El Audio Digital por MusicalWars MusicalWars
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Contenidos Artículos Introducción
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Señal analógica
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Señal de audio
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Señal digital
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El Audio Digital
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Grabación digital de sonido
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Conversión analógica-digital
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Audio digital
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Referencias Fuentes y contribuyentes del artículo
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Fuentes de imagen, Licencias y contribuyentes
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Licencias de artículos artículos Licencia
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Introducción Señal analógica Una señal analógica es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético y que es representable por una función matemática continua en la que es variable su amplitud y periodo (representando un dato de información) en función del tiempo. Algunas magnitudes físicas comúnmente portadoras de una señal de este tipo son eléctricas como la intensidad, la tensión y la potencia, pero también pueden ser hidráulicas como la presión, térmicas como la temperatura, mecánicas, mecánicas, etc. La magnitud también puede ser cualquier objeto medible como los beneficios o pérdidas de un negocio.
Ejemplo de señal analógica.
En la naturaleza, el conjunto de señales que percibimos son analógicas, así la luz, el sonido, la energía etc, son señales que tienen una variación continua. Incluso la descomposición de la luz en el arco iris vemos como se realiza de una forma suave y continúa. Una onda senoidal es una señal analógica de una sola frecuencia. Los voltajes de la voz y del video son señales analógicas que varían de acuerdo con el sonido o variaciones de la luz que corresponden a la información que se está transmitiendo.
Señal eléctrica analógica Señal eléctrica analógica es aquella en la que los valores de la tensión o voltaje varían constantemente en forma de corriente alterna, incrementando su valor con signo eléctrico positivo (+) durante medio ciclo y disminuyéndolo a continuación con signo eléctrico negativo ( – ) en el medio ciclo siguiente. El cambio constante de polaridad de positivo a negativo provoca que se cree un trazado en forma de onda senoidal.
Señal digital como una señal analógica compuesta Basándose en el análisis de Fourier, una señal digital es una señal analógica compuesta. El ancho de banda es infinito, como se podría intuir. Se puede llegar a este concepto si se estudia una señal digital. Una señal digital, en el dominio del tiempo, incluye segmentos horizontales y verticales conectados. Una línea vertical en el dominio de tiempo significa una frecuencia infinita. Mientras que el tramo horizontal representa una frecuencia cero. Ir de una frecuencia cero a una frecuencia infinito (y viceversa) implica que todas las frecuencias en medio son parte del dominio. El análisis de Fourier se puede usar para descomponer una señal. Si la señal digital es periódica, lo que es raro en comunicaciones, la señal descompuesta tiene una representación en el dominio de frecuencia con un ancho de banda infinito y frecuencias discretas. Si la señal digital es aperiódica, la señal descompuesta todavía tiene un ancho de banda infinito, pero las frecuencias son continuas.
Señal analógica
Desventajas en términos electrónicos Las señales de cualquier circuito o comunicación electrónica son susceptibles de ser modificadas de forma no deseada de diversas maneras mediante el ruido, lo que ocurre siempre en mayor o menor medida. Para solucionar esto la señal suele ser acondicionada antes de ser procesada. La gran desventaja respecto a las señales digitales es el ruido en las Ejemplo de ruido en señal analógica. señales analógicas: cualquier variación en la información es de difícil recuperación, y esta pérdida afecta en gran medida al correcto funcionamiento y rendimiento del dispositivo analógico. Un sistema de control (ya pueda ser un ordenador, etc.) no tiene capacidad alguna para trabajar con señales analógicas, de modo que necesita convertirlas en señales digitales para poder trabajar con ellas. (Véase Conversión analógica-digital) analógica-digital)
Ejemplo de un sistema analógico Un ejemplo de sistema electrónico analógico es el altavoz, que se emplea para amplificar el sonido de forma que éste sea oído por una gran audiencia. Las ondas de sonido que son analógicas en su origen, son capturadas por un micrófono y convertidas en una pequeña variación analógica de tensión denominada señal de audio. Esta tensión varía de manera continua a medida que cambia el volumen y la frecuencia del sonido y se aplica a la entrada de un amplificador lineal. lineal. La salida del amplificador, que es la tensión de entrada amplificada, se introduce en el altavoz. Éste convierte, de nuevo, la señal de audio amplificada en ondas sonoras con un volumen mucho mayor que el sonido original captado por el micrófono.
Ejemplos de aquellos sistemas analógicos que ahora se han vuelto digitales Grabaciones de video: Un disco versátil digital de múltiples usos (DVD por las siglas de digital versatile disc) almacena video en un formato digital altamente comprimido denominado MPEG-2. Este estándar codifica una pequeña fracción de los cuadros individuales de video en un formato comprimido semejante al JPEG y codifica cada uno de los otros cuadros como la diferencia entre éste y el anterior. La capacidad de un DVD de una sola capa y un solo lado es de aproximadamente 35 mil millones de bits suficiente para grabar casi 2 horas de video de alta calidad y un disco de doble capa y doble lado tiene cuatro veces esta capacidad. Grabaciones de audio: Alguna vez se fabricaron exclusivamente mediante la impresión de formas de onda analógicas sobre cinta magnética o un acetato (LP), las grabaciones de audio utilizan en la actualidad de manera ordinaria discos compactos digitales (CD. Compact Discs). Un CD almacena la música como una serie de números de 16 bits que corresponden a muestras de la forma de onda analógica original se realiza una muestra por canal estereofónico cada 22.7 microsegundos. Una grabación en C D a toda su capacidad (73 minutos) contiene hasta seis mil millones de bits de información.
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Señal analógica
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Sistemas que utilizan métodos digitales y analógicos Existen sistemas que utilizan métodos digitales y analógicos, uno de ellos es el reproductor de disco compacto (CD). La música en forma digital se almacena en el CD. Un sistema óptico de diodos láser lee los datos digitales del disco cuando éste gira y los transfiere transfiere al convertidor digital-analógico digital-analógico (DAC). El DAC transforma los datos digitales en una señal analógica que es la reproducción eléctrica eléctrica de la música original. Esta señal se amplifica y se envía al altavoz. Cuando la música se grabó en el CD se utilizó un proceso que, esencialmente, era el inverso al descrito, y que utiliza un convertidor analógico digital (ADC, analog-to-digital converter).
Señales periódicas Una señal periódica continua tiene la característica de que hay un valor positivo 'T' para el cual para todos los valores de 't'. En otras palabras, una señal periódica tiene la propiedad de que no cambia para un corrimiento de tiempo 'T'.En este caso decimos que
Señal Periódica Continua
es periódica con periodo 'T'. Las señales periódicas continuas surgen en
una gran variedad de contextos. Por ejemplo, la respuesta natural de sistemas en los cuales se conserva la energía, como los circuito LC ideales sin disipación de energía resistiva y los sistemas mecánicos ideales sin perdida de fricción, son señales periódicas básicas. El período fundamental 0 de es el valor mas pequeño de 'T' . Una señal que no es periódica se le conoce como aperiódica.
Bibliografía • Melissa Selik, Selik, Richard Richard Baraniuk, Michael Haag, Haag, Ricardo von Borries. (Sep 29, 2006). «Clasificación «Clasificación y [1] Propiedades de las Señales ». Consultado el 5 de marzo de 2011. • V. Oppen Oppenhei heim, m, Alan Alan (1998) (1998).. «1.2. «1.2.2» 2» (en Español). Español). Señales y Sistemas (segunda edición). Pearson. pp. 11-12. ISBN 970-17-0116-X .
Referencias [1] [1] http http:/ :/ / cnx.org/ cnx. org/ content/ content/ m12818/ m12818/ latest/ latest/
Señal de audio
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Señal de audio Una señal de audio es una señal analógica eléctricamente exacta a una señal sonora; normalmente está acotada al rango de frecuencias audibles por los seres humanos que está entre los 20 y los 20.000 Hz, aproximadamente (el equivalente, casi exacto a 10 octavas). Dado que el sonido es una onda de presión se requiere un transductor de presión (un micrófono) que convierte las ondas de presión de aire (ondas sonoras) en señales eléctricas (señales analógicas). analógicas). La conversión contraria se realiza mediante un altavoz —también llamado altoparlante en algunos países latinoamericanos, por traducción directa del inglés loudspeaker —, que convierte las señales eléctricas en ondas de presión de aire. Un sólo micrófono puede captar adecuadamente todo el rango audible de frecuencias, en cambio para reproducir fidedignamente ese mismo rango de frecuencias suelen requerirse dos altavoces (de agudos y graves) o más. Una señal de audio se puede caracterizar, someramente, por su dinámica (valor de pico, rango dinámico, potencia, relación señal-ruido) o por su composición espectral (ancho de banda, frecuencia fundamental, armónicos, distorsión distorsión armónica, etc.). Así, por ejemplo, una señal que represente voz humana (señal vocal) no suele tener información relevante más allá de los 10 kHz, y de hecho en telefonía fija se toman sólo los primeros 3.8 kHz. Con 2 kHz basta para que la voz sea comprensible, pero no para reconocer al hablante.
Señal digital La señal digital es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético en que cada signo que codifica el contenido de la misma puede ser analizado en término de algunas magnitudes que representan valores discretos, en lugar de valores dentro de un cierto rango. Por ejemplo, el interruptor de la luz sólo puede tomar dos valores o estados: abierto o cerrado, o la misma lámpara: encendida o apagada (véase circuito de conmutación). Esto no significa que la señal físicamente físicamente sea discreta ya que los campos electromagnéticos suelen ser continuos, sino que en general existe una forma de discretizarla discretizarla unívocamente. Los sistemas digitales, como por ejemplo el ordenador, usan lógica de dos estados representados por dos niveles de tensión eléctrica, uno alto, H y otro bajo, L (de High y Low, respectivamente, en inglés). Por abstracción, dichos estados se sustituyen por ceros y unos, lo que facilita facilita la aplicación de la lógica y la aritmética aritmética binaria. Si el nivel alto se representa por 1 y el bajo por 0, se habla de lógica positiva y en caso contrario de lógica negativa. Cabe mencionar que, además de los niveles, en una señal digital están las transiciones transiciones de alto a bajo y de bajo a alto, denominadas flanco de bajada y de subida, respectivamente. En la figura se muestra una señal digital donde se identifican los niveles y los flancos. Es conveniente aclarar que, a pesar de que en los ejemplos señalados el término digital se ha relacionado siempre con dispositivos binarios, no significa que digital y binario sean términos intercambiables. Por ejemplo, si nos fijamos en el código Morse, veremos que en él se utilizan, para el envío de mensajes por telégrafo eléctrico, cinco estados digitales, que son: punto, raya, espacio corto
(entre letras), espacio medio (entre palabras) y espacio largo (entre frases)
Señal digital: 1) Nivel bajo, 2) Nivel alto, 3) Flanco de subida y 4) Flanco de bajada.
Señal digital
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Referido a un aparato o instrumento de medida, decimos que es digital cuando el resultado de la medida se representa en un visualizador mediante números (dígitos) en lugar de hacerlo mediante la posición de una aguja, o cualquier otro indicador, en una escala.
Ventajas de las señales digitales 1. Ante la atenuación, puede ser amplificada y reconstruida reconstruida al mismo tiempo, gracias a los sistemas de regeneración de señales.
Señal digital con ruido
2. Cuenta con sistemas sistemas de detección detección y corrección corrección de errores, en la recepción. recepción. 3. Facilidad para para el procesamiento procesamiento de la señal. Cualquier Cualquier operación es es fácilmente realizable a través de cualquier cualquier software de edición o procesamiento de señal. 4. Permite la generación generación infinita infinita con perdidas mínimas en la calidad. calidad. Esta ventaja ventaja sólo es aplicable aplicable a los formatos 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 multigeneración. 5. Las señales digitales digitales se ven menos menos afectadas a causa causa del ruido ambiental ambiental en comparación comparación con las señales señales analógicas.
Inconvenientes de las señales digitales 1. 2. 3. 4.
Necesita una conversión conversión analógica-digital analógica-digital previa y una decodificación decodificación posterior posterior en el momento de la recepción. Requiere una sincronización sincronización precisa precisa entre los tiempos tiempos del reloj reloj del transmisor transmisor con respecto respecto a los del receptor. receptor. Pérdida de calidad calidad cada vez mayor en el muestreo respecto de la señal original. original. La señal digital digital requiere mayor mayor ancho de banda que la señal señal analógica para para ser transmitida. transmitida.
Enlaces externos • Definici Definición ón de de señale señaless digita digitales les y ejempl ejemplos os [1]
Referencias [1] [1] http http:/ :/ / www.scribd. www.scribd.com/ com/ doc/ doc/ 2540938/ 2540938/ Tratamiento-De-Senales-Digitales Tratamiento-De-Senales-Digitales
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El Audio Digital Grabación digital de sonido La grabación digital de sonido es la grabación de sonido en la que se obtiene audio digital. Para ello, interviene un proceso previo de Conversión A/D (analógica-digital) y, una vez que obtenemos la señal digital, ésta es grabada sobre un soporte o medio. Lo que determina si estamos ante una grabación analógica o digital no es el soporte o medio, sino el tipo de señal grabada en él. Así por ejemplo podemos tener grabaciones digitales sobre cintas magnéticas como en el caso del DAT, etc.
Señal digital Si la señal analógica tenía una forma equivalente (análoga) a la señal que la había originado, la señal digital se traduce en códigos binarios que ya no tienen forma, sino que son una mera sucesión de ceros y unos (valores discretos).
Conversión AD El proceso de traducir la señal analógica a digital se llama conversión AD y tiene tres fases: • Muestreo: se se toma un determinado determinado número de muestras muestras por unidad unidad de tiempo (44.100 (44.100 muestras por segundo en estéreo en CD-Audio), aunque se pueden utilizar tasas de muestreo más elevadas para registrar señales con componentes de frecuencias ultrasónicas o, para la misma banda de audiofrecuencias, audiofrecuencias, permitir el uso de filtros sin retardo de grupo en toda la banda pasante y con pendientes de atenuación más suaves, sin el uso de técnicas de sobremuestreo. • Cuantificación: Cuantificación: a cada muestra muestra se le le asigna un valor numérico, numérico, que se corresponde con con el valor de tensión eléctrica de la señal analógica. Este valor se redondeará a un número entero que, en cada caso, dependerá del número de bits que estén disponibles para la codificación. • Codificación: los valores valores numéricos obtenidos en la la cuantificación cuantificación son traducidos a un determinado determinado número de bits (generalmente 16, 20 o 24 bits de resolución).
Métodos de grabación digital Existen 3 tipos de grabación digital: 1. Grabación magnética magnética digital: digital: sobre soporte magnético, bien bien cinta como el DAT u otros otros formatos similares; similares; o bien sobre soportes magnéticos informáticos como el disco flexible. 2. Grabación óptica óptica digital: la señal es grabada grabada sobre el soporte soporte de forma óptica, óptica, mediante un láser. láser. Es el caso del CD. 3. Grabación magneto-óptica magneto-óptica digital: digital: sistema sistema combinado que graba de de forma magnética, magnética, pero reproduce de de forma óptica. Es el caso del minidisc o de los CD regrabables (CD-RW) y del propio disco duro de cualquier ordenador.
Grabación digital de sonido
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Formatos digitales 1. Magn Magnét étic icos os:: 1. De bobina bobina abiert abierta: a: 1. 1. DASH 2. ProD ProDiigi 2. Modula Modularr multipi multipist staa (MDM): (MDM): 1. 1. ADAT 2. 2. DA-88 3. 3 . DT R S 3. De case casete te:: 1. 1. DAT 2. 2. DCC 1. Ópti pticos cos: 1. CDCD-Audi Audioo 2. Mini Minidi dissc 3. DVDDVD-Au Audi dioo
Tabla comparativa de formatos digitales Formatos digitales de audio Tipo
Empresa
Año Códec de audio
Resoluc Resolución ión Frecuenc Frecuencia ia de muestreo
Respuesta Rango Bit en dinámico rate frecuencia
CD Audio
disco óptico
Sony y Philips
1982 PCM
16 bits
4 4 , 1 kH z
20 Hz a 20 kHz
90 dB
DAT
cinta Sony y magnética Philips de audio casete
1986 PCM
16 bits o 4 4 , 1 kH z 12 bits (no lineal)
20 Hz a 20 kHz
90 dB
20 (S-DAT),
90’ (S-DAT), 120’ (R-DAT),
DASH
cinta Sony y magnética Tascam de audio / cinta de bobina abierta
1988 PCM
16 bits
4 4, 1 o 4 8 kH z
20 Hz a 20 kHz
90 dB
52 (48 audio + 4 auxiliares).
69 min
Minidisc
disco óptico
1991 ATRAC 16 bits
4 4, 1 k H z
20 Hz a 20 kHz
90 dB
ADAT
cinta Alesis magnética de vídeo, S-VHS
19 92
16 bits
4 4, 1 o 4 8 kH z
20 Hz a 20 kHz
92 dB
8
62 min
DCC
cinta Philips magnética de audio, casete
1992 PASC
16 bits
32, 44,1 o 48 kHz
2 0H z a 16 kHz o 20Hz a 20 kHz
90 dB
18 (16 audio)
60 min
S ony
Nº Máximo de pistas
1,4 2 Mbit/s
Capa Capaci cida dadd Tiem Tiempo po máximo de grabación 650 MB
74 min
29 2 kbit/s
1,54 Mbs
Grabación digital de sonido
8
ProDigi
cinta Mitsubishi, 1992 PCM magnética Otari y de audio, AEG cinta de bobina abierta
16 bits
4 4, 1 o 4 8 kH z
20 Hz a 16 kHz o 20 Hz a 20 kHz
90 dB
32
DA88
cinta Tascam magnética de vídeo, Hi8
16 bits
4 4, 1 o 4 8 kH z
20 Hz a 20 kHz
92 dB
8
DTRS
cinta Tascam magnética de vídeo, Hi8
16 o 24 bits
4 4, 1 o 4 8 kH z
20 Hz a 20 kHz
90 dB
8
DVD-Audio
disco óptico
Pioneer y 1997 MLP Matsushita
16, 20 o 24 bits
44,1/48/88,2/96/176,4 20Hz a y 192 kHz 80 kHz
120 dB
9,6 6 Mbit/s
4,7 GB
622 min
SACD
disco óptico
Philips y Sony
1 bits
5,6 MHz
120 dB
2,8 6 Mbit/s
4,7 GB
74'(1 capa), 148' (2 capas) y 222' (3 capas)
1 9 9 9 DS D
20 Hz a 100 kHz
75 min
Conversión analógica-digital La conversión analógica-digital analógica-digital (CAD) consiste en la transcripción transcripción de señales analógicas en señales digitales, con el propósito de facilitar facilitar su procesamiento (codificación, (codificación, compresión, etc.) y hacer la señal resultante (la digital) más inmune al ruido y otras interferencias interferencias a las que son más sensibles las señales analógicas.
Procesos de la conversión A/D.
Comparación de las señales analógica y digital Una señal analógica es aquella cuya amplitud (típicamente 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. 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 V pero el nivel de esa muestra de la señal de interés puede estar comprendida entre 4,35 V y 4,36 V y no es físicamente posible determinar determinar ésta con total precisión debido a la naturaleza estocástica estocástica del ruido. Sólo el más puro azar determina qué valores se miden dentro de ese rango de incertidumbre que impone el ruido. Y no existe (ni puede existir) ningún soporte analógico sin un nivel mínimo de ruido, es decir, de infinita precisión. Por otro lado, si se pudiera registrar con precisión infinita una señal analógica significaría, de acuerdo con la Teoría de la
Conversión analógica-digital analógica-digital Información, que ese medio serviría para registrar infinita información; algo totalmente contrario a las leyes físicas fundamentales de nuestro universo y su relación con la entropía de Shannon. En cambio, una señal digital es aquella cuyas dimensiones (tiempo y amplitud) no son continuas sino discretas, lo que significa que la señal necesariamente necesariamente ha de tomar unos determinados valores fijos predeterminados en momentos también discretos. Las señales analógicas no se diferencian, por tanto, de las señales digitales en su precisión (precisión que es finita tanto en las analógicas como en las digitales) o en la fidelidad de sus formas de onda (distorsión). (distorsión). Con frecuencia es más fácil obtener precisión y preservar la forma de onda de la señal analógica original (dentro de los límites de precisión impuestos por el ruido que tiene antes de su conversión) en las señales digitales que en aquéllas que provienen de soportes analógicos, caracterizados típicamente por relaciones señal a ruido bajas en comparación.
¿Por qué digitalizar? Ventajas de la señal digital 1. Cuando Cuando una una señal señal digi digital tal es es atenuada o experimenta perturbaciones leves, puede ser reconstruida y amplificada mediante sistemas de regeneración de señales. 2. Cuenta Cuenta con sistemas sistemas de detecc detección ión y Sistema Analógico Digital. 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. previamente. 3. Facilidad para para el procesamiento procesamiento de la señal. Cualquier Cualquier operación es es fácilmente realizable a través de cualquier cualquier software de edición o procesamiento de señal. 4. La señal digital digital permite permite la multigeneració multigeneraciónn infinita infinita sin pérdidas pérdidas de calidad. calidad. 5. Es posible aplicar aplicar técnicas de compresión de datos datos sin pérdidas o técnicas de compresión compresión con pérdidas basados en la codificación perceptual mucho más eficientes que con señales analógicas. Inconvenientes de la señal digital 1. Se necesita una conversión conversión analógica-digital analógica-digital previa y una decodificación decodificación posterior, posterior, en el momento momento de la recepción. 2. Si no se emplean emplean un número número sufici suficiente entess de niveles niveles de cuantificaci cuantificación ón en el proceso de digitalización, digitalización, la relación señal a ruido resultante se reducirá con relación a la de la señal analógica original que se cuantificó. Esto es una consecuencia de que la señal conocida como error de cuantificación cuantificación que introduce siempre el proceso de cuantificación cuantificación sea más potente que la del ruido de la señal analógica original, en cuyo caso, además, se requiere la adición de un ruido conocido como "dither" más potente aún con objeto de asegurar que dicho error sea siempre un ruido blanco y no una distorsión. En los casos donde se emplean suficientes niveles de cuantificación, cuantificación, la relación señal a ruido de la señal original se conservará esencialmente porque el error de cuantificación quedará por debajo del nivel del ruido de la señal que se cuantificó. Esto, naturalmente, es lo normal. 3. Se hace necesario necesario emplear siempre siempre un filtro activo activo analógico pasa pasa bajo sobre la señal a muestrear 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. Asimismo, durante la reconstrucción de la señal en la posterior conversión D/A, se hace también necesario aplicar un filtro
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Conversión analógica-digital analógica-digital activo analógico del mismo tipo (pasa bajo) conocido como filtro de reconstrucción. Para que dicho filtro sea de fase lineal en la banda de interés, siempre se debe dejar un margen práctico desde la frecuencia de Nyquist (la mitad de la tasa de muestreo) y el límite de la banda de interés (por ejemplo, este este margen en los CD es del 10%, ya que el límite de Nyquist es en este caso 44,1 kHz / 2 = 22,05 kHz y su banda de interés se limita a los 20 kHz).
Digitalización La digitalización o conversión analógica-digital (conversión A/D) consiste básicamente en realizar de forma periódica medidas de la amplitud (tensión) de una señal (por ejemplo, la 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 tensión de interés), 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. La conversión A/D también es conocida por el acrónimo inglés ADC (analogue to digital ). converter ). En esta definición están patentes los cuatro procesos que intervienen en la conversión analógica-digital: analógica-digital: 1. Muestreo: el muestreo (en inglés, sampling) 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 (en inglés, hold ): ): las muestras tomadas han de ser retenidas (retención) por un circuito de retención (hold), el tiempo suficiente para permitir evaluar su nivel (cuantificación). (cuantificación). Desde el punto de vista matemático este proceso no se contempla, ya que se trata de un recurso técnico debido a limitaciones 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 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. 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. Los cuatro procesos tienen lugar en un conversor analógico-digital. analógico-digital.
Ejemplo de digitalización Un ordenador o cualquier sistema de control basado en un microprocesador no puede interpretar señales analógicas, ya que sólo utiliza señales digitales. Es necesario traducir, o transformar en señales binarias, lo que se denomina proceso de digitalización digitalización o conversión de señales analógicas a digitales. digitales. En la gráfica inferior se observa una señal analógica, que para ser interpretada en un ordenador ha de modificarse mediante digitalización. Un medio simple es el muestreado o sampleado. Cada cierto tiempo se lee el valor de la señal analógica. 1. Si el valor de la la señal en ese instante instante está por debajo de un determinado determinado umbral, la la señal digital digital toma un valor mínimo (0). 2. Cuando la señal analógica analógica se encuentra encuentra por encima del valor valor umbral, la la señal digital digital toma un valor máximo (1).
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Conversión analógica-digital analógica-digital
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Digitalización por muestreado de una señal analógica.
El momento en que se realiza cada lectura es ordenado por un sistema de sincronización sincronización que emite una señal de reloj con un período constante. Estas conversiones analógico-digitales analógico-digitales son habituales en adquisición de datos por parte de un ordenador y en la modulación digital para transmisiones y comunicaciones por radio.
Compresión La compresión consiste en la reducción de la cantidad de datos a transmitir o grabar, pues hay que tener en cuenta que la capacidad de almacenamiento de los soportes es finita, de igual modo que los equipos de transmisión pueden manejar sólo una determinada tasa de datos. Para realizar la compresión de las señales se usan complejos algoritmos de compresión (fórmulas matemáticas). matemáticas). Hay dos tipos de compresión: 1. Compresión sin pérdidas: en esencia se transmite toda la información, pero eliminando la información repetida, agrupándola para que ocupe menos, etc. 2. Compresión con pérdidas: se desprecia cierta información considerada irrelevante. irrelevante. Este tipo de compresión puede producir pérdida de calidad en el resultado final. Las técnicas de compresión sin pérdidas se basan en algoritmos matemáticos que permiten la reducción de los bits que es necesario almacenar o transmitir. Como por ejemplo la llamada codificación de longitud de secuencias, muy utilizada en las técnicas de transmisión digital, digital, mediante la cual se sustituye las secuencias de bits repetidos por la codificación de la longitud de la secuencia (en lenguaje coloquial, mejor decir diez unos que decir uno, diez veces). O la conocida como la codificación relativa o incremental que codifica las diferencias entre dos valores consecutivos, en vez de los valores absolutos (si para representar el valor absoluto de una muestra de una señal con un gran valor dinámico necesitamos un elevado número de bits, seguro que si la señal no tienen tránsitos muy bruscos, necesitaremos menos bits para codificar el rango de la diferencia entre dos muestras consecutivas). Y un último ejemplo podría ser la denominada codificación de longitud variable, que utiliza una codificación dependiente de la frecuencia de repetición de los valores, empleando menos bits para codificar las muestras de los valores se repiten con más frecuencia,(al frecuencia,(al estilo código Morse). Las técnicas de codificación mencionadas son de gran utilización en los sistemas de transmisión digital. Sin embargo, en lo que se refiere al tratamiento digital de imagen y sonido, dada la aleatoriedad de este tipo de señales, son poco efectivos en cuanto a la reducción del tamaño de los archivos resultantes. Por eso, la compresión del sonido y la imagen para Internet se basa más en el conocimiento del funcionamiento de nuestros sentidos. Son técnicas que asumen pérdidas de información, de ahí su nombre de comprensión con pérdidas, pero están diseñados de modo que las “pérdidas” no sean apenas percibidas por los seres humanos. Como ejemplos clásicos de éstas, podemos citar: La compresión gráfica GIF .
Se basa en la utilización de una paleta de 256 colores estudiados cuidadosamente de acuerdo con la apreciación del color por ojo humano. Con esto se logra una razón de compresión de 1/3. Los 256 se pueden codificar con 8 bits, en vez de usar 24 bits para definir el color verdadero. La pérdida de información parece grande, pero ¿puede el ojo humano apreciar los matices de más de un millón de colores?
Conversión analógica-digital analógica-digital La comprensión gráfica JPEG.
En lugar de definir la imagen por sus tres colores básicos (G;R;B), utiliza la trasformación de la información de color a la de luminancia (1 valor por muestra) y de crominancia (2 valores por muestra) de forma similar a como se emplea en la señal de televisión. Resulta que el ojo humano es más sensible a los cambios de brillo (luminancia) que de color (crominancia), por lo que estos codecs codifican la luminancia de todas las muestras o pixels y un valor medio de cada una de los valores crominancias cada 4 pixels. Para codificaciones de 8 bits por píxel, la cuenta de la razón de compresión es 4x8+8+8=48, en vez de 4x8x3=96 de la codificación directa).
La comprensión de sonido MP3.
La señal se descompone mediante filtros en diversos canales de frecuencia que se muestrean y codifican independientemente teniendo en cuenta la sensibilidad del oído humano a las diferentes frecuencias y rangos dinámicos de cada uno de los canales.
Ejemplo La música en el formato digital se almacena en el CD. Un sistema óptico de diodos láser lee los datos digitales del disco cuando éste gira y los transfiere al conversor digital-analógico. Este transforma los datos digitales en una señal analógica que es la reproducción eléctrica de la música original. Esta señal se amplifica y se envía al altavoz para poder disfrutarla. disfrutarla. Cuando la música original se grabó en el CD se utilizó un proceso que esencialmente, era el inverso del descrito aquí, y que utilizaba un conversor analógico-digital. analógico-digital.
Bibliografía • • • • •
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Referencias [1] [1] http http:/ :/ / www.dliengineering. www.dliengineering. com/ vibman-spanish/ vibman-spanish/ conversindeanlogoadigital2. conversindeanlogoadigital2. htm [2] [2] http http:/ :/ / www.globu. www.globu.net/ net/ pp/ pp/ PP/ PP/ ne555.htm ne555. htm [3] [3] http http:/ :/ / www.ucontrol. www.ucontrol.com. com.ar/ ar/ wiki/ wiki/ index.php?title=Interfaz_A/ index. php?title=Interfaz_A/ D_por_puerto_paralelo D_por_puerto_paralelo
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Audio digital El audio digital es la codificación digital de una señal eléctrica que representa una onda sonora. Consiste en una secuencia de valores enteros y se obtienen de dos procesos: el muestreo y la cuantificación digital de la señal eléctrica. El muestreo consiste en fijar la amplitud de la señal eléctrica a intervalos regulares de tiempo (tasa de muestreo). Para cubrir el espectro audible (20 a 20000 Hz) suele bastar con tasas de muestreo de algo más de 40000 Hz (el estándar CD-Audio emplea una tasa un 10% mayor con objeto de contemplar el uso de filtros no ideales), con 32000 muestras por segundo se tendría un ancho de banda similar al de la radio FM o una cinta de casete, es decir, permite registrar Muestreo digital de una señal de audio. componentes de hasta 15 kHz, aproximadamente. Para reproducir un determinado intervalo intervalo de frecuencias se necesita una tasa de muestreo de poco más del doble (Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon). Por ejemplo en los CD, que reproducen hasta 20 kHz, emplean una tasa de muestreo de 44,1 kHz (frecuencia Nyquist de 22,05 kHz). La cuantificación consiste en convertir el nivel de las muestra fijadas en el proceso de muestreo, normalmente, un nivel de tensión, en un valor entero de rango finito y predeterminado. Por ejemplo, utilizando cuantificación lineal, una codificación lineal de 8 bits discriminará entre 256 niveles de señal equidistantes (2 8). También se pueden hacer cuantificaciones no lineales, como es el caso de cuantificadores logarítmicos como la Ley Mu o la Ley A, que, a modo de ejemplo, aún usando 8 bits funcionan perceptualmente como 10 bits lineales para señales de baja amplitud en promedio, como la voz humana por ejemplo. El formato más usado de audio digital PCM lineal es el del CD de audio: 44,1 kHz de tasa de muestreo y cuantificación lineal de 16 bits (que mide 65536 niveles de señal diferentes) y que, en la práctica, permite registrar señales analógicas con componentes hasta los 20 kHz y con relaciones señal a ruido de más de 90 dB.
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Tasa de muestreo De acuerdo con el Teorema de muestreo de Nyquist, la tasa de muestreo, esto es, el número de muestras con las que se realiza el proceso de muestreo en una unidad de tiempo, determina exclusivamente la frecuencia máxima de los componentes armónicos que pueden formar parte del material a digitalizar. [1] Satisfechos los requerimientos de Nyquist y un pequeño margen práctico, y al contrario de lo que es una creencia errónea muy extendida, [2] no existe relación directa entre el sobremuestreo A/D (realizar el muestreo digital a una tasa mayor de la estrictamente necesaria para el ancho de banda de interés) y una mayor fidelidad en la posterior reconstrucción de la señal en todo el [3] espectro (hasta la frecuencia de Nyquist). Aliasing
Ejemplo de reconstrucción de una señal de 14,7 kHz (línea gris discontinua) con sólo cinco muestras. Cada ciclo se compone de sólo 3 muestras a 44100 muestras por segundo. La reconstrucción teórica resulta de la suma ponderada de la función de interpolación g(t) y sus versiones correspondientes desplazadas en el tiempo , donde los coeficientes de ponderación son las g(t-nT) con muestras x(n). En esta imagen cada función de interpolación está representada con un color (en total, cinco) y están ponderadas al valor de su correspondiente muestra (el máximo de cada función pasa por un punto azul que representa la muestra).
Con objeto de evitar el fenómeno conocido como aliasing, es necesario eliminar todos los componentes de frecuencias que exceden la mitad de la tasa de muestreo, es decir, del límite de Nyquist, antes del proceso de digitalización digitalización (conversión A/D). En la práctica, estos componentes se atenúan fuertemente mediante un filtro activo analógico paso-bajo que se aplica a la señal analógica de interés antes de su digitalización y que para este objetivo se denomina filtro antialiasing. En el proceso de reconstrucción posterior (conversión D/A) de la reproducción se deberá aplicar en esencia el mismo filtrado analógico mediante un filtro que, empleado en este proceso, se denomina de reconstrucción.
Tamaño de las muestras El número de bits que conforman las muestras en un proceso determinado de cuantificación determina la relación señal a ruido máxima que debe tener la señal (la salida de un micrófono y, consecuentemente, el material sonoro sonoro que recoge, la salida de un máster analógico, etc.) que se pretende cuantificar y, por tanto, limita también el rango dinámico que debe tener para su cuantificación completa, de modo parecido a cómo la capacidad de un recipiente (bits por muestra) limita el volumen de líquido (rango del material sonoro a cuantificar) que puede contener. Sea el número de bits con las las que se cuantifican cuantifican las las muestras, la relación relación señal (para (para sinusoidal sinusoidal máxima que cubre [4] todo el rango) a ruido de cuantificación teórica se obtiene en dB:
Por tanto, una cuantificación de 16 bits permite un máximo teórico para la relación señal sinusoidal a ruido de cuantificación de 98,09 dB (122,17 dB para 20 bits, valor muy cercano al límite real que permite el ruido de
Audio digital Johnson-Nyquist (también conocido como ruido térmico) de los mejores convertidores A/D actuales). En la práctica, el límite de una señal analógica para que pueda ser cuantificada sin merma dinámica es, aproximadamente, el 90% del límite teórico. [5] Por lo tanto, el límite que debe tener una señal (por ejemplo, la señal directa de un micrófono o la que resultara de un máster analógico) para ser cuantificada con seguridad con sólo 14 bits es de unos 78 dB, aún cuando el límite teórico sea de 86,05 dB en este caso. Una vez que la relación señal a ruido de cuantificación que permite un proceso de cuantificación dado excede la relación señal a ruido máxima del material sonoro que se pretende cuantificar, esta podrá ser cuantificada cuantificada totalmente sin pérdidas en su rango dinámico. Pasado este umbral, de nada sirve aumentar el número de bits por muestra del proceso de cuantificación: no resultará en una conversión más fiel. Por ejemplo, una relación señal a ruido de cuantificación cuantificación de 90 dB (una relación práctica que permiten sobradamente los 16 bits por muestra de un CD-Audio) es suficiente para cuantificar cualquier grabación musical normal, cuyo rango de intensidad sonora puede ir desde los 25 dB(SPL) del ruido de fondo de un estudio de grabación hasta los 115 dB(SPL), casi el umbral del dolor de la audición humana,[6] en la posición del micrófono duante una grabación en dicho estudio. El tamaño de las muestras necesario en un proceso de cuantificación digital se determina, por tanto, a partir del análisis del ruido de fondo y de la intensidad máxima del material sonoro a registrar. Aumentar por encima de lo necesario el tamaño de las muestras es sólo un desperdicio de ancho de banda, especialmente en los formatos finales de distribución. No supone mejora alguna, ni siquiera mensurable, ya que sólo serviría para registrar el ruido con más bits, es decir, más bits inútiles cuyo valor dependerá exclusivamente del azar o, según se ajuste la ganancia, para dejar los bits más significativos a cero en todas las muestras (o una combinación de ambas cosas). De modo parecido, un recipiente de capacidad mayor a la del líquido que se pretende depositar en él no mejora en medida alguna la calidad o cantidad de dicho líquido respecto al uso de un recipiente de menor capacidad siempre que ésta capacidad menor sea aún suficiente para el volumen del líquido. Dicho de otro modo, al contrario de lo que es una creencia errónea muy extendida, [7] el tamaño de las muestras a emplear en una cuantificación depende del material sonoro que se pretende cuantificar y nada tienen que ver la fidelidad de la reconstrucción en la reproducción o los límites psicoacústicos humanos (por la percepción de dicha fidelidad) con esta determinación, por ejemplo. Si un material sonoro a digitalizar "cabe" en 10 bits por muestra, cuantificar a 14 bits (o 20) no hace más fiel su reconstrucción posterior ni, consecuentemente, es posible percibir diferencias subjetivas que no resulten de la sugestión.
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Dither Con objeto de evitar que el ruido de cuantificación se manifieste como una distorsión, se hace necesario añadir un ruido denominado dither antes del proceso de cuantificación en todos los casos donde el nivel del ruido de la señal (por ejemplo, ruido de Johnson-Nyquist o ruido térmico de un circuito específico) sea inferior al de cuantificación.[8] Sea Δ el incremento de tensión (diferencia de potencial) correspondiente a un escalón de cuantificación, el valor eficaz (RMS) del ruido de cuantificación cuantificación sería:
Señal armónica (sinusoidal pura) con dither añadido en una relación señal a ruido de 21,03 dB lista para ser cuantificada con sólo 4 bits por muestra (16 niveles de cuantificación). La señal tiene, por tanto, unas 127 veces la potencia del dither (11,26 veces su valor eficaz -RMS-). Una futura conversión A/D con más niveles de cuantificación (más bits por muestra) permitirían añadir un dither proporcionalmente (respecto de la señal) menor.
Dado que actualmente los mejores convertidores tienen relaciones señal a ruido térmico que raramente exceden los 122 dB a temperatura tem peratura ambiente, ambiente, se hace necesario añadir dither en todos los casos en los que se em plean cuantificaciones (o recuantificaciones) inferiores a 20 bits. Los cuantificadores de 24 bits, si bien no presentan ventajas prácticas sobre los de 20 bits debido al nivel del ruido térmico de los convertidores, al menos no requieren la adición de dither (y permiten registrar la muestra en un número entero de bytes). Sin embargo, sí será imprescindible añadir dither en los casos donde se recuantifican estas grabaciones a muestras de 16 bits, por ejemplo.
Formatos de archivo de audio digital Los archivos de audio digital almacenan toda la información que ocurra en el tiempo, el tamaño del archivo no varía así contenga 'silencio' o sonidos muy complejos [cita requerida]. Existen muchos formatos de archivo de audio digital, que se pueden dividir en dos categorías PCM y comprimidos. Como se vio arriba el tamaño puede depender de la cantidad de canales que tenga el archivo y de la resolución (tasa de muestreo y profundidad). Los formatos PCM contienen toda la información que salió del convertidor analógico a digital, sin ninguna omisión y por eso, tienen la mejor calidad. Dentro de esta categoría se encuentran los formatos WAV, AIFF, SU, AU y RAW (crudo). La diferencia principal que tienen estos formatos es el encabezado, alrededor de 1000 bytes al comienzo del archivo [cita requerida]. Formatos PCM
Formatos comprimidos Para usar menos memoria que
los archivos PCM existen formatos de sonido comprimid os, como por ejemplo ejem plo el MP3, AAC AA C y Ogg. Ciertos algoritmos de compresión descartan información que no es perceptible por el oído humano para lograr que el mismo fragmento de audio pueda ocupar en la memoria inclusive décima parte -o menos- de lo que ocuparía de ser PCM [cita requerida]. La reducción en tamaño implica una pérdida de información y por esto a los formatos de este tipo se les llama formatos comprimidos con pérdida [cita requerida]. Existen también formatos de archivo comprimido sin pérdida, dentro de los que se cuentan el FLAC y el Apple Lossless Encoder, cuyo tamaño suele ser de aproximadamente la mitad de su equivalente PCM [cita requerida].
Audio digital Este formato de archivos no es precisamente de audio digital, pero sí pertenece a las tecnologías de la informática musical. El archivo MIDI no almacena "sonido grabado", sino las indicaciones para que un sintetizador o cualquier otro dispositivo MIDI "interprete" una serie de notas u otras acciones (control de un mezclador, etc.) [cita requerida]. Podemos imaginarlos como algo similar a una partitura, con los nombres de los instrumentos que hay que utilizar, las notas, tiempos y algunas indicaciones acerca de la interpretación. Formatos descriptivos: Archivos MIDI
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