ASÍ FUNCIONA LA CONVERSIÓN ANALÓGICO DIGITAL
ASÍ FUNCIONA LA CONVERSIÓN ANALÓGICO DIGITAL
Texto e ilustraciones José Antonio E. García Álvarez
Contenido:
– Introducción
– Señal eléctrica analógica
> Sonido digital
– Digitalización de la señal analógica
– Conversión analógico digital
– Bits de resolución del audio digital
– Ventajas e inconvenientes de la conversión analógico digital
SONIDO DIGITAL
Con el avance de la ciencia y la técnica, tanto la transmisión como la grabación de los sonidos e imágenes analógicas han sufrido grandes cambios en estos últimos años. La introducción de las técnicas digitales, permiten hacer muchas cosas más, con mayores ventajas y más versatilidad que con la tecnología analógica.
Muchos de los dispositivos que conocemos en la actualidad como digitales, reciben o captan primero las señales de forma analógica para convertirlas después en señales digitales. Ese es el caso, por ejemplo, de los reproductores de CDs y DVDs, el módem que emplean los ordenadores para la recepción/transmisión de datos, las cámaras fotográficas y de vídeo digitales, el teléfono móvil o celular, etc.
Reproductor digital de DVDs.
Para realizar la conversión, esos dispositivos utilizan, como intermediario, un dispositivo denominado conversor analógico-digital o ADC (Analogic to Digital Converter), que recibe primeramente las señales eléctricas en forma de onda senoidal analógica (como la que proporciona el micrófono) y a continuación las convierte en señales digitales, codificadas en valores numéricos binarios, es decir, en ceros (0) y unos (1).
1. Onda sonora o acústica (voz, música, efectos, etc.). 2. Micrófono. 3. Onda senoidal analógica que se obtiene después que el micrófono convierte los sonidos en señales eléctricas de audiofrecuencia. 4. ADC (Analogic to Digital Converter – Conversor Analógico Digital). 5. Señal digital compuesta por ceros (0) y unos (1), obtenida después que la señal analógica es procesada por el ADC. 6. Salida de la señal de audio digitalizada para ser grabada.
En las cámaras fotográficas y de vídeo digitales, así como en los escáneres, existe un sensor denominado CCD (Charge Coupled Device – Dispositivo de carga acoplada) o en su defecto un sensor CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor – Semiconductor de óxido metálico complementario), que son los encargados de convertir las imágenes que reciben en señales eléctricas analógicas.
En ese caso, al igual que ocurre con el micrófono, un ADC se encarga de convertir esas señales analógicas en señales digitales de imagen, para que puedan ser almacenadas como tales en una videocinta, en la tarjeta de memoria del dispositivo, o en cualquier otro dispositivo de almacenamiento digital, para su posterior visualización.
Sensor CCD (Charge Coupled Device - Dispositivo de carga acoplada) de una cámara fotográfica digital, que permite captar imágenes analógicas en forma de impulsos eléctricos. Una vez tomada la foto, un ADC o conversor analógico-digital se encarga de convertir las señales analógicas en señales eléctricas de unos (1) y ceros (0), que serán las encargadas de convertir la imagen original en imagen digitalizada para su procesamiento o impresión..
Otro ejemplo de conversión analógico-digital lo tenemos en el módem que comúnmente se utiliza para recibir y enviar mensajes de correo electrónico y/o multimedia por el ordenador o computadora y para conectarnos a Internet. El principio de funcionamiento del módem se basa en transformar las señales analógicas que se reciben a través de la línea telefónica en señales digitales, para que el sistema operativo del ordenador o computadora las pueda interpretar.
Muchos de esos dispositivos, como el propio módem y las grabadoras de sonido y de imágenes digitales, poseen también un DAC (Digital-to-Analog Converter – Conversor digital-analógico) que realiza después el proceso inverso, es decir, convierten las señales digitales en señales analógicas.
Esa nueva conversión de digital a analógico es estrictamente necesaria hacerla, porque el sonido analógico es el único audible, o sea, el único que reconoce nuestro sentido de oído. Igualmente, los impulsos eléctricos analógicos son los únicos capaces de mover el cono de un altoparlante o bafle para reproducir de nuevo los sonidos originales, cosa que no pueden hacer los impulsos eléctricos de “1” y “0” del código binario o digital. Por tanto, para hacer audible la codificación de los sonidos digitales por el/los altoparlantes o bafles, es necesario convertirlos de nuevo en señales eléctricas analógicas, con sus correspondientes variaciones de tensiones o voltajes.
INTRODUCCIÓN
Muchos equipos y dispositivos modernos requieren procesar la señales analógicas que reciben y convertirlas en señales digitales para poder funcionar. Por ser las grabadoras y reproductoras de música en CDs los equipos digitales más conocidos, veremos primero qué es el sonido en sí, qué se entiende por analógico y qué por digital, para una mejor comprensión de este tema.
El sonido se compone de variaciones de presión o vibraciones de moléculas de aire que llegan hasta nuestro sentido del oído en forma de ondas acústicas. Esas ondas serán audibles siempre que su frecuencia se limite a un rango superior a los 20 hertz o ciclos por segundo, para los sonidos más graves e inferior de los 20 mil hertz (20 kHz) o ciclos por segundo, para los más agudos. Cualquier cuerpo que vibre dentro de esa gama de frecuencias del espectro electromagnético, podrá ser captado por nuestro sentido del oído como una onda sonora audible. Más allá de los 20 kHz, las ondas se convierten en ultrasonidos, cuyas frecuencias el oído humano es incapaz de percibir, no así algunos animales, por ejemplo, el perro, que puede captar sonidos de unos 30 kHz de frecuencia..
El sonido, independientemente que sea natural o artificial, posee intensidad, tono, timbre y frecuencia, lo cual los diferencia a unos de los otros y permite representarlos gráficamente como una onda senoidal, de amplitud y frecuencia variable.
Representación gráfica de la onda sonora analógica producida por dos instrumentos musicales de percusión. Las pequeñas irregularidades visibles en el contorno de la línea que forma el trazado de la sinusoide, semejante a pequeñitos dientes de una sierra, representan los armónicos que definen los timbres y los tonos característicos del sonido que producen ambos instrumentos cuando se mezclan. Las variaciones en amplitud y altura de las ondulaciones de la propia sinusoide representan la intensidad del sonido y frecuencia en hertz (Hz) o kilohertz (kHz) de la onda sonora. En esta ilustración, el trazado o forma de la sinusoide correspondiente a la mitad izquierda de la sinusoide, responde a un tono grave con una intensidad de sonido de bajo volumen, mientras que el de la mitad derecha responde a un tono agudo, con una intensidad de volumen de sonido más alta.
Si uno o varios sonidos diferentes presentes en una onda sonora son captados, por ejemplo, por un micrófono, obtendremos señales eléctricas analógicas de baja frecuencia o audiofrecuencia, es decir, frecuencias audibles, similares en su forma a las ondas sonoras que le dieron origen. Esas señales eléctricas las podemos amplificar y/o enviar a través de un cable (como sucede con el teléfono, por ejemplo), o transmitirla también por vía inalámbrica, tal como ocurre con las ondas que emiten las estaciones de radio.
Pero si además de la amplificación o transmisión de las ondas de sonido, contamos con un equipo adecuado de registro, esas señales eléctricas analógicas de audiofrecuencia también se pueden grabar y guardar en un medio masivo de almacenamiento, como pudiera ser una cinta magnetofónica, una videocinta, un CD, un DVD, etc., para su posterior reproducción.
1. Onda sonora con intensidad, tono, timbre y frecuencia determinada. 2. Micrófono. 3. La misma onda sonora después de convertida en impulsos eléctricos por el micrófono. El sonido original se transforma en una onda eléctrica analógica senoidal (onda de audiofrecuencia), de igual intensidad, tono, timbre, frecuencia y forma gráfica, que la captada por el micrófono. 4. Salida de la señal eléctrica de audiofrecuencia para ser grabada o amplificada localmente.
El principio de funcionamiento de un micrófono es muy simple. Los tipos más sencillos poseen una membrana que vibra libremente cuando capta cualquier onda acústica o de sonido, ya sea voz, música o ruidos, convirtiéndola en señal eléctrica de audiofrecuencia, es decir, en una onda senoidal analógica de baja frecuencia y de muy poca tensión o voltaje, semejante a la del sonido captado. Cuando dicho sonido es fuerte, el micrófono genera una tensión más alta, o de mayor voltaje, que cuando es más débil. No obstante, como en cualesquiera de los dos casos la tensión generada por el micrófono es de muy bajo voltaje, para que se pueda amplificar y hacerla nuevamente audible a un volumen más alto, es necesario pasarla primero por un amplificador de audio.
Izquierda: sinusoide correspondiente a un sonido grave en estado puro, es decir, sin armónicos añadidos y de intensidad constante, como el que produce el disparo de un cañón antiguo cuando se escucha de lejos. Derecha: representación gráfica de una sinusoide o señal analógica correspondiente a un sonido agudo, también puro y de intensidad constante como, por ejemplo, el de una sirena. En el caso específico de un sonido grave como el de la izquierda, el micrófono genera una tensión más débil que cuando el sonido es agudo. Eso se debe a que la amplitud o altura de la onda en el primer ejemplo es más reducida que en el segundo.
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. Por tanto, una onda eléctrica de sonido puede tomar infinidad de valores positivos y negativos (superiores e inferiores), dentro de cierto límite de volt también positivos o negativos, representandos siempre dentro de una unidad dedeterminada de tiempo , generalmente medida en segundos.
Representación gráfica de una onda senoidal o sinusoidal alterna con una frecuencia de 3 Hz (hertz) o ciclos por segundo. Cada ciclo está formado por: amplitud de onda (A), positiva (+) cuando la sinusoide alcanza su máximo valor de tensión o voltaje de pico (por encima de “0” volt) y negativa (–) cuando decrece (por debajo de “- 0” volt). El valor máximo que toma la señal eléctrica de una onda sinusoidal recibe el nombre de “cresta” o “pico” (P), mientras que el valor mínimo o negativo recibe el nombre de “vientre” o “valle” (V). La distancia existente entre una cresta o pico y el otro, o entre un valle o vientre y el otro se denomina “período” (T).
MÉTODO DE GRABACIÓN DEL SONIDO ANALÓGICO
El método de grabación del sonido analógico consiste, por ejemplo, en registrar en una cinta magnetofónica una representación magnética de las variaciones sonoras que capta el micrófono una vez que éste las convierte en señales eléctricas de audiofrecuencia.
Ese registro se considera como un fenómeno continuo de grabación de impulsos eléctricos de diferentes tensiones o voltajes, que responde a la intensidad, timbres, tonos y frecuencia originales de los diferentes sonidos que capta el micrófono. Esos impulsos eléctricos se graban en la cinta magnetofónica manteniendo siempre la forma de onda senoidal original que tenía el sonido en el momento que fue captado por el micrófono
El hecho que la señal de audiofrecuencia se registre o grabe en la cinta magnetofónica de forma continua, permite después su fiel reproducción y amplificación por medio de un sistema de altavoces o bafles.
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 de tensión o voltaje, mientras que el “1” significa que sí hay voltaje con un mismo valor siempre en volt.
Representación gráfica una señal digital integrada por valores discretos binarios de ceros y unos.
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
Una vez aclaradas las diferencias básicas entre la tecnología analógica y la digital, veamos ahora cómo se efectúa el proceso de conversión de una tecnología a otra.
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
Representación gráfica de medio ciclo positivo (+) , correspondiente a una señal eléctrica analógica de sonido, con sus correspondientes armónicos. Como se podrá observar, los valores de variación de la tensión o voltaje en esta sinusoide pueden variar en una escala que va de “0” a “7” volt.
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)
Para realizar el muestreo (sampling) de una señal eléctrica analógica y convertirla después en digital, el primer paso consiste en tomar valores discretos de tensión o voltaje a intervalos regulares en diferentes puntos de la onda senoidal.
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 un 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.
Proceso de cuantización (quantization) de la señal eléctrica analógica para su conversión en señal digital.
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.
La codificación permite asignarle valores numéricos binarios equivalentes a los valores de tensiones o voltajes que conforman la señal eléctrica analógica original.
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.
Valores en volt en Sistema Decimal Conversión a Código Binario
0 000
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.
Valor de los voltajes de la señal
analógica del ejemplo Conversión a código binario
0 000
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..
Rrepresentación gráfica de una misma señal analógica de audio grabada en una cinta magnética a velocidades diferentes: 15, 7 ½, 3 ¾ y 1 7/8 ips (inch per second – pulgadas por segundo . A medida que se reduce la velocidad de grabación, la longitud de la onda senoidal se contrae, perdiéndose calidad en la grabación.
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).
Señal eléctrica analógica.
La misma señal digitalizada a 8 bits. Observe la forma escalonada resultante del muestreo de este ejemplo, en el que se puede apreciar gráficamente la pérdida de calidad o respuesta de frecuencia en el sonido.
Otra vez la misma señal, pero esta vez digitalizada a 16 bits. Como se podrá observar en este último ejemplo, el muestreo de la señal digital realizado a mayor resolución, se asemeja mucho más a la forma que tiene originalmente la onda del sonido de la señal eléctrica analógica .
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.
Texto e ilustraciones José Antonio E. García Álvarez
Contenido:
– Introducción
– Señal eléctrica analógica
> Sonido digital
– Digitalización de la señal analógica
– Conversión analógico digital
– Bits de resolución del audio digital
– Ventajas e inconvenientes de la conversión analógico digital
SONIDO DIGITAL
Con el avance de la ciencia y la técnica, tanto la transmisión como la grabación de los sonidos e imágenes analógicas han sufrido grandes cambios en estos últimos años. La introducción de las técnicas digitales, permiten hacer muchas cosas más, con mayores ventajas y más versatilidad que con la tecnología analógica.
Muchos de los dispositivos que conocemos en la actualidad como digitales, reciben o captan primero las señales de forma analógica para convertirlas después en señales digitales. Ese es el caso, por ejemplo, de los reproductores de CDs y DVDs, el módem que emplean los ordenadores para la recepción/transmisión de datos, las cámaras fotográficas y de vídeo digitales, el teléfono móvil o celular, etc.
Reproductor digital de DVDs.
Para realizar la conversión, esos dispositivos utilizan, como intermediario, un dispositivo denominado conversor analógico-digital o ADC (Analogic to Digital Converter), que recibe primeramente las señales eléctricas en forma de onda senoidal analógica (como la que proporciona el micrófono) y a continuación las convierte en señales digitales, codificadas en valores numéricos binarios, es decir, en ceros (0) y unos (1).
1. Onda sonora o acústica (voz, música, efectos, etc.). 2. Micrófono. 3. Onda senoidal analógica que se obtiene después que el micrófono convierte los sonidos en señales eléctricas de audiofrecuencia. 4. ADC (Analogic to Digital Converter – Conversor Analógico Digital). 5. Señal digital compuesta por ceros (0) y unos (1), obtenida después que la señal analógica es procesada por el ADC. 6. Salida de la señal de audio digitalizada para ser grabada.
En las cámaras fotográficas y de vídeo digitales, así como en los escáneres, existe un sensor denominado CCD (Charge Coupled Device – Dispositivo de carga acoplada) o en su defecto un sensor CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor – Semiconductor de óxido metálico complementario), que son los encargados de convertir las imágenes que reciben en señales eléctricas analógicas.
En ese caso, al igual que ocurre con el micrófono, un ADC se encarga de convertir esas señales analógicas en señales digitales de imagen, para que puedan ser almacenadas como tales en una videocinta, en la tarjeta de memoria del dispositivo, o en cualquier otro dispositivo de almacenamiento digital, para su posterior visualización.
Sensor CCD (Charge Coupled Device - Dispositivo de carga acoplada) de una cámara fotográfica digital, que permite captar imágenes analógicas en forma de impulsos eléctricos. Una vez tomada la foto, un ADC o conversor analógico-digital se encarga de convertir las señales analógicas en señales eléctricas de unos (1) y ceros (0), que serán las encargadas de convertir la imagen original en imagen digitalizada para su procesamiento o impresión..
Otro ejemplo de conversión analógico-digital lo tenemos en el módem que comúnmente se utiliza para recibir y enviar mensajes de correo electrónico y/o multimedia por el ordenador o computadora y para conectarnos a Internet. El principio de funcionamiento del módem se basa en transformar las señales analógicas que se reciben a través de la línea telefónica en señales digitales, para que el sistema operativo del ordenador o computadora las pueda interpretar.
Muchos de esos dispositivos, como el propio módem y las grabadoras de sonido y de imágenes digitales, poseen también un DAC (Digital-to-Analog Converter – Conversor digital-analógico) que realiza después el proceso inverso, es decir, convierten las señales digitales en señales analógicas.
Esa nueva conversión de digital a analógico es estrictamente necesaria hacerla, porque el sonido analógico es el único audible, o sea, el único que reconoce nuestro sentido de oído. Igualmente, los impulsos eléctricos analógicos son los únicos capaces de mover el cono de un altoparlante o bafle para reproducir de nuevo los sonidos originales, cosa que no pueden hacer los impulsos eléctricos de “1” y “0” del código binario o digital. Por tanto, para hacer audible la codificación de los sonidos digitales por el/los altoparlantes o bafles, es necesario convertirlos de nuevo en señales eléctricas analógicas, con sus correspondientes variaciones de tensiones o voltajes.
INTRODUCCIÓN
Muchos equipos y dispositivos modernos requieren procesar la señales analógicas que reciben y convertirlas en señales digitales para poder funcionar. Por ser las grabadoras y reproductoras de música en CDs los equipos digitales más conocidos, veremos primero qué es el sonido en sí, qué se entiende por analógico y qué por digital, para una mejor comprensión de este tema.
El sonido se compone de variaciones de presión o vibraciones de moléculas de aire que llegan hasta nuestro sentido del oído en forma de ondas acústicas. Esas ondas serán audibles siempre que su frecuencia se limite a un rango superior a los 20 hertz o ciclos por segundo, para los sonidos más graves e inferior de los 20 mil hertz (20 kHz) o ciclos por segundo, para los más agudos. Cualquier cuerpo que vibre dentro de esa gama de frecuencias del espectro electromagnético, podrá ser captado por nuestro sentido del oído como una onda sonora audible. Más allá de los 20 kHz, las ondas se convierten en ultrasonidos, cuyas frecuencias el oído humano es incapaz de percibir, no así algunos animales, por ejemplo, el perro, que puede captar sonidos de unos 30 kHz de frecuencia..
El sonido, independientemente que sea natural o artificial, posee intensidad, tono, timbre y frecuencia, lo cual los diferencia a unos de los otros y permite representarlos gráficamente como una onda senoidal, de amplitud y frecuencia variable.
Representación gráfica de la onda sonora analógica producida por dos instrumentos musicales de percusión. Las pequeñas irregularidades visibles en el contorno de la línea que forma el trazado de la sinusoide, semejante a pequeñitos dientes de una sierra, representan los armónicos que definen los timbres y los tonos característicos del sonido que producen ambos instrumentos cuando se mezclan. Las variaciones en amplitud y altura de las ondulaciones de la propia sinusoide representan la intensidad del sonido y frecuencia en hertz (Hz) o kilohertz (kHz) de la onda sonora. En esta ilustración, el trazado o forma de la sinusoide correspondiente a la mitad izquierda de la sinusoide, responde a un tono grave con una intensidad de sonido de bajo volumen, mientras que el de la mitad derecha responde a un tono agudo, con una intensidad de volumen de sonido más alta.
Si uno o varios sonidos diferentes presentes en una onda sonora son captados, por ejemplo, por un micrófono, obtendremos señales eléctricas analógicas de baja frecuencia o audiofrecuencia, es decir, frecuencias audibles, similares en su forma a las ondas sonoras que le dieron origen. Esas señales eléctricas las podemos amplificar y/o enviar a través de un cable (como sucede con el teléfono, por ejemplo), o transmitirla también por vía inalámbrica, tal como ocurre con las ondas que emiten las estaciones de radio.
Pero si además de la amplificación o transmisión de las ondas de sonido, contamos con un equipo adecuado de registro, esas señales eléctricas analógicas de audiofrecuencia también se pueden grabar y guardar en un medio masivo de almacenamiento, como pudiera ser una cinta magnetofónica, una videocinta, un CD, un DVD, etc., para su posterior reproducción.
1. Onda sonora con intensidad, tono, timbre y frecuencia determinada. 2. Micrófono. 3. La misma onda sonora después de convertida en impulsos eléctricos por el micrófono. El sonido original se transforma en una onda eléctrica analógica senoidal (onda de audiofrecuencia), de igual intensidad, tono, timbre, frecuencia y forma gráfica, que la captada por el micrófono. 4. Salida de la señal eléctrica de audiofrecuencia para ser grabada o amplificada localmente.
El principio de funcionamiento de un micrófono es muy simple. Los tipos más sencillos poseen una membrana que vibra libremente cuando capta cualquier onda acústica o de sonido, ya sea voz, música o ruidos, convirtiéndola en señal eléctrica de audiofrecuencia, es decir, en una onda senoidal analógica de baja frecuencia y de muy poca tensión o voltaje, semejante a la del sonido captado. Cuando dicho sonido es fuerte, el micrófono genera una tensión más alta, o de mayor voltaje, que cuando es más débil. No obstante, como en cualesquiera de los dos casos la tensión generada por el micrófono es de muy bajo voltaje, para que se pueda amplificar y hacerla nuevamente audible a un volumen más alto, es necesario pasarla primero por un amplificador de audio.
Izquierda: sinusoide correspondiente a un sonido grave en estado puro, es decir, sin armónicos añadidos y de intensidad constante, como el que produce el disparo de un cañón antiguo cuando se escucha de lejos. Derecha: representación gráfica de una sinusoide o señal analógica correspondiente a un sonido agudo, también puro y de intensidad constante como, por ejemplo, el de una sirena. En el caso específico de un sonido grave como el de la izquierda, el micrófono genera una tensión más débil que cuando el sonido es agudo. Eso se debe a que la amplitud o altura de la onda en el primer ejemplo es más reducida que en el segundo.
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. Por tanto, una onda eléctrica de sonido puede tomar infinidad de valores positivos y negativos (superiores e inferiores), dentro de cierto límite de volt también positivos o negativos, representandos siempre dentro de una unidad dedeterminada de tiempo , generalmente medida en segundos.
Representación gráfica de una onda senoidal o sinusoidal alterna con una frecuencia de 3 Hz (hertz) o ciclos por segundo. Cada ciclo está formado por: amplitud de onda (A), positiva (+) cuando la sinusoide alcanza su máximo valor de tensión o voltaje de pico (por encima de “0” volt) y negativa (–) cuando decrece (por debajo de “- 0” volt). El valor máximo que toma la señal eléctrica de una onda sinusoidal recibe el nombre de “cresta” o “pico” (P), mientras que el valor mínimo o negativo recibe el nombre de “vientre” o “valle” (V). La distancia existente entre una cresta o pico y el otro, o entre un valle o vientre y el otro se denomina “período” (T).
MÉTODO DE GRABACIÓN DEL SONIDO ANALÓGICO
El método de grabación del sonido analógico consiste, por ejemplo, en registrar en una cinta magnetofónica una representación magnética de las variaciones sonoras que capta el micrófono una vez que éste las convierte en señales eléctricas de audiofrecuencia.
Ese registro se considera como un fenómeno continuo de grabación de impulsos eléctricos de diferentes tensiones o voltajes, que responde a la intensidad, timbres, tonos y frecuencia originales de los diferentes sonidos que capta el micrófono. Esos impulsos eléctricos se graban en la cinta magnetofónica manteniendo siempre la forma de onda senoidal original que tenía el sonido en el momento que fue captado por el micrófono
El hecho que la señal de audiofrecuencia se registre o grabe en la cinta magnetofónica de forma continua, permite después su fiel reproducción y amplificación por medio de un sistema de altavoces o bafles.
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 de tensión o voltaje, mientras que el “1” significa que sí hay voltaje con un mismo valor siempre en volt.
Representación gráfica una señal digital integrada por valores discretos binarios de ceros y unos.
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
Una vez aclaradas las diferencias básicas entre la tecnología analógica y la digital, veamos ahora cómo se efectúa el proceso de conversión de una tecnología a otra.
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
Representación gráfica de medio ciclo positivo (+) , correspondiente a una señal eléctrica analógica de sonido, con sus correspondientes armónicos. Como se podrá observar, los valores de variación de la tensión o voltaje en esta sinusoide pueden variar en una escala que va de “0” a “7” volt.
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)
Para realizar el muestreo (sampling) de una señal eléctrica analógica y convertirla después en digital, el primer paso consiste en tomar valores discretos de tensión o voltaje a intervalos regulares en diferentes puntos de la onda senoidal.
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 un 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.
Proceso de cuantización (quantization) de la señal eléctrica analógica para su conversión en señal digital.
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.
La codificación permite asignarle valores numéricos binarios equivalentes a los valores de tensiones o voltajes que conforman la señal eléctrica analógica original.
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.
Valores en volt en Sistema Decimal Conversión a Código Binario
0 000
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.
Valor de los voltajes de la señal
analógica del ejemplo Conversión a código binario
0 000
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..
Rrepresentación gráfica de una misma señal analógica de audio grabada en una cinta magnética a velocidades diferentes: 15, 7 ½, 3 ¾ y 1 7/8 ips (inch per second – pulgadas por segundo . A medida que se reduce la velocidad de grabación, la longitud de la onda senoidal se contrae, perdiéndose calidad en la grabación.
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).
Señal eléctrica analógica.
La misma señal digitalizada a 8 bits. Observe la forma escalonada resultante del muestreo de este ejemplo, en el que se puede apreciar gráficamente la pérdida de calidad o respuesta de frecuencia en el sonido.
Otra vez la misma señal, pero esta vez digitalizada a 16 bits. Como se podrá observar en este último ejemplo, el muestreo de la señal digital realizado a mayor resolución, se asemeja mucho más a la forma que tiene originalmente la onda del sonido de la señal eléctrica analógica .
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.
Comentarios