2019/09/06

Teleco in a nutshell v7.0: Conversión analógica-digital y digital-analógica

¡Muy buenas!

Los menos jóvenes del lugar recordaréis (recordaremos) que hasta los años 90, prácticamente todo era analógico: VHS, carretes de fotos, cassettes, pocos canales de TV, la codificación del Canal+ ;)... Todo esto desapareció con el nuevo siglo, ya que rápidamente entramos en el mundo digital.

Somos conscientes de las mejoras que trajo la revolución digital, pero ¿qué diferencias existen desde el punto de vista de las telecomunicaciones? Pues podría decirse que ninguna, si nos limitamos a verlo desde un punto de vista de la transmisión de una onda: la forma de onda pasa de ser redondeada a cuadrada, y poco más. No obstante, desde el punto de vista de la transmisión de información, la diferencia es un mundo.

En el mundo analógico, la forma de onda es la información en sí misma. Al poder tener infinitos valores, si se modifica la onda, la información se modifica con ella. Por eso antaño estábamos acostumbrados a que la televisión se viese regular (pero se viese) o a que la radio se oyese con crujidos (pero se oyese). Hoy en día, ironías de la vida, se ha pasado a algo binario: o se ve/oye perfectamente, o no. 

Y esto es así porque en el caso digital la información no la lleva completamente la forma de la onda. En el mundo digital, la información está en los bits, y la forma de la onda sólo puede tener un conjunto limitado de valores de amplitud posibles, cada uno de los cuales representará una serie de bits (cuyo número variará en función del tamaño de conjunto de valores de amplitud). Sobre este tema hablaremos en detalle en futuros posts, no entremos aún :).

De este modo, cualquier variación leve de la señal no afectará a la información binaria, ya que siempre habrá que realizar una decisión final entre uno de los posibles valores de amplitud que puede adoptar la señal. Si bien es cierto que si el ruido es demasiado elevado, estas decisiones serán incorrectas, perdiendo bits. De este modo, aunque tengamos redundancia, si las pérdidas son demasiado elevadas, la transmisión será irrecuperable y dejaremos de ver/oír/recibir la información.

Ahora bien, ¿cómo viajamos de un mundo a otro? Con conversores analógico-digitales (ADC) y digital-analógicos (DAC). Vamos a ver cómo funciona cada uno.

Un ADC es un componente electrónico que convierte la señal analógica en digital. Debemos tener en cuenta que este proceso siempre conlleva una pérdida de calidad de la señal (aunque puede llegar a ser imperceptible), ya que es imposible “digitalizar” la señal exacta. Este proceso se realiza a través de tres fases:
  • Muestreo o sampling: consiste en medir la amplitud de la señal analógica de forma periódica. Cuanto mayor sea esta frecuencia, mejor será la calidad de la señal digital (menos información perderemos). Hay que tener en cuenta que la frecuencia de muestreo debe ser siempre superior al doble del máximo de la frecuencia de la señal analógica, sino no se podrá recuperar la señal original correctamente (se originaría un efecto denominado aliasing). Por ejemplo, si queremos muestrear una voz humana (20kHz) deberá muestrearse como mínimo a 40kHz (recordad que los CDs se muestrean a 44,1 kHz, es por esto :).
  • Cuantificación: las muestras que hemos obtenido pueden tener infinitos valores, lo cual es imposible de transformar a binario. Por tanto, habrá que elegir cuántos valores diferentes queremos tener y acercar cada valor muestreado al más cercano. Del mismo modo que en el muestreo, cuantos más valores posibles tengamos, más parecida será la señal a la original (aunque a su vez se generarán más bits). Por ejemplo, si cogemos la señal anterior, muestreada a 40kHz y decidimos establecer 256 posibles valores (8 bits/muestra), obtenemos una tasa binaria de 320kb/s.
  • Codificación: una vez tenemos el flujo de bits de la señal, ya digitalizada, podemos hacer uso de la magia de la Teoría de la Información para disminuir la cantidad de bits usando técnicas de compresión (normalmente perdiendo información/calidad en el proceso). Aquí es donde aparecen los conocidos códecs como MP3, JPEG o H.265.
Diferencias de muestreo [El B105]
Diferencias de cuantificación [Electronics StackExchage]
El funcionamiento del DAC es mucho más sencillo. Consiste simplemente en unir los puntos que definió el ADC, fin. Como os hemos comentado, en el proceso de ADC hay una pérdida de la calidad de la señal, por lo que la que obtendremos en el DAC será una señal más o menos escalonada. No obstante, en la mayor parte de los casos esta pérdida de calidad no es apreciada (salvo que seamos muy puristas o tengamos unos sentidos superiores a la media).
Señal obtenida por el DAC, con cuantificaciones de 24 y 32 bits y distintos muestreos
Y hasta aquí por hoy. En el próximo post comenzaremos una subserie en la que os explicaremos (o al menos lo intentaremos) un concepto muy (tal vez el más) importante en telecomunicaciones: las modulaciones.

¡Muchas gracias por leernos y hasta el próximo post!

Y como siempre, si os habéis quedado con ganas de más:

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