Conversión Analógico-Digital (ADC) El término ANALÓGICO en la industria de las telecomunicaciones y el cómputo significa todo aquel proceso entrada/salida cuyos valores son continuos. continuos. Algo continuo es todo aquello de puede tomar tomar una infinidad de valores valores dentro
de
un
cierto
limite,
superior
e
inferior.
El término DIGITAL de la misma manera involucra valores de entrada/salida discretos. discretos. Algo discreto es algo que puede tomar valores fijos. El el caso de las comunicaciones digitales y el cómputo, esos valores son el CERO (0) o el UNO (1) o Bits (BInary DigiTs).
Ilustración 1 Error! No text of specified style in document.representación de un evento analógico y uno 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 transforma en código numérico binario, representado exclusivamente por los dígitos “0” y “1”. En ese caso, el “0” significa que no existe ningún impulso eléctrico eléctrico de tensión o voltaje, mientras que el “1” significa que sí hay voltaje con un mismo valor siempre en volt.
Ilustración 2 Representación gráfica una señal digital integrada por valores discretos binarios de ceros y unos.
Ilustración 3Error! No text of specified style in document. 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 CDs y DVDs que utilizamos en nuestras casas, ya sean previamente grabados, o vírgenes para grabar imágenes, películas, juegos, programas para el ordenador, música, etc., emplean, igualmente, técnicas digitales para almacenar los datos.
CONVERSIÓN ANALÓGICO DIGITAL
Para realizar esa tarea, el conversor ADC (Analog-to-Digital Converter - Conversor Analógico Digital) tiene que efectuar los siguientes procesos:
1.-Muestreo de la señal analógica. 2.- Cuantización de la propia señal
3.- Codificación del resultado de la cuantización, en código binario.
Muestreo de la señal analógica
Ilustración 4 Representación gráfica de
medio ciclo positivo (+) , correspondiente a una señal eléctrica analógica de
Representación gráfica de medio ciclo positivo (+) , correspondiente a una señal eléctrica analógica de
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 cuantización.
Las tasas o frecuencias de muestreo más utilizadas para audio digital son las siguientes:
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)
Ilustración 5 señal de muestreo
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 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”.
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.
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. Ilustración 6 Proceso de cuantización (quantization) de la señal eléctrica analógica para su conversión en señal digi tal.
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.
Ilustración 7 La codificación permite asignarle valores
numéricos binarios equivalentes a los valores de tensiones o
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.
La siguiente tabla muestra los valores numéricos del 0 al 7, pertenecientes al sistema decimal y sus equivalentes en código numérico binario. En esta tabla se puede observar que utilizando sólo tres bits por cada número en código binario, se pueden representar ocho niveles o estados de cuantización. Tabla 1 conversión del sistema decimal al código binario Valores en volt en Sistema Decimal 0
Conversión a Código Binario 000
1
001
2
010
3
011
4
100
5
101
6
110
7
111
Y en esta otra 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.
Tabla 2 sustitución de valores de voltajes Valor de los voltajes de la señal analógica del ejemplo 0
Conversión a Código Binario 000
2
010
3
011
4
100
6
110
7
111
7
111
5
101
4
100
3
011
0
000
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 .
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.
Ilustración 8 Representación gráfica de una misma señal
analógica de audio grabada en una cinta magnética 1 3 7 a
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 65 536 estados de la misma señal (96 decibeles).
Ilustración
9
Señal
eléctrica
analógica.
La misma señal digitalizada a 8 bits. Observe la forma escalonada
Ilustración 10 señal digitalizada a 8 bits
Otra vez la misma señal, pero esta vez digitalizada a 16 bits. Como se podrá observar en este último ejemplo, el muestreo de la
Ilustración 11 señal digitalizada a 16 bits
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.
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.
