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Conversión analógica-digital

Enero 03, 2022

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La conversión analógica-digital consiste en la transcripción de señales analógicas en señal digital, con el propósito de facilitar su procesamiento (codificación, compresión, etcétera) y hacer la señal resultante (digital) más inmune al ruido y otras interferencias a las que son más sensibles las señales analógicas.

Precedentes históricos

El proceso de almacenar y transmitir información en forma digital, es decir, el proceso de conversión, a pesar de ser un tema que se ha desarrollado principalmente durante el último siglo, se está utilizando desde hace casi 2000 años, comenzando con los molinos romanos. Estos funcionaban mediante el árbol de levas, que transmitía la energía del agua en las levas de acuerdo a un orden establecido por la posición de los salientes del cilindro.

El mismo principio también se aplicó en la edad media, con los carillones de las catedrales. Estos permitían "programar" la melodía de las campanas a partir de los salientes de un cilindro que giraba sobre un eje. Funcionaba de la siguiente manera: cada vez que hay un saliente, se levanta la palanca y suena la campana con el tono que corresponde. Cuando no hay saliente, ese tono no suena.[1]​

Este mismo proceso, el del cilindro con los salientes, es el mismo que encontrábamos en las pianolas, pianos automáticos del s. XIX, y en las cajas musicales que encontramos actualmente.[2]​

En este mismo siglo, el XIX, encontramos a Jacques de Vaucanson, considerado el constructor de autómatas más importante de la época, principalmente por su Canard digérateur ("El Pato con aparato digestivo"), que entre otras cosas, era capaz de moverse, comer y defecar.[3]​

Con el nacimiento de la industria textil, se produjo el avance más importante en cuanto a los mecanismos de codificación de la información del nuestro presidente. Se quería construir un telar que produjera una gran cantidad de piezas de ropa y de mejor calidad, con el menor número de personas trabajando.

En este proceso de invención, hacia el 1725, Basile Bouchon, un tejedor, hijo de un constructor de órganos, dio el primer paso con la construcción de un telar programable, a partir de tiras de cartón con perforaciones que controlaban directamente el dibujo que tenía que hacer. La combinación de agujeros en función de los colores asociados a cada aguja propiciaba el dibujo resultante. De este modo, se podían hacer dibujos y estampados más complejos.[4]​

Sin embargo, este invento lo mejoró en 1740 el francés Jean-Baptiste Falcon, sustituyendo las largas tiras de papel por fichas perforadas, ya que éstas se rompían con facilidad.[5]​

Aproximadamente 50 años más tarde, en 1802, en plena Revolución industrial, apareció Joseph Jacquard, quien recogió los trabajos anteriormente citados para hacer un paso adelante con la construcción de un telar automático. Este se convertiría en la base de la industria textil del siglo XIX, y controlaba un dispositivo programado a partir de las tarjetas perforadas.[6]​

No es hasta 1890 que la tarjeta perforada logra un significativo paso adelante, a partir de su aplicación en el ámbito del procesamiento de grandes cantidades de información, por parte de Hermann Hollerith. Este creó la máquina tabuladora, y la utilizó para almacenar y procesar la información del censo de Estados Unidos del 1890.[7]​

En el censo anterior, el de 1880, se tardó casi 7 años a calcularse con 50 millones de personas, y el de 1890, con 13 millones más de personas, solo tardó dos años y medio.

Esto supuso un avance conceptual, ya que las tarjetas codificaban datos abstractos, cantidades numéricas, la base de la estadística.

Comparación de 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.

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). 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 aquellas que provienen de soportes analógicos, caracterizados típicamente por relaciones señal a ruido bajas en comparación.

Ventajas de la señal digital

 
Sistema digital-analógico.
  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.

Inconvenientes de la señal digital

  1. Se necesita una conversión analógica-digital previa y una decodificación posterior, en el momento de la recepción.
  2. Si no se emplean un número suficiente de niveles de cuantificación en el proceso de digitalización, la relación señal ruido (SNR) de la señal resultante se verá reducida.
  3. El contenido en frecuencia de la señal digital viene limitado por la frecuencia de Nyquist, de forma que la componente máxima se corresponde con la mitad de la tasa de muestreo. Además, por cuestiones prácticas, se debe dejar un margen de seguridad desde la frecuencia de Nyquist y el límite de la banda de interés. Así por ejemplo, en los CD, cuya frecuencia de muestreo es 44,1 kHz, la componente máxima es 22,05 kHz y la banda de interés se limita a los 20 kHz (margen del 10%).

Digitalización

La digitalización o conservación analógica-digital (Conversión A /D) consiste básicamente en realizar de forma periódica medidas de 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) 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 una digitalización de la señal intervienen los siguientes procesos:

  • Muestreo
  • Retención
  • Cuantificación
  • Codificación

Muestreo

La digitalización o conversión A/D, básicamente, consiste 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 (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 porque se trata de un recurso técnico debido a limitaciones prácticas, y carece de modelo matemático.

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.

Retención

En inglés hold, las muestras tomadas tiene que ser retenidas (retención) por un circuito de retención, el tiempo suficiente para permitir evaluar su nivel (cuantificación). Desde del punto de vista matemático este proceso no se complementa, ya que, se trata de un recurso técnico a causa de las limitaciones prácticas, y manca, por lo tanto, de un modelo matemático.

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 distorsión no deseada a la señal de entrada: el ruido de cuantificación.

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.

Ejemplo de digitalización

Una computadora o cualquier sistema de control, basado en un microprocesador, no puede interpretar señales analógicas porque solo utiliza señales digitales. Es necesario traducir o transformar en señales binarias, lo que se denomina proceso de digitalización o conversión de señales analógicas a digitales.

 
Digitalización por muestreo de una señal analógica.
  • Si el valor de la señal en ese instante está por debajo de un determinado umbral, la señal digital toma un valor mínimo (0).
  • Cuando la señal analógica se encuentra por encima del valor umbral, la señal digital toma un valor máximo (1).

El momento en que se realiza cada lectura, es ordenado por un sistema de sincronización que emite una señal de reloj con un período constante. Estas conversiones analógico-digitales son habituales en adquisición de datos por parte de una computadora y en la modulación digital para transmisiones y comunicaciones por radio.

Principio de la Escala Móvil

La escalera móvil o método aleatorio se puede emplear para mejorar considerablemente la uniformidad de anchura del canal y la linealidad diferencial de cualquier tipo de CAD, pero sobre todo convertidores que usan aproximaciones sucesivas. En condiciones normales, un polvo de una amplitud particular, siempre se convierte en un valor determinado del canal. El problema consiste en que los canales no siempre son de una anchura uniforme, y la linealidad diferencial disminuye proporcionalmente con la variación de la anchura media. El principio de la escalera móvil utiliza un método de aproximación para superar este fenómeno. Un valor analógico aleatorio conocido es añadido a la señal de entrada, después se convierten al formato digital, y la versión digital es equivalente a restarle el valor añadido, restaurando así a su valor original. La ventaja es que la conversión ha tenido lugar en un punto aleatorio, así la distribución estadística final de los números de canal es decidido por una media ponderada a lo largo de una región del rango del CAD.

Tipos de convertidores

  • Aproximaciones sucesivas ( Successive approximation (SAR)): Es el más utilizado, apto para aplicaciones que no necesitan grandes resoluciones ni velocidades. Debido a su bajo coste se suele integrar en la mayoría de microcontroladores permitiendo una solución de bajo coste en un único chip para numerosas aplicaciones de control. El convertidor realiza una búsqueda dicotómica del valor presente en la entrada. Su principal carencia es el elevado tiempo de conversión necesario.
  • Flash: Este convertidor destaca por su elevada velocidad de funcionamiento. Está formado por una cadena de divisores de tensión y comparadores, realizando la conversión de manera inmediata en una única operación. Su principal desventaja es el coste elevado.
  • Sigma-delta (ΣΔ): Tiene una velocidad máxima de conservación baja pero en cambio, disponen de una relación de señal a sonido muy elevada, la más grande de todos.
  • Rampa única: Es un tipo de convertidor con integrador. Se utiliza en aquellos casos en los cuales no se requiere una gran velocidad, pero que es importante conseguir una buena linealidad. Tienen como inconveniente que la salida depende de muchos factores como Vref, R, C... Este problema se soluciona con el convertidor de rampa doble.
  • Rampa doble: El funcionamiento del convertidor de rampa doble se basa con el de rampa simple pero se añade un des-integrador, con esto se consigue que cualquier error introducido en la integración se elimine.

Comparación entre señal analógica y digital

Las señales analógicas y digitales sirven para transmitir información de forma eficaz. Las señales analógicas se utilizan para llevar a cabo las transmisiones de elementos de vídeo o sonido (Son útiles para los micrófonos). Las señales analógicas son de tipo senoidal y, por tanto, se necesita un aparato capaz de decodificarlo y así recibir la información que envían. Se utiliza mucho por su fidelidad con el sonido real y porque no requiere grandes costes, ya que se consume poca anchura de banda, pero el inconveniente es que es una acción que se procesa en tiempo real. Este hecho provoca que si hay algún error sea difícil de rectificar, cada copia que se realiza del original se degrada y proporcionan poco apoyo vez de transmitir volumen de datos. (Esto no ocurre con el digital, donde podemos generar tantas copias como queramos y editar diferentes partes sin inconveniente). [8]​ Una señal analógica es aquel 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 que convierte un micrófono el sonido que capta, esta sería similar a la onda sonora que la originó.

En cambio, una señal digital es aquel donde las ondas (tiempo y amplitud) no corresponden a sinusoidales, si no que son cuadradas, lo que significa que la señal necesariamente debe 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 convertido en una combinación de ceros y unos, que ya no se parece en nada a la señal original. Esta forma de transmisión proporciona grandes posibilidades como transmitir la información de forma más fiel a la realidad. Actualmente es la vía más utilizada debido a su facilidad de uso, la no pérdida del original en el momento de realizar copias y la rapidez con la que se puede compartir. Aunque el analógico todavía se esté utilizando en algunos ámbitos y sea más barato, el digital se ha impuesto en nuestra sociedad. La tecnología prefiere utilizar la señal digital para que nos da una gran base de fiabilidad que es imposible de obtener con el analógico. [9]​

Las señales analógicas no se diferencian, por tanto, de las señales digitales en su precisión (la cual es finita tanto en los analógicos como en los digitales). 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 aquellas que provienen de soportes analógicos, caracterizados típicamente para relaciones señal a ruido bajas en comparación.

Compresión

Véanse también: Compresión con pérdidas y Compresión sin pérdidas.

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 solo una determinada tasa de datos.

Para realizar la compresión de las señales se usan complejos algoritmos de compresión (fórmulas matemáticas).

Hay dos tipos de compresión:

  1. Compresión sin pérdidas: en esencia se transmite toda la información pero eliminando aquella que es redundante. Para ello se hace uso de conceptos de la Teoría de la Información.
  2. Compresión con pérdidas: se desprecia cierta información considerada perceptualmente poco relevante. Este tipo de compresión aprovecha las limitaciones en la percepción del ser humano para eliminar aquella información que difícilmente puede percibir. No obstante una aplicación excesiva de esta compresión puede conducir a una pérdida de la “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. Un ejemplo común es la llamada “codificación de longitud de secuencias” (o codificación Huffman), utilizada por ejemplo en el código Morse. En este tipo de codificación se emplean secuencias de bits más cortas para aquellos símbolos muy frecuentes, dejando las más largas para aquellos que aparecen no muy a menudo. Así, en Morse, la letra 'e' (muy frecuente en inglés) se codifica con solo un punto, mientras que la 'j' (con escaso uso en inglés) se codifica con un punto seguido de tres rayas. Como puede verse, el resultado es una reducción del número total de bits a transmitir o almacenar.

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 (todos los símbolos tienden a ser equiprobables), 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 compresión con pérdidas, pero están diseñados de modo que las “pérdidas” no sean apenas percibidas por los seres humanos.

Como ejemplos clásicos se pueden 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 ⅓. 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?.
  • La compresión gráfica JPEG en lugar de definir la imagen por sus tres colores básicos (R;G;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 códecs codifican la luminancia de todas las muestras o píxeles y un valor medio de cada una de los valores crominancias cada 4 píxeles. 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 original.
  • La comprensión del sonido MP3 se basa en descomponer 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.

Clasificación convertidores A / D

La conversión de una variable analógica a digital, los cobertidores D/A dependen de la forma de representar la información de la salida, se pueden clasificar en:

  • Convertidores A/D con entrada paralela: Son aquellos que suministran simultáneamente en terminales independientes una combinación binaria equivalente al valor de la variable de entrada.
  • Convertidores D/A con entrada serie: Son aquellos que también codifican la señal analógica mediante una combinación binaria, pero en lugar de presentarlo en paralelo, lo hace con un circuito secuenciador.

Bibliografía

  • FRIES, Bruce y FRIES, Marty. Audio digital práctico. Ed. Anaya Multimedia. 2005. ISBN 84-415-1892-0

Véase también

Referencias

  1. «El carillón, su funcionamiento :: Piano Mundo - PianoMundo». Piano Mundo. 11 de julio de 2018. Consultado el 26 de noviembre de 2018. 
  2. «Funcionamiento de la Pianola». 
  3. «Autómatas en la Historia. Jacques de Vaucanson | Actually Notes Magazine». Actually Notes Magazine. 12 de diciembre de 2016. Consultado el 26 de noviembre de 2018. 
  4. «basile bouchon | Historias de los Inventos». historiasinventos.wordpress.com. Consultado el 26 de noviembre de 2018. 
  5. . Selby Soft Furnishings (en inglés). Archivado desde el original el 27 de noviembre de 2018. Consultado el 26 de noviembre de 2018. 
  6. «Joseph Jacquard». Joseph Jacquard ~ Tecnología. 25 de agosto de 2016. Consultado el 26 de noviembre de 2018. 
  7. «Herman Hollerith – Historia de la Informática». histinf.blogs.upv.es. Consultado el 26 de noviembre de 2018. 
  8. «Diferencias entre señal analogica y digital | VIU». www.universidadviu.com. Consultado el 13 de diciembre de 2020. 
  9. «Diferencias entre señal analogica y digital | VIU». www.universidadviu.com. Consultado el 13 de diciembre de 2020. 
  •   Datos: Q190169
  •   Multimedia: Analogue-digital converters

Enero 03, 2022
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Compresion 9 Clasificacion convertidores A D 10 Bibliografia 11 Vease tambien 12 ReferenciasPrecedentes historicos EditarEl proceso de almacenar y transmitir informacion en forma digital es decir el proceso de conversion a pesar de ser un tema que se ha desarrollado principalmente durante el ultimo siglo se esta utilizando desde hace casi 2000 anos comenzando con los molinos romanos Estos funcionaban mediante el arbol de levas que transmitia la energia del agua en las levas de acuerdo a un orden establecido por la posicion de los salientes del cilindro El mismo principio tambien se aplico en la edad media con los carillones de las catedrales Estos permitian programar la melodia de las campanas a partir de los salientes de un cilindro que giraba sobre un eje Funcionaba de la siguiente manera cada vez que hay un saliente se levanta la palanca y suena la campana con el tono que corresponde Cuando no hay saliente ese tono no suena 1 Este mismo proceso el del cilindro con los salientes es el mismo que encontrabamos en las pianolas pianos automaticos del s XIX y en las cajas musicales que encontramos actualmente 2 En este mismo siglo el XIX encontramos a Jacques de Vaucanson considerado el constructor de automatas mas importante de la epoca principalmente por su Canard digerateur El Pato con aparato digestivo que entre otras cosas era capaz de moverse comer y defecar 3 Con el nacimiento de la industria textil se produjo el avance mas importante en cuanto a los mecanismos de codificacion de la informacion del nuestro presidente Se queria construir un telar que produjera una gran cantidad de piezas de ropa y de mejor calidad con el menor numero de personas trabajando En este proceso de invencion hacia el 1725 Basile Bouchon un tejedor hijo de un constructor de organos dio el primer paso con la construccion de un telar programable a partir de tiras de carton con perforaciones que controlaban directamente el dibujo que tenia que hacer La combinacion de agujeros en funcion de los colores asociados a cada aguja propiciaba el dibujo resultante De este modo se podian hacer dibujos y estampados mas complejos 4 Sin embargo este invento lo mejoro en 1740 el frances Jean Baptiste Falcon sustituyendo las largas tiras de papel por fichas perforadas ya que estas se rompian con facilidad 5 Aproximadamente 50 anos mas tarde en 1802 en plena Revolucion industrial aparecio Joseph Jacquard quien recogio los trabajos anteriormente citados para hacer un paso adelante con la construccion de un telar automatico Este se convertiria en la base de la industria textil del siglo XIX y controlaba un dispositivo programado a partir de las tarjetas perforadas 6 No es hasta 1890 que la tarjeta perforada logra un significativo paso adelante a partir de su aplicacion en el ambito del procesamiento de grandes cantidades de informacion por parte de Hermann Hollerith Este creo la maquina tabuladora y la utilizo para almacenar y procesar la informacion del censo de Estados Unidos del 1890 7 En el censo anterior el de 1880 se tardo casi 7 anos a calcularse con 50 millones de personas y el de 1890 con 13 millones mas de personas solo tardo dos anos y medio Esto supuso un avance conceptual ya que las tarjetas codificaban datos abstractos cantidades numericas la base de la estadistica Comparacion de senales analogica y digital EditarUna senal analogica es aquella cuya amplitud tipicamente tension de una senal que proviene de un transductor y amplificador puede tomar en principio cualquier valor esto es su nivel en cualquier muestra no esta limitado a un conjunto finito de niveles predefinidos como es el caso de las senales cuantificadas Las senales analogicas no se diferencian por tanto de las senales digitales en su precision precision que es finita tanto en las analogicas como en las digitales o en la fidelidad de sus formas de onda distorsion Con frecuencia es mas facil obtener precision y preservar la forma de onda de la senal analogica original dentro de los limites de precision impuestos por el ruido que tiene antes de su conversion en las senales digitales que en aquellas que provienen de soportes analogicos caracterizados tipicamente por relaciones senal a ruido bajas en comparacion Ventajas de la senal digital Editar Sistema digital analogico Cuando una senal digital es atenuada o experimenta perturbaciones leves puede ser reconstruida y amplificada mediante sistemas de regeneracion de senales Cuenta con sistemas de deteccion y correccion de errores que se utilizan cuando la senal llega al receptor entonces comprueban uso de redundancia la senal primero para detectar algun error y algunos sistemas pueden luego corregir alguno o todos los errores detectados previamente Facilidad para el procesamiento de la senal Cualquier operacion es facilmente realizable a traves de cualquier software de edicion o procesamiento de senal La senal digital permite la multigeneracion infinita sin perdidas de calidad Es posible aplicar tecnicas de compresion de datos sin perdidas o tecnicas de compresion con perdidas basados en la codificacion perceptual mucho mas eficientes que con senales analogicas Inconvenientes de la senal digital Editar Se necesita una conversion analogica digital previa y una decodificacion posterior en el momento de la recepcion Si no se emplean un numero suficiente de niveles de cuantificacion en el proceso de digitalizacion la relacion senal ruido SNR de la senal resultante se vera reducida El contenido en frecuencia de la senal digital viene limitado por la frecuencia de Nyquist de forma que la componente maxima se corresponde con la mitad de la tasa de muestreo Ademas por cuestiones practicas se debe dejar un margen de seguridad desde la frecuencia de Nyquist y el limite de la banda de interes Asi por ejemplo en los CD cuya frecuencia de muestreo es 44 1 kHz la componente maxima es 22 05 kHz y la banda de interes se limita a los 20 kHz margen del 10 Digitalizacion EditarLa digitalizacion o conservacion analogica digital Conversion A D consiste basicamente en realizar de forma periodica medidas de amplitud tension de una senal por ejemplo la que proviene de un microfono si se trata de registrar sonidos de un sismografo si se trata de registrar vibraciones o de una sonda de un osciloscopio redondear sus valores a un conjunto finito de niveles preestablecidos de tension conocidos como niveles de cuantificacion y registrarlos como numeros enteros en cualquier tipo de memoria o soporte La conversion A D tambien es conocida por el acronimo ingles ADC Analogue to digital Converter En una digitalizacion de la senal intervienen los siguientes procesos Muestreo Retencion Cuantificacion CodificacionMuestreo Editar La digitalizacion o conversion A D basicamente consiste en realizar de forma periodica medidas de la amplitud tension de una senal por ejemplo la que proviene de un microfono si se trata de retencion por un circuito de retencion hold el tiempo suficiente para permitir evaluar su nivel cuantificacion Desde el punto de vista matematico este proceso no se contempla porque se trata de un recurso tecnico debido a limitaciones practicas y carece de modelo matematico Durante el muestreo y la retencion la senal aun es analogica puesto que aun puede tomar cualquier valor No obstante a partir de la cuantificacion cuando la senal ya toma valores finitos la senal ya es digital Los cuatro procesos tienen lugar en un conversor analogico digital Retencion Editar En ingles hold las muestras tomadas tiene que ser retenidas retencion por un circuito de retencion el tiempo suficiente para permitir evaluar su nivel cuantificacion Desde del punto de vista matematico este proceso no se complementa ya que se trata de un recurso tecnico a causa de las limitaciones practicas y manca por lo tanto de un modelo matematico Cuantificacion Editar En el proceso de cuantificacion se mide el nivel de voltaje de cada una de las muestras Consiste en asignar un margen de valor de una senal analizada a un unico nivel de salida Incluso en su version ideal anade como resultado una distorsion no deseada a la senal de entrada el ruido de cuantificacion Codificacion Editar La codificacion consiste en traducir los valores obtenidos durante la cuantificacion al codigo binario Hay que tener presente que el codigo binario es el mas utilizado pero tambien existen otros tipos de codigos que tambien son utilizados Ejemplo de digitalizacion EditarUna computadora o cualquier sistema de control basado en un microprocesador no puede interpretar senales analogicas porque solo utiliza senales digitales Es necesario traducir o transformar en senales binarias lo que se denomina proceso de digitalizacion o conversion de senales analogicas a digitales Digitalizacion por muestreo de una senal analogica Si el valor de la senal en ese instante esta por debajo de un determinado umbral la senal digital toma un valor minimo 0 Cuando la senal analogica se encuentra por encima del valor umbral la senal digital toma un valor maximo 1 El momento en que se realiza cada lectura es ordenado por un sistema de sincronizacion que emite una senal de reloj con un periodo constante Estas conversiones analogico digitales son habituales en adquisicion de datos por parte de una computadora y en la modulacion digital para transmisiones y comunicaciones por radio Principio de la Escala Movil EditarLa escalera movil o metodo aleatorio se puede emplear para mejorar considerablemente la uniformidad de anchura del canal y la linealidad diferencial de cualquier tipo de CAD pero sobre todo convertidores que usan aproximaciones sucesivas En condiciones normales un polvo de una amplitud particular siempre se convierte en un valor determinado del canal El problema consiste en que los canales no siempre son de una anchura uniforme y la linealidad diferencial disminuye proporcionalmente con la variacion de la anchura media El principio de la escalera movil utiliza un metodo de aproximacion para superar este fenomeno Un valor analogico aleatorio conocido es anadido a la senal de entrada despues se convierten al formato digital y la version digital es equivalente a restarle el valor anadido restaurando asi a su valor original La ventaja es que la conversion ha tenido lugar en un punto aleatorio asi la distribucion estadistica final de los numeros de canal es decidido por una media ponderada a lo largo de una region del rango del CAD Tipos de convertidores EditarAproximaciones sucesivas Successive approximation SAR Es el mas utilizado apto para aplicaciones que no necesitan grandes resoluciones ni velocidades Debido a su bajo coste se suele integrar en la mayoria de microcontroladores permitiendo una solucion de bajo coste en un unico chip para numerosas aplicaciones de control El convertidor realiza una busqueda dicotomica del valor presente en la entrada Su principal carencia es el elevado tiempo de conversion necesario Flash Este convertidor destaca por su elevada velocidad de funcionamiento Esta formado por una cadena de divisores de tension y comparadores realizando la conversion de manera inmediata en una unica operacion Su principal desventaja es el coste elevado Sigma delta SD Tiene una velocidad maxima de conservacion baja pero en cambio disponen de una relacion de senal a sonido muy elevada la mas grande de todos Rampa unica Es un tipo de convertidor con integrador Se utiliza en aquellos casos en los cuales no se requiere una gran velocidad pero que es importante conseguir una buena linealidad Tienen como inconveniente que la salida depende de muchos factores como Vref R C Este problema se soluciona con el convertidor de rampa doble Rampa doble El funcionamiento del convertidor de rampa doble se basa con el de rampa simple pero se anade un des integrador con esto se consigue que cualquier error introducido en la integracion se elimine Comparacion entre senal analogica y digital EditarLas senales analogicas y digitales sirven para transmitir informacion de forma eficaz Las senales analogicas se utilizan para llevar a cabo las transmisiones de elementos de video o sonido Son utiles para los microfonos Las senales analogicas son de tipo senoidal y por tanto se necesita un aparato capaz de decodificarlo y asi recibir la informacion que envian Se utiliza mucho por su fidelidad con el sonido real y porque no requiere grandes costes ya que se consume poca anchura de banda pero el inconveniente es que es una accion que se procesa en tiempo real Este hecho provoca que si hay algun error sea dificil de rectificar cada copia que se realiza del original se degrada y proporcionan poco apoyo vez de transmitir volumen de datos Esto no ocurre con el digital donde podemos generar tantas copias como queramos y editar diferentes partes sin inconveniente 8 Una senal analogica es aquel que puede tomar una infinidad de valores frecuencia y amplitud dentro de un limite superior e inferior El termino analogico proviene de analogo Por ejemplo si se observa en un osciloscopio la forma de la senal electrica que convierte un microfono el sonido que capta esta seria similar a la onda sonora que la origino En cambio una senal digital es aquel donde las ondas tiempo y amplitud no corresponden a sinusoidales si no que son cuadradas lo que significa que la senal necesariamente debe tomar unos determinados valores fijos predeterminados en momentos tambien discretos Estos valores fijos se toman del sistema binario lo que significa que la senal va a quedar convertido en una combinacion de ceros y unos que ya no se parece en nada a la senal original Esta forma de transmision proporciona grandes posibilidades como transmitir la informacion de forma mas fiel a la realidad Actualmente es la via mas utilizada debido a su facilidad de uso la no perdida del original en el momento de realizar copias y la rapidez con la que se puede compartir Aunque el analogico todavia se este utilizando en algunos ambitos y sea mas barato el digital se ha impuesto en nuestra sociedad La tecnologia prefiere utilizar la senal digital para que nos da una gran base de fiabilidad que es imposible de obtener con el analogico 9 Las senales analogicas no se diferencian por tanto de las senales digitales en su precision la cual es finita tanto en los analogicos como en los digitales Con frecuencia es mas facil obtener precision y preservar la forma de onda de la senal analogica original dentro de los limites de precision impuestos por el ruido que tiene antes de su conversion en las senales digitales que en aquellas que provienen de soportes analogicos caracterizados tipicamente para relaciones senal a ruido bajas en comparacion Compresion EditarVeanse tambien Compresion con perdidasy Compresion sin perdidas La compresion consiste en la reduccion 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 transmision pueden manejar solo una determinada tasa de datos Para realizar la compresion de las senales se usan complejos algoritmos de compresion formulas matematicas Hay dos tipos de compresion Compresion sin perdidas en esencia se transmite toda la informacion pero eliminando aquella que es redundante Para ello se hace uso de conceptos de la Teoria de la Informacion Compresion con perdidas se desprecia cierta informacion considerada perceptualmente poco relevante Este tipo de compresion aprovecha las limitaciones en la percepcion del ser humano para eliminar aquella informacion que dificilmente puede percibir No obstante una aplicacion excesiva de esta compresion puede conducir a una perdida de la calidad en el resultado final Las tecnicas de compresion sin perdidas se basan en algoritmos matematicos que permiten la reduccion de los bits que es necesario almacenar o transmitir Un ejemplo comun es la llamada codificacion de longitud de secuencias o codificacion Huffman utilizada por ejemplo en el codigo Morse En este tipo de codificacion se emplean secuencias de bits mas cortas para aquellos simbolos muy frecuentes dejando las mas largas para aquellos que aparecen no muy a menudo Asi en Morse la letra e muy frecuente en ingles se codifica con solo un punto mientras que la j con escaso uso en ingles se codifica con un punto seguido de tres rayas Como puede verse el resultado es una reduccion del numero total de bits a transmitir o almacenar Las tecnicas de codificacion mencionadas son de gran utilizacion en los sistemas de transmision digital Sin embargo en lo que se refiere al tratamiento digital de imagen y sonido dada la aleatoriedad de este tipo de senales todos los simbolos tienden a ser equiprobables son poco efectivos en cuanto a la reduccion del tamano de los archivos resultantes Por eso la compresion del sonido y la imagen para Internet se basa mas en el conocimiento del funcionamiento de nuestros sentidos Son tecnicas que asumen perdidas de informacion de ahi su nombre de compresion con perdidas pero estan disenados de modo que las perdidas no sean apenas percibidas por los seres humanos Como ejemplos clasicos se pueden citar La compresion grafica GIF se basa en la utilizacion de una paleta de 256 colores estudiados cuidadosamente de acuerdo con la apreciacion del color por ojo humano Con esto se logra una razon de compresion de Los 256 se pueden codificar con 8 bits en vez de usar 24 bits para definir el color verdadero La perdida de informacion parece grande pero puede el ojo humano apreciar los matices de mas de un millon de colores La compresion grafica JPEG en lugar de definir la imagen por sus tres colores basicos R G B utiliza la trasformacion de la informacion 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 senal de television Resulta que el ojo humano es mas sensible a los cambios de brillo luminancia que de color crominancia por lo que estos codecs codifican la luminancia de todas las muestras o pixeles y un valor medio de cada una de los valores crominancias cada 4 pixeles Para codificaciones de 8 bits por pixel la cuenta de la razon de compresion es 4x8 8 8 48 en vez de 4x8x3 96 de la original La comprension del sonido MP3 se basa en descomponer mediante filtros en diversos canales de frecuencia que se muestrean y codifican independientemente teniendo en cuenta la sensibilidad del oido humano a las diferentes frecuencias y rangos dinamicos de cada uno de los canales Clasificacion convertidores A D EditarLa conversion de una variable analogica a digital los cobertidores D A dependen de la forma de representar la informacion de la salida se pueden clasificar en Convertidores A D con entrada paralela Son aquellos que suministran simultaneamente en terminales independientes una combinacion binaria equivalente al valor de la variable de entrada Convertidores D A con entrada serie Son aquellos que tambien codifican la senal analogica mediante una combinacion binaria pero en lugar de presentarlo en paralelo lo hace con un circuito secuenciador Bibliografia EditarFRIES Bruce y FRIES Marty Audio digital practico Ed Anaya Multimedia 2005 ISBN 84 415 1892 0Vease tambien EditarAliasing Codificacion digital Compresion digital Conversion digital analogica Conversor analogico digital Cuantificacion digital Frecuencia de muestreo Muestreo digital Procesamiento digital de senales Ruido de cuantificacionReferencias Editar El carillon su funcionamiento Piano Mundo PianoMundo Piano Mundo 11 de julio de 2018 Consultado el 26 de noviembre de 2018 Funcionamiento de la Pianola Automatas en la Historia Jacques de Vaucanson Actually Notes Magazine Actually Notes Magazine 12 de diciembre de 2016 Consultado el 26 de noviembre de 2018 basile bouchon Historias de los Inventos historiasinventos wordpress com Consultado el 26 de noviembre de 2018 Jean Baptiste Falcon Selby Soft Furnishings en ingles Archivado desde el original el 27 de noviembre de 2018 Consultado el 26 de noviembre de 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