Apuntes de Tecnología para Medios Audiovisuales. La tecnología digital. Parte 2

2.1.  Analógico y Digital.

·                     Sistema analógico: sistema capaz de representar infinitos valores entre dos valores dados. También llamado continuo.

·                     Sistema digital: sistema que sólo puede asignar un número determinado y finito de valores. También llamado discreto.

2.2. Sistemas Digitales y Binarios.

·                     Sistema decimal: sistema formado por 10 dígitos (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, y 9) que combinados pueden representar infinitos valores. No confundir con sistema digital.

·                     Sistema binario: sistema que emplea únicamente dos dígitos, normalmente 0 y 1. Puede ser continuo o discreto, depende de si tiene o no limitado el número de ceros y unos que formen cada cifra.

2.3. Equivalencias entre Sistemas.

- La cifra de un número representa los coeficientes del desarrollo del número en serie de potencias:

> Sistema decimal: potencias de 10.

> Sistema binario: potencias de 2.

* Equivalente binario del número decimal 19 → 10011

19:2=9                  1

9:2=4                     1

4:2=2                     0

2:2=1 (1º dígito)  0

* Equivalente binario del número decimal 50 → 110010

50:2=25                                0

25:2 =12               1

12:2=6                  0

6:2=3                     0

3:2=1                     1

* Equivalente binario del número decimal 76 → 1001100

76:2=38                                0

38:2=19                                0

19:2=9                  1

9:2=4                     1

4:2=2                     0

2:2=1                     0

2.4.1. La Señal Digital.

- La información y las señales digitales son de naturaleza artificial y necesitan un proceso de conversión para ser generadas a partir de un original analógico previo. Este proceso recibe el nombre de conversión analógico/digital (A/D ó ADC). La información digital se presenta, casi con exclusividad, en soporte electrónico, no suele presentar analogía directa con la realidad, está codificada numéricamente y es de carácter discreto.

2.4.2. La Señal de Audio.

- Las ondas sonoras son variaciones de presión que se propagan por medios elásticos come el aire. Su energía puede ser transformada, empleando un transductor electroacústico, en variaciones de corriente eléctrica que siguen fielmente las variaciones de presión sonora.

> Analógicas en el tiempo: la corriente de audio es de naturaleza analógica pues se desarrolla sin interrupción en el tiempo. Entre dos instantes cualquiera, se pueden tomar infinitas muestras intermedias.

> Analógicas en intensidad: entre el valor máximo y el mínimo de la intensidad de una corriente de audio hay infinitos valores intermedios.

- El audio digital transforma este flujo continuo de corriente en series de muestras consecutivas sin alterar sustancialmente el mensaje original.

2.5. Conversión Analógico/Digital.

* Fases:

1. Señal analógica: continua en el tiempo / continua en valor.

                - Filtrado previo: limita la banda alta de frecuencias para evitar las señales alias.

2. Señal analógica: continua en el tiempo / continua en valor.

- Muestreo y mantenimiento: convierte señales continuas en tiempo en series de muestras discontinuas.

3. Señal muestreada: discreta en el tiempo / continua en valor.

- Cuantificación y codificación: convierte las muestras de valor continuo en muestras de valor discreto y les asigna la codificación digital adecuada.

4. Señal digital: discreta en el tiempo / discreta en valor.

2.6. Muestreo y cuantificación.

v  MUESTREO.

-    Muestreo: consiste en tomar muestras sucesivas de la intensidad de una corriente de audio siguiendo una frecuencia de reloj. PCM (Pulse Code Modulation), cada cierto tiempo se emite un pulso de reloj, que siempre es el mismo, indicándonos en qué parte está la onda y extrayendo una muestra.

-    Si se toman muestras con una frecuencia muy elevada el coste del procedimiento sería excesivo. Si se toman por el contrario con una frecuencia demasiado baja reducimos costes pero el resultado puede no ser válido. Hay que encontrar la frecuencia de muestreo más baja que permita un resultado óptimo, teniendo en cuenta que las frecuencias graves necesitan frecuencias de muestreo más bajas que las agudas.

·                     Teorema de Shannon-Nyquist: “la frecuencia de muestreo necesaria para un correcto tratamiento de la señal ha de ser, al menos, el doble que la frecuencia más alta a procesar”.

·                     El rango de frecuencias audibles por el oído humano se sitúa entre 20 Hz y 20 KHz, por lo que la frecuencia de muestreo de un sistema óptimo de audio digital no debería bajar de 40 KHz.

·                     Aliasing: si la frecuencia de la señal es más alta que la de muestra aparece una frecuencia más baja en nada semejante a la original. Esta componente extraña recibe el nombre de señal alias. Es la distorsión más frecuente en vídeo digital, visualmente se traduce en que las líneas no están bien definidas (“dientes de sierra”). Para solucionar este problema se puede aumentar la frecuencia de muestreo (encarece el proceso) o un colocar un filtro paso-bajo.

·                     Filtro paso-bajo: se utiliza para solucionar el problema de aliasing. Filtra las frecuencias que no son audibles por el oído humano. Colocando un filtro que corte a los 20 KHz bastaría, pero al no poder fabricar un filtro perfecto, se emplean frecuencias de muestreo superiores a los 40 KHz (las más usadas: 44,1 KHz – 44,056 KHz – 48 KHz) para proporcionarle un margen de error al filtro.

Ø     Circuito de mantenimiento: consiste en un condensador de muy alta calidad, ayudado por amplificadores de entrada y salida, que se carga con el valor de cada muestra y mantiene ese valor hasta que toma el de la siguiente.

v  CUANTIFICACIÓN

- Consiste en comparar cada muestra con una escala de valores finita (discreta) y asignarle el más próximo a su valor real. Una vez digitalizado el tiempo, hay que digitalizar la amplitud o recorrido.  En el sistema binario se emplean normalmente como dígitos el 0 y el 1. Cada uno de estos dígitos, solos o formando parte de una cifra donde se combinan varios, recibe el nombre de bit.

• S/R (dB) = 6,02 x N + 1,76

  Relación Señal/Ruido: el número de bits de cuantificación empleado determina la relación señal/ruido de un sistema digital. Siendo N el número de bits:

Ej: la relación señal/ruido de 1 b son 8 dB.

Ø  Codificación: último paso del proceso de conversión A/D. Son normales las codificaciones de 24 bits para vídeo y de 16-32 bits para audio.

2.7. Conversión Digital/Analógica.

* Fases:

1. Señal digital: discreta en el tiempo / discreta en valor.

- Regeneración: cada muestra que llega representa un nivel de la escala de cuantificación. El circuito identifica el nivel de tensión correspondiente y genera en su salida un impulso equivalente. La señal a partir de ese punto es nueva.

2. Señal digital regenerada: discreta en el tiempo / discreta en valor.

- Cadencia y mantenimiento: un reloj idéntico al muestreador marca la cadencia de trabajo y un condensador mantiene el valor de cada muestra hasta la aparición de la siguiente, creando una escalera que sigue las ondulaciones del mensaje.

3. Señal cuantificada: continua en el tiempo / discreta en valor.

- Filtro recuperador: un filtro de similares características al del proceso A/D recupera el mensaje original en banda base, cortando por encima de la frecuencia de Nyquist y eliminando las ondulaciones debidas al muestreo.

Preguntas de exámenes anteriores:

-          Equivalente binario de 100.

-          Pasar 50 a binario.

-          Relación aproximada de señal/ruido para 12 bits: 73db

-          Qué postula el teorema de Nyquist: la frecuencia de muestreo necesaria para un correcto tratamiento de la señal ha de ser, al menos, el doble que la frecuencia más alta a procesar.

-          Qué hace la cuantificación: convierte la señal en discreta en valor

-          Qué hace el muestreo: convierte la señal en discreta en el tiempo.