Diferencias entre la electrónica analógica y digital


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Señal analógica

Imaginemos un micrófono. El micrófono es un dispositivo de la familia de los transductores, ya que "traducen" las ondas de presión de aire que es el sonido en señales eléctricas.
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Imaginemos un micrófono que traduzca nuestra voz a señal eléctrica. La representación gráfica de lo que obtenemos es una señal como:
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Esta señal fluctúa entre el valor mínimo de voltaje registrado por el micrófono y su valor máximo. Por ejemplo, si la señal varía entre -5V y 5V , en un instante de tiempo es posible obtener cualquier valor entre ambos. La señal es continua. Esta señal eléctrica es una copia fiel (salvo ruido) de la señal original de presión de aire.

Normalmente, aunque la señal de un micrófono es fiel a la realidad, su amplitud es pequeña. Aplicarla directamente a unos altavoces haría que se escuchase tan bajo que el resultado sería inaudible. Es habitual que la señal de un micrófono, antes de reproducirse, necesite un tratamiento de amplificación para poder ser aplicada a un micrófono.
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El circuito electrónico de la imagen superior realiza este cometido. Si imagino que la señal de audio del micrófono tiene un valor máximo de 1 Voltio en la entrada, es posible que un circuito como este la amplifique hasta 15 V (Valor Vcc) a la salida. El proceso, sin embargo, puede alterar levemente la señal original, obteniéndose un efecto conocido como ruido.

El ruido es toda aquella alteración de una señal que evita que la información recogida por un transductor podamos tratarla o reproducirla o grabarla con fidelidad. Las alteraciones pueden ser tan potentes que incluso se produzca la pérdida total de la información que pretendíamos obtener. Los ruidos se producen en el origen mismo de la señal, ya que el transductor no es perfecto, en los pasos intermedios o en la reproducción. El ruido es una característica inherente a toda señal analógica y a los tratamientos electrónicos que pueda sufrir.

Una buena reproducción de un sonido con un amplificador analógico de audio, como el ejemplo que nos ocupa, necesita de una buena amplificación, de un tratamiento de filtrado que atenúe las frecuencias no deseadas y que potencie las deseadas, de buenos micrófonos y altavoces, y si tenemos equipos de reproducción/grabación, también tienen que ser equipos que graben/reproduzcan con fidelidad. Aún así, la señal analógica original y la última de salida podrán ser fieles, pero no 100% iguales.
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De hecho, no hace muchos años, la reproducción de audio era básicamente analógica, y era relativamente caro tener buenos equipos. Una cadena musical solían consistir en tocadiscos, reproductor de casettes, amplificador, ecualizador y buenos altavoces.



Señal digital


En contraposición a la señal analógica tenemos la señal digital. ¿Cómo sería la transformación digital de la señal de mi micrófono? Lo primero que hemos de saber es que lo importante de las señales que captamos con transductores no son sus valores exactos sino su forma y cómo ésta varía a lo largo del tiempo.

En una señal de audio, por ejemplo, el valor de tensión que tenga en un momento se relaciona con el volumen o la potencia de la señal pero su forma tiene que ver con la frecuencia, y los distintos valores de frecuencia tienen que ver con los diferentes tonos o sonidos. Lo que nos interesa de una voz humana o de una música es su frecuencia... El volumen tiene una importancia menor.
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En la primera gráfica, la señal tiene ondulaciones más estrechas. Son todas iguales. Corresponde a un sonido agudo de mayor frecuencia. Mientras que la segunda son más espaciadas y es un tono grave.
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La voz humana, como la señal compleja del apartado anterior, no es más que la suma de cientos de tonos más o menos agudos a distintos volúmenes.

Bien, pues si lo importante es la forma, la electrónica digital realiza la siguiente conversión: si el micrófono captaba todos los posibles valores entre -5V y 5V y la electrónica analógica los aceptaba, ahora voy a aproximar los valores captados a unos de referencia con los que voy a trabajar. Por ejemplo. Voy a trabajar con -5 V, -3V, 0V, 3V y 5V. Son sólo 5 valores.

Además, voy a ir midiendo esos valores cada 0,01 segundos, y el valor que mida lo aproximo a uno de los valores posibles.
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La señal azul, analógica, la sustituyo por la señal digitalizada roja. De hecho, no tengo que "guardar" la señal en un formato analógico como una cinta de casete o un vinilo, sino que sencillamente guardo una tabla de datos, con su referencia al tiempo y el valor que le corresponde. Esto ha posibilitado que una canción pueda guardarse como un fichero WAV (y posteriormente en MP3).

Conviene analizar la señal digital un poco. Como vemos, mantiene la forma de la analógica (aproximadamente). Si la señal digital tiene un rango de valores posibles aceptable (antes hemos tomado cinco, pero pueden ser más - o incluso menos -) y el paso del tiempo es lo suficientemente corto, la señal digital reproduce fielmente a la analógica.

Teorema de muestreo

Introduzco brevemente este teorema. El muestreo de la señal analógica, o el tiempo que debe pasar entre que "capturo" un dato de ella para la digital y el siguiente dato, debe tener la siguiente frecuencia:
  1. La señal analógica es la suma de varias señales de distinta frecuencia. Sea fmax la frecuencia máxima que puedo encontrar en la señal analógica. Su período sería el mínimo encontrado Tmin = 1 / fmax.
  2. Debo muestrear la señal analógica un período de tiempo inferior a Tmin. Se demuestra que se puede reproducir fielmente la señal original si el tiempo de muestreo es inferior a la mitad de ese tiempo. Entonces, el período de la señal de muestreo debe ser Tmuestreo < Tmin / 2
  3. O lo que es lo mismo, la frecuencia de muestreo debe ser mayor que el doble de la frecuencia máxima encontrada en la señal analógica: fmuestreo > 2 * fmax

Por ejemplo, la frecuencia máxima capaz de escuchar un humano "medio" es de 20KHz (suele ser la mayor tenida en cuenta para cuestiones musicales). Otro límite en algunos aparatos que no necesitan tanta precisión es el de los 4KHz (la mayoría de los tonos de voz humanos no llegan a ese límite y por ejemplo, se usa en telefonía).
  1. fmax = 20KHz entonces Tmin = 1 / fmax = 0,05 ms
  2. Tmuestreo = Tmin /2 = 0.025 ms
  3. fmuestreo > 1 / Tmuestreo = 40KHz

Ver la página web: http://www.eveliux.com/mx/teoria-del-muestreo-de-nyquist.php


Ventajas e inconvenientes de las señales digitales

  1. Inconveniente: la señal digital no almacena toda la información por lo que algo se pierde en calidad. Por eso hay quien dice que la música de un vinilo o un casete es mejor que la música reproducida en un sistema informático.
  2. La transmisión de datos, el procesamiento de la señal y el almacenamiento es más fácil y seguro, no afectándole tanto el ruido.
  3. Los sistemas digitales son más fáciles de diseñar y más baratos, en comparación con los mismos analógicos.
  4. Un circuito digital puede ser más fácilmente reprogramado o reutilizado que uno analógico.
  5. Inconveniente: como el mundo "normal" es analógico, necesito convertir las señales de los transductores a señales digitales, y antes de pasarla a los actuadores (como el altavoz) debo volver a convertirla a analógica. Necesito una circuitería conocida como conversores analógicos-digitales y conversores digitales-analógicos.