidas mediante un divisor resistivo.
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 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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Codificación: la codificación consiste en traducir los
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    Proceso CAD
    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.

Muestreo de la señal analógica

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Representación gráfica de medio ciclo positivo (+), correspondiente a una señal eléctrica analógica de sonido.
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
Muestreo
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 24 000 muestras por segundo (24 kHz), 30 000 muestras por segundo (30 kHz), 44 100 muestras por segundo (44,1 kHz) (Calidad de CD), 48 000 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

Proceso de cuantificación de la señal eléctrica analógica para su conversión en señal digital
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.

Codificación de la señal en Código Binario

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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.

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.

Enlaces externos

Fuente

  • Audio digital práctico. Ed. Anaya Multimedia. 2005