Digitalización

La digitalización o conversión analógica-digital (conversión A/D) consiste básicamente en

realizar de forma periódica medidas de la amplitud (tensión) de una señal (por ejemplo, la que

proviene de un micrófono si se trata de registrar sonidos, de un sismógrafo si se trata de

registrar vibraciones o de una sonda de un osciloscopio para cualquier nivel variable de tensión

de interés), redondear sus valores a un conjunto finito de niveles preestablecidos de tensión

(conocidos como niveles de cuantificación) y registrarlos como números enteros en cualquier

tipo de memoria o soporte. La conversión A/D también es conocida por el acrónimo inglés ADC

(analogue to digital converter).

En esta definición están patentes los cuatro procesos que intervienen en la conversión

analógica-digital:

Muestreo: el muestreo (en inglés, sampling) consiste en tomar muestras periódicas de la

amplitud de onda. La velocidad con que se toma esta muestra, es decir, el número de muestras

por segundo, es lo que se conoce como frecuencia de muestreo.

Retención (en inglés, hold): las muestras tomadas han de ser retenidas (retención) por un

circuito de retención (hold), el tiempo suficiente para permitir evaluar su nivel (cuantificación).

Desde el punto de vista matemático este proceso no se contempla, ya que se trata de un

recurso técnico debido a limitaciones prácticas, y carece, por tanto, de modelo matemático.

Cuantificación: en el proceso de cuantificación se mide el nivel de voltaje de cada una de las

muestras. Consiste en asignar un margen de valor de una señal analizada a un único nivel de

salida. Incluso en su versión ideal, añade, como resultado, una señal indeseada a la señal de

entrada: el ruido de cuantificación.

Codificación: la codificación consiste en traducir los valores obtenidos durante la

cuantificación al código binario. Hay que tener presente que el código binario es el más

utilizado, pero también existen otros tipos de códigos que también son utilizados.

Durante el muestreo y la retención, la señal aún es analógica, puesto que aún puede tomar

cualquier valor. No obstante, a partir de la cuantificación, cuando la señal ya toma valores

finitos, la señal ya es digital.

Los cuatro procesos tienen lugar en un conversor analógico-digital.

Ejemplo de digitalización

Un ordenador o cualquier sistema de control basado en un microprocesador no puede

interpretar señales analógicas, ya que sólo utiliza señales digitales. Es necesario traducir, o

transformar en señales binarias, lo que se denomina proceso de digitalización o conversión de

señales analógicas a digitales.

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).

El momento en que se realiza cada lectura es ordenado por un sistema de sincronización que

emite una señal de reloj con un período constante. Estas conversiones analógico-digitales son

habituales en adquisición de datos por parte de un ordenador y en la modulación digital para

transmisiones y comunicaciones por radio.

Comparación de las señales analógica y digital

Una señal analógica es aquella cuya amplitud (típicamente tensión de una señal que proviene de

un transductor y amplificador) puede tomar en principio cualquier valor, esto es, su nivel en

cualquier muestra no está limitado a un conjunto finito de niveles predefinidos como es el caso

de las señales cuantificadas.

Esto no quiere decir que se traten, en la práctica de señales de infinita precisión (un error muy

extendido): las señales analógicas reales tienen todas un ruido que se traduce en un intervalo

de incertidumbre. Esto quiere decir que obtenida una muestra de una señal analógica en un

instante determinado, es imposible determinar cuál es el valor exacto de la muestra dentro de

un intervalo de incertidumbre que introduce el ruido. Por ejemplo, se mide 4,3576497 V pero

el nivel de esa muestra de la señal de interés puede estar comprendida entre 4,35 V y 4,36 V y

no es físicamente posible determinar ésta con total precisión debido a la naturaleza

estocástica del ruido. Sólo el más puro azar determina qué valores se miden dentro de ese

rango de incertidumbre que impone el ruido. Y no existe (ni puede existir) ningún soporte

analógico sin un nivel mínimo de ruido, es decir, de infinita precisión. Por otro lado, si se

pudiera registrar con precisión infinita una señal analógica significaría, de acuerdo con la

Teoría de la Información, que ese medio serviría para registrar infinita información; algo

totalmente contrario a las leyes físicas fundamentales de nuestro universo y su relación con la

entropía de Shannon.

En cambio, una señal digital es aquella cuyas dimensiones (tiempo y amplitud) no son continuas

sino discretas, lo que significa que la señal necesariamente ha de tomar unos determinados

valores fijos predeterminados en momentos también discretos.

Las señales analógicas no se diferencian, por tanto, de las señales digitales en su precisión

(precisión que es finita tanto en las analógicas como en las digitales) o en la fidelidad de sus

formas de onda (distorsión). Con frecuencia es más fácil obtener precisión y preservar la

forma de onda de la señal analógica original (dentro de los límites de precisión impuestos por el

ruido que tiene antes de su conversión) en las señales digitales que en aquéllas que provienen

de soportes analógicos, caracterizados típicamente por relaciones señal a ruido bajas en

comparación.

Ventajas de la señal digital

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.

La señal digital permite la multigeneración infinita sin pérdidas de calidad.

Es posible aplicar técnicas de compresión de datos sin pérdidas o técnicas de compresión

con pérdidas basados en la codificación perceptual mucho más eficientes que con señales

analógicas.

Inconvenientes de la señal digital

Se necesita una conversión analógica-digital previa y una decodificación posterior, en el

momento de la recepción.

Si no se emplean un número suficientes de niveles de cuantificación en el proceso de

digitalización, la relación señal a ruido resultante se reducirá con relación a la de la señal

analógica original que se cuantificó. Esto es una consecuencia de que la señal conocida como

error de cuantificación que introduce siempre el proceso de cuantificación sea más potente

que la del ruido de la señal analógica original, en cuyo caso, además, se requiere la adición de un

ruido conocido como "dither" más potente aún con objeto de asegurar que dicho error sea

siempre un ruido blanco y no una distorsión. En los casos donde se emplean suficientes niveles

de cuantificación, la relación señal a ruido de la señal original se conservará esencialmente

porque el error de cuantificación quedará por debajo del nivel del ruido de la señal que se

cuantificó. Esto, naturalmente, es lo normal.

Se hace necesario emplear siempre un filtro activo analógico pasa bajo sobre la señal a

muestrear con objeto de evitar el fenómeno conocido como aliasing, que podría hacer que

componentes de frecuencia fuera de la banda de interés quedaran registrados como

componentes falsos de frecuencia dentro de la banda de interés. Asimismo, durante la

reconstrucción de la señal en la posterior conversión D/A, se hace también necesario aplicar un

filtro activo analógico del mismo tipo (pasa bajo) conocido como filtro de reconstrucción. Para

que dicho filtro sea de fase lineal en la banda de interés, siempre se debe dejar un margen

práctico desde la frecuencia de Nyquist (la mitad de la tasa de muestreo) y el límite de la

banda de interés (por ejemplo, este margen en los CD es del 10%, ya que el límite de Nyquist

es en este caso 44,1 kHz / 2 = 22,05 kHz y su banda de interés se limita a los 20 kHz).