- Cuando una señal digital es atenuada o experimenta perturbaciones leves, puede ser reconstruida y amplificada mediante sistemas de regeneración de señales.
- 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.
- Facilidad para el procesamiento de la señal. Cualquier operación es fácilmente realizable a través de cualquier software de edición o procesamiento de señal.
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.
- 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).
Digitalización por muestreado de una señal analógica.
EJEMPLOS:
PROCESO DE CONVERSION DE DIGITAL_ANALOGICO:
| 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: |
|
 | ||
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”. EJEMPLOS:   |
Bits (BInary DigiTs).
Ventajas de la comunicación digital
La transmisión digital es la transmisión de pulsos digitales entre dos puntos, en un sistema de comunicación. La información de la fuente original puede estar ya sea en forma digital o en señales analógicas que deben convertirse en pulsos digitales, antes de su transmisión y convertidas nuevamente a la forma analógica en el lado del receptor.
Algunas de las VENTAJAS de la transmisión digital [con respecto a la analógica] son:
- 1.-La ventaja principal de la transmisión digital es la inmunidad al ruido. Las señales analógicas son más susceptibles que los pulsos digitales a la amplitud, frecuencua y variaciones de fase. Esto se debe a que con la transmisión digital, no se necesita evaluar esos parámetros, con tanta precisión, como en la transmisión analógica. en cambio, los pulsos recibidos se evalúan durante un intervalo de muestreo y se hace una sola determinación si el pulso está arriba (1) o abajo de un umbral específico (0).
2.-Almacenamiento y procesamiento: Las señales digitales se pueden guardarse y procesarse fácilmente que las señales analógicas.
3.- Los sistemas digitales utilizan la regeneración de señales, en vez de la amplificación, por lo tanto producen un sistema más resistente al ruido que su contraparte analógica. 4.- Las señales digitales son más sencillos de medir y evaluar. Por lo tanto es más fácil comparar el rendimiento de los sistemas digitales con diferentes capacidades de señalización e información, que con los sistemas analógicos comparables.
5.- Los sistemas digitales están mejor equipados para evaluar un rendimiento de error (por ejemplo, detección y corrección de errores), que los analogicos.
6.- Los equipos que procesan digitalmente consumen menos potencia y son más pequenós, y muchas veces con más económicos.
- 1.- La transmisión de las señales analógicas codificadas de manera digital requieren de más ancho de banda para transmitir que la señal analógica.
2.- Las señales analógicas deben convertirse en códigos digitales, antes que su transmisión y convertirse nuevamente a nalaógicas en el receptor.
3.-La transmisión digital requiere de sincronización precisa, de tiempo, entre los relojes del transmisor y receptor.
4.- Los sistemas de transmisión digital son incompatibles con las instalaciones analógicas existentes.
La conversión Analógico-Digital consta de varios procesos:
- Muestreo
- Cuantización
- Codificación
Toda la tecnología digital (e.g. audio, video) está basado en la técnica de muestreo (sampling en inglés). En música, cuando una grabadora digital toma una muestra, básicamente toma una fotografía fija de la forma de onda y la convierte en bits, los cuales pueden ser almacenados y procesados. Comparado con la grabación analógica, la cual está basada en registros de voltaje como patrones de magnetización en las partículas de óxido de la cinta magnetica. El muestreo digital convierte el voltaje en números (0s y 1s) los cuales pueden ser fácilmente representados y vueltos nuevamente a su forma original.
Razón de muestreo
La frecuencia de muestreo de una señal en un segundo es conocida como razón de muestreo medida en Hertz (Hz).
- 1 Hz = 1/seg
Por ejemplo en audio digital se usan las siguientes razones de muestreo:
- 24,000 = 24 kHz - 24,000 muestras por segundo. Una muestra cada 1/24,000 de segundo.
30,000 = 30 kHz - 30,000 muestras por segundo. Una muestra cada 1/30,000 de segundo.
44,100 = 44.1 kHz - 44,100 muestras por segundo. Una muestra cada 1/44,000 de segundo.
48,000 = 48 kHz - 48,000 muestras por segundo. Una muestra cada 1/48,000 de segundo.
La calidad de un disco compacto [CD] equivale un muestreo de 44.1 KHz a 16 bits, éste es el éstándar. Si decimos que los archivos MP3 tienen calidad de CD, es que están muestreados a 44.1 KHz a 16 bits.
Una última pregunta!
¿Qué razón de muestreo es la suficiente para que al ser digitalizada una señal analógica y al realizar el proceso contrario, digital-analógico, la señal sea idéntica [o casi idéntica] a la original?
La respuesta es el Teorema de Nyquist....
Es el proceso de convertir valores continuos [e.g voltajes] en series de valores discretos.
Por ejemplo el audio digital [e.g. MP3, WAV, etc] tienen dos características bien importantes, el muestreo (tiempo) y la cuantización (nivel).
Mientras que el muestreo representa el tiempo de captura de una señal, la cuatización es el componente amplitud de el muestreo. En otras palabras, mientras que el muestreo mide el tiempo (por instancia 44,100 muestras por segundo), la cuantización es la técnica donde un evento analógico es medido dado un valor númerico.
Para hacer esto, la amplitud de la señal de audio es representada en una serie de pasos discretos. Cada paso está dado entonces por un número en código binario que digitalmente códifica el nivel de la señal. La longitud de la palabra determina la calidad de la representación. Una vez más, una palabra más larga, mejor la calidad de un sistema de audio (comparando una palabra de 8 bits con una de 16 bits o 32 bits) (ver figura).
El bit de resolución de un sistema define el rango dinámico de el sistema. 6 dB es ganado por cada bit.
Por ejemplo:
8 bits equivale a 256 estados = 48 dB (decibeles)
16 bits equivalen a 65,536 estados = 96 dB.
Entonces, se debe de tomar muestras a tiempos menores y se debe de cuantizar a mayores niveles (bits), si sucede lo contrario suceden errores de cuantización.
A continuación se presenta una tabla donde se representan los números del 0 al 7 con su respectivo código binario. Como se ve, con 3 bits, podemos representar ocho estados o niveles de cuantización.
En general
- 2(n)= Niveles o estados de cuantización
Cto
CDA
Esta cadena capta las señales de interés (en su mayoría analógicas) por mediación de
los sensores. Un multiplexor analógico conduce sus señales hacia los bloques de
acondicionamiento y filtrado. Posteriormente se realiza el filtro paso-baja del ruido de
frecuencias superiores a las de interés, y después se produce el proceso de conversión a
digital. A partir de la señal binaria, el microprocesador envía datos, señales de control y
salidas (todos en forma binaria). Éstas últimas suelen convertirse en analógicas si así lo
requiere la aplicación. Un multiplexor analógico de salida permite disponer de ellas
según las señales de control aplicadas.
Fig. 1. Estructura de un equipo en línea de adquisición de señales que muestra la situación de
los circuitos CAD y CDA.
En un equipo de adquisición de señales el convertidor analógico a digital (CAD) precede
al convertidor de digital a analógico (CDA), como muestra la figura 1. Sin embargo,
algunos tipos de CAD están basados en un CDA. Por ello, es conveniente comenzar
estudiando éstos.
En este capítulo se expone en primer lugar la teoría de funcionamiento del CDA
mediante un ejemplo práctico basado en la resolución de un problema. El segundo
punto muestra la conversión a analógica de la salida de un contador binario de 8 bits en
una simulación con PSPICE. En el tercer apartado se exponen los parámetros y tipos de
convertidores D/A. Finalmente, el cuarto apartado muestra un ejemplo de diseño que
S1
SN
...
...
M
U
X
A
N
A
AMPLIFIC.
ACONDIC.
FILTRO
CAD MICROPROC. CDA ...M
U
X
A
N
A
Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa
2
ÓJJGDR-UCAemplea un CDA de formato corto; se razona su selección empleando criterios
relacionados con la aplicación.
10. 2 Principios operativos de los convertidores digital/analógicos (CDAs)
10.2.1 CDA de resistencias ponderadas
Un CDA lineal obtiene 2
digital de entrada de N bits según la siguiente expresión:
N niveles de tensión analógica discretos a partir de la palabra( )
(
1 )1
2
2
1
1
0
0
0
1
1
2
2
2
2
1
1
2 2 2 ... 2
2
2 2 ... 2 2 2
-
-
- - - -
-
-
-
= × + + + +
= × + + + + +
N
N N
FE
N N N
o FE N N
B B B B
V
V V B B B B B
(1)
La expresión (1) relaciona la tensión de salida del CDA con la tensión de fondo de
escala (
Una forma didáctica de plantearla es relacionar la salida con la tensión de fondo de
escala del convertidor a través de una magnitud, que es el valor decimal normalizado al
total de estados de cuantificación:
VFE) y los bits de la palabra digital de entrada (B0B1…BN-1).14444444244444443
valor decimal normalizado
N
N
N
o FE
B B B B
V V
2
2 2 2 ... 2
1
2
2
1
1
0
0
1-
+ + + +
-= ´
Obsérvese que el valor máximo de la salida corresponde a la situación de todos los
bits de la palabra de entrada a estado “1” y resulta:
V V
N VFE N VFE ( LSB)N
o máx FE
2
1
1
2
2 1
1 1,
= ´ - = ´ -
En esta expresión queda implícita la idea de que los puntos de decisión del cuantificador
se sitúan en los extremos de los intervalos de cuantificación.
A continuación se procede al montaje del primer CDA. En los diseños más comunes
de circuitos integrados CDA cada uno de los bits de la entrada controla un interruptor
que determina si dicho bit contribuye o no a la salida, dependiendo de si su estado es
alto o bajo. La salida es la suma de los productos de la tensión de referencia por cada
uno de los bits. De ahí que a veces este tipo se denomine CDA multiplicador. Una red
de resistencias ponderadas determina el peso de cada bit. A menudo este hecho
determina su denominación.
La tensión de referencia y las resistencias deben ser de precisión. La figura 2 muestra
el esquema de uno de estos circuitos, denominado comúnmente CDA de resistencias
ponderadas, y que usa un amplificador operacional en configuración inversora como
sumador de salida. Por simplicidad, se han reemplazado los interruptores
semiconductores (transistores de conmutación FET) por sus equivalentes simbólicos. Si
el AO forma parte del circuito integrado, el tiempo de establecimiento de la salida es
mayor.
(2)10 Conversión Digital/Analógica
Ó
JJGDR-UCA 3CDA
multiplicador de resistencias ponderadas. La mayor resistencia
corresponde al bit menos significativo de la palabra digital.
El análisis del circuito de la figura 2 se realiza aplicando el principio de suma de
corrientes en la entrada inversora del AO, el cual se considera operando en régimen
lineal (aplicamos cortocircuito virtual en sus entradas).
Cto
| Número | Código binario |
| 0 | 000 |
| 1 | 001 |
| 2 | 010 |
| 3 | 011 |
| 4 | 100 |
| 5 | 101 |
| 6 | 110 |
| 7 | 111 |
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