SEÑAL ANALOGICA
Una señal analógica es un tipo
de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético y que es representable por una función matemática continua en la que es variable su amplitud y periodo (representando
un dato de información) en función del tiempo. Algunas magnitudes
físicas comúnmente portadoras de una señal de este tipo son eléctricas
como la intensidad, la tensión y la potencia, pero también pueden ser
hidráulicas como la presión, térmicas como la temperatura, mecánicas, etc.
La magnitud también puede
ser cualquier objeto medible como los beneficios o pérdidas de un negocio.
Las señales de
cualquier circuito o comunicación electrónica son susceptibles de ser
modificadas de forma no deseada de diversas maneras mediante el ruido, lo que ocurre siempre en mayor o
menor medida. Para solucionar esto la señal suele ser acondicionada antes de
ser procesada.
La gran desventaja
respecto a las señales digitales es el ruido en las señales analógicas:
cualquier variación en la información es de difícil recuperación, y esta
pérdida afecta en gran medida al correcto funcionamiento y rendimiento del
dispositivo analógico. Un sistema de control (ya pueda ser un ordenador, etc.)
no tiene capacidad alguna para trabajar con señales analógicas, de modo que
necesita convertirlas en señales digitales para poder trabajar con ellas.
(Véase Conversión
analógica-digital)
EJEMPLO DE SEÑAL ANALOGICA
UNA SEÑAL DIGITAL
La señal digital es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético en que cada signo que codifica el contenido de la
misma puede ser analizado en término de algunas magnitudes que representan valores discretos, en lugar de valores dentro de un cierto rango. Por
ejemplo, el interruptor de la luz sólo puede tomar dos valores o estados:
abierto o cerrado, o la misma lámpara: encendida o apagada (véase circuito
de conmutación).
Los sistemas
digitales, como por ejemplo el ordenador, usan lógica de dos estados representados por dos niveles de tensión
eléctrica, uno alto, H y otro bajo, L
(de High y Low,
respectivamente, en inglés). Por abstracción, dichos estados se sustituyen por
ceros y unos, lo que facilita la aplicación de la lógica y la aritmética binaria. Si el nivel alto se representa por 1 y el
bajo por 0, se habla de lógica positiva y en caso contrario de lógica negativa.
Cabe mencionar que, además de los niveles, en una señal
digital están las transiciones de alto a bajo y de bajo a alto, denominadas flanco de bajada y de subida, respectivamente. En la figura
se muestra una señal digital donde se identifican los niveles y los flancos.
Señal digital 1) nivel bajo 2) nivel alto3) flanco de subida y 4) flanco de
bajada. Señal digital 1) nivel bajo 2) nivel alto3) flanco de subida y 4)
flanco de bajada
Es conveniente aclarar que, a pesar de que en los
ejemplos señalados el término digital se ha relacionado siempre con
dispositivos binarios, no significa que digital y binario sean
términos intercambiables. Por ejemplo, si nos fijamos en el código Morse, veremos que en él se
utilizan, para el envío de mensajes por telégrafo
eléctrico, cinco estados digitales, que son: punto, raya, espacio corto (entre letras), espacio medio (entre palabras) y espacio largo (entre frases)
Referido a un aparato
o instrumento de medida, decimos que es digital cuando el resultado de la
medida se representa en unvisualizador mediante números (dígitos) en lugar de
hacerlo mediante la posición de una aguja, o cualquier otro indicador, en una
escala.
EJEMPLO DE SEÑAL DIGITAL
SISTEMA ANALOGICO Y SISTEMA DIGITAL
Los circuitos electrónicos se pueden
dividir en dos amplias categorías: digitales y analógicos. La electrónica digital utiliza
magnitudes con valoresdiscretos, mientras que la
electrónica analógica emplea magnitudes con valores continuos.
Un sistema
digital es cualquier dispositivo destinado a la generación,
transmisión, procesamiento o almacenamiento de señales digitales. También unsistema digital es una
combinación de dispositivos diseñado para manipular cantidades físicas
o información que estén representadas
en forma digital; es decir, que sólo puedan tomar valores discretos.
La mayoría de las veces estos dispositivos son
electrónicos, pero también pueden ser mecánicos, magnéticos o
neumáticos.
Para el análisis y la síntesis de sistemas digitales binarios se
utiliza como herramienta el álgebra de Boole.
Los sistemas digitales
pueden ser de dos tipos:
·
·
Sistemas digitales
combinacionales: Son aquellos en los que la salida del sistema
sólo depende de la entrada presente. Por lo tanto, no necesita
módulos de memoria, ya que la salida no depende de
entradas previas.
·
·
Sistemas digitales
secuenciales: La salida depende de la entrada actual y de las
entradas anteriores. Esta clase de sistemas necesitan elementos
de memoria que recojan la información de la 'historia pasada' del sistema.
Para la implementación de los circuitos digitales,
se utilizan puertas lógicas (AND, OR y NOT) y transistores. Estas puertas siguen
el comportamientode algunas funciones booleanas.
Se dice que un sistema es analógico cuando
las magnitudes de la señal se representan mediante variables continuas, esto es análogas a las magnitudes que
dan lugar a la generación de esta señal. Un sistema analógico contiene dispositivos que manipulan
cantidades físicas representadas en forma analógica. En un sistema de
este tipo, las cantidades varían sobre un intervalo continuo de valores.
Así, una magnitud analógica es aquella que toma
valores continuos. Una magnitud digital es aquella que toma un conjunto de
valores discretos.
La mayoría de las cosas que se pueden medir
cuantitativamente aparecen en la naturaleza en forma analógica. Un
ejemplo de ello es la temperatura: a lo largo de un día la
temperatura no varía entre, por ejemplo, 20 ºC o 25 ºC de forma instantánea,
sino que alcanza todos los infinitos valores que entre ese intervalo. Otros
ejemplos de magnitudes analógicas son el tiempo, la presión, la distancia, el sonido.
Una señal analógica es un voltaje o corriente que
varía suave y continuamente. Una onda senoidal es una señal analógica de una
sola frecuencia. Los voltajes de la voz y del video son señales analógicas que
varían de acuerdo con el sonido o variaciones de la luz que corresponden a la información
que se está transmitiendo.
Las señales digitales, en contraste con las
señales analógicas, no varían en forma continua, sino que cambian en pasos o en
incrementos discretos. La mayoría de las señales digitales utilizan códigos
binarios o de dos estados.
La revolución electrónica ha estado vigente bastante tiempo; la
revolución del "estado sólido" comenzó con dispositivos analógicos y
aplicaciones como los transistores y los radios transistorizados. Cabe
preguntarse ¿por qué ha surgido ahora una revolución digital?
De hecho, existen muchas razones para dar
preferencia a los circuitos digitales sobre los circuitos analógicos:
Reproducibilidad de resultados.
Dado el mismo conjunto de entradas (tanto
en valor como en serie de tiempo),
cualquier circuito digital que hubiera sido diseñado en la forma adecuada,
siempre producirá exactamente los mismos resultados. Las salidas de un circuito
analógico varían con la temperatura, el voltaje de la fuente de alimentación, la antigüedad de los componentes y otros
factores.
Facilidad de diseño.
El diseño digital, a menudo denominado
"diseño lógico", es lógico. No se necesitan habilidades matemáticas especiales, y el
comportamiento de los pequeños circuitos lógicos puede visualizarse mentalmente
sin tener alguna idea especial acerca del funcionamiento decapacitores, transistores u otros
dispositivos que requieren del cálculo para modelarse.
Flexibilidad y funcionalidad.
Una vez que un problema se ha reducido a su
forma digital, podrá resolverse utilizando un conjunto de pasos lógicos en el
espacio y el tiempo.
Por ejemplo, se puede diseñar un circuito digital
que mezcle o codifique su voz grabada de manera que sea absolutamente
indescifrable para cualquiera que no tenga su "clave" (contraseña),
pero ésta podrá ser escuchada virtualmente sin distorsión por cualquier persona que posea la clave. Intente
hacer lo mismo con un circuito analógico.
Programabilidad.
Usted probablemente ya esté familiarizado
con las computadoras digitales y la facilidad
con la que se puede diseñar, escribir y depurar programas para las mismas. Pues bien,
¿adivine qué? Una gran parte del diseño digital se lleva a cabo en la
actualidad al escribir programas, también, en los lenguajes de descripción de lenguaje de descripción de Hardware (HDLs, por sus siglas
en inglés),
Estos lenguajes le permiten especificar o modelar tanto la estructura como la función de un circuito digital.
Además de incluir un compilador, un HDL típico también tiene programas de simulación y síntesis. Estas herramientas de programación (software) se utilizan para verificar el
comportamiento del modelo de hardware antes que sea
construido, para posteriormente realizar la síntesis del modelo en un circuito,
aplicando una tecnología de componente en
particular.
Velocidad.
Los dispositivos digitales de la actualidad son
muy veloces. Los transistores individuales en los circuitos integrados más
rápidos pueden conmutarse en menos de 10 picosegundos, un dispositivo completo
y complejo construido a partir de estos transistores puede examinar sus
entradas y producir una salida en menos de 2 nanosegundos. Esto significa que
un dispositivo de esta naturaleza puede producir 500 millones o más resultados
por segundo.
Economía.
Los circuitos digitales pueden proporcionar mucha
funcionalidad en un espacio pequeño. Los circuitos que se emplean de manera
repetitiva pueden "integrarse" en un solo "chip" y
fabricarse en masa a un costo muy bajo, haciendo posible la
fabricación de productos desechables como son las
calculadoras, relojes digitales y tarjetas musicales de felicitación.
(Usted podría preguntarse, "¿acaso tales cosas son algo bueno?" ¡No
importa!)
Avance tecnológico constante.
Cuando se diseña un sistema digital, casi
siempre se sabe que habrá una tecnología más rápida, más económica o en todo
caso, una tecnología superior para el mismo caso poco tiempo.
Los diseñadores inteligentes pueden adaptar estos
avances futuros durante el diseño inicial de un sistema, para anticiparse a la
obsolescencia del sistema y para ofrecer un valor agregado a los consumidores.
Por ejemplo, las computadoras portátiles a menudo tienen ranuras de expansión
para adaptar procesadores más rápidos o memorias más grandes que las que se
encuentran disponibles en el momento de su presentación en el mercado.
De este modo, esto es suficiente para un matiz
de mercadotecnia acerca del diseño
digital.
Existen muchas razones por las que el procesado
digital de una señal analógica puede ser preferible al procesado de la señal
directamente en el dominioanalógico. Primero, un sistema
digital programable permite flexibilidad a la hora de reconfigurar las operaciones de procesado digital de
señales sin más que cambiar el programa. La reconfiguración de un sistema
analógico implica habitualmente el rediseño del hardware, seguido de la
comprobación y verificación para ver que opera correctamente.
También desempeña un papel importante al elegir el
formato del procesador de señales la
consideración de la precisión. Las tolerancias en los componentes de los
circuitos analógicos hacen que para el diseñador del sistema sea extremadamente
difícil controlar la precisión de un sistema de procesado analógico de señales.
En cambio, un sistema digital permite un
mejor control de los requisitos de
precisión. Tales requisitos, a su vez, resultan en la especificación de
requisitos en la precisión del conversor A/D y del procesador digital de
señales, en términos de longitud de palabra, aritmética de coma flotante frente
a coma fija y factores similares.
Las señales digitales se almacenan fácilmente en
soporte magnético (cinta o disco) sin deterioro o pérdida en la fidelidad de la
señal, aparte de la introducida en la conversión A/D. Como consecuencia, las
señales se hacen transportables y pueden procesarse en tiempo no real en
un laboratorioremoto.
El método de procesado digital de
señales también posibilita la implementación de algoritmos de procesado de señal más
sofisticados. Generalmente es muy difícil realizar operaciones matemáticas
precisas sobre señales en formato analógico, pero esas mismas operaciones
pueden efectuarse de modo rutinario sobre un ordenador digital utilizando
software.
En algunos casos, la implementación digital del
sistema de procesado de señales es más barato que su equivalente analógica. El
menor coste se debe a que el hardware digital es más barato o, quizás, es
resultado de la flexibilidad ante modificaciones que permite la implementación
digital.
Como consecuencia de estas ventajas, el procesado
digital de señales se ha aplicado a sistemas prácticos que cubren un amplio
rango de disciplinas.
Citamos, por ejemplo, la aplicación de técnicas de procesado digital de
señales al procesado de voz y transmisión de señales en canales telefónicos, en
procesado y transmisión de imágenes, en sismología y geofísica, en
prospección petrolífera, en la detección de explosiones nucleares, en el
procesado de señales recibidas del espacio exterior, y en una enorme variedad
de aplicaciones.
Sin embargo, como ya se ha indicado, la implementación digital tiene sus
limitaciones. Una limitación práctica es la velocidad de operación de los
conversores A/D y de los procesadores digitales de señales. Veremos que las
señales con anchos de banda extremadamente grandes precisan conversores A/D con
una velocidad de muestreo alta y procesadores
digitales de señales rápidos. Así, existen señales analógicas con grandes
anchos de banda para las que la solución mediante procesado digital de señales
se encuentra más allá
del" estado del arte" del hardware digital.
Fotografías.
La mayoría de las cámaras todavía hacen uso
de películas que tienen un recubrimiento de haluros de plata para grabar
imágenes. Sin embargo, el incremento en la densidad de los microcircuitos o
"chips" de memoria digital ha permitido el desarrollo de cámaras digitales que
graban una imagen como una matriz de 640 x 480, o incluso
arreglos más extensos de pixeles donde cada pixel almacena las intensidades de
sus componentes de color rojo, verde y azul de 8 bits
cada uno.
Esta gran cantidad de datos, alrededor de siete millones de bits
en este ejemplo puede ser procesada y comprimida en un formato denominado JPEG
y reducirse a un tamaño tan pequeño como el equivalente al 5% del tamaño
original de almacenamiento dependiendo de la cantidad de detalle de la imagen.
De este modo las cámaras digitales dependen tanto del almacenamiento como del
procesamiento digital.
Grabaciones de video.
Un disco versátil digital de múltiples usos
(DVD por las siglas de digital versatile disc) almacena
video en un formato digital altamente comprimido denominado MPEG-2. Este estándar codifica una pequeña
fracción de los cuadros individuales de video en un formato comprimido
semejante al JPEG y codifica cada uno de los otros cuadros como la diferencia
entre éste y el anterior.
La capacidad de un DVD de una sola capa y un solo
lado es de aproximadamente 35 mil millones de bits suficiente para grabar casi
2 horas de video de alta calidad y un disco de doble capa y
doble lado tiene cuatro veces esta capacidad.
Grabaciones de audio.
Alguna vez se fabricaron exclusivamente
mediante la impresión de formas de onda analógicas sobre cinta magnética o un
acetato (LP), las grabaciones de audio utilizan en la actualidad de manera
ordinaria discos compactos digitales (CD. Compact Discs). Un CD almacena lamúsica como una serie de números de
16 bits que corresponden a muestras de la forma de onda analógica original se
realiza una muestra por canal estereofónico cada
22.7 microsegundos. Una grabación en CD a toda su capacidad (73 minutos)
contiene hasta seis mil millones de bits de información.
Carburadores de automóviles.
Alguna vez controlados estrictamente por
conexiones mecánicas (incluyendo dispositivos mecánicos "analógicos"
inteligentes que monitorean la temperatura, presión. etc.), en la actualidad
los motores de los automóviles están
controlados por microprocesadoresintegrados.
Diversos sensores electrónicos y
electromecánicos convierten las condiciones de la máquina en números que
el microprocesador puede examinar para
determinar cómo controlar el flujo de gasolina y oxígeno hacia el motor. La salida del microprocesador es
una serie de números variante en el tiempo que activa a transductores
electromecánicos que a su vez controlan la máquina.
El sistema telefónico.
Comenzó hace un siglo con micrófonos y receptores
analógicos que se conectaban en los extremos de un par de alambres decobre (o, ¿era una cuerda?). Incluso
en la actualidad en la mayor parte de los hogares todavía se emplean teléfonos
analógicos los cuales transmiten señales analógicas hacia la oficina central (CO) de la compañía
telefónica. No obstante en la mayoría de las oficinas centrales estas señales
analógicas se convierten a un formato digital antes que sean enviadas a sus
destinos, ya sea que se encuentren en la misma oficina central o en cualquier
punto del planeta.
Durante muchos años los sistemas telefónicos de
conmutación privados (PBX. private branch exchanges) que se utilizan en
los negocios han transportado el formato
digital todo el camino hacia los escritorios. En la actualidad muchos negocios,
oficinas centrales y los proveedorestradicionales de servicios telefónicos están cambiando
a sistemas integrados que combinan la voz digital con el tráfico digital de
datos sobre una solared de Protocolo de Internet IP (por las siglas en inglés de
Protocolo de Internet).
Semáforos.
Para controlar los semáforos se utilizaban
temporizadores electromecánicos que habilitaban la luz verde para cada una de
las direcciones de circulación durante un intervalo predeterminado de tiempo.
Posteriormente se utilizaron relevadores en módulos controladores que podían
activar los semáforos de acuerdo con el patrón del tráfico detectado mediante
sensores que se incrustan en el pavimento. Los controladores de hoy en día
hacen uso de microprocesadores y pueden controlar los semáforos de modo que
maximicen el flujo vehicular, o como sucede en algunas ciudades de California,
sean un motivo de frustración para los automovilistas en un sinnúmero de
creativas maneras.
Efectos cinematográficos
Los efectos especiales creados
exclusivamente para ser utilizados con modelos miniaturizados de arcilla,
escenas deacción, trucos de fotografía y numerosos traslapes de
película cuadro por cuadro.
En la actualidad naves espaciales, insectos, otras
escenas mundanas e incluso bebés (en la producción animada de Pixar, Tin Toy) se sintetizan por
completo haciendo uso de computadoras digitales. ¿Podrán algún día ya no ser
necesarios ni los dobles cinematográficos femeninos o masculinos?
Un ejemplo de sistema electrónico analógico es el
altavoz, que se emplea para amplificar el sonido de forma que éste sea oído por una gran audiencia.
Las ondas de sonido que son analógicas en
su origen, son capturadas por un micrófono y convertidas en una pequeña
variación analógica de tensión denominada señal de audio. Esta tensión varía de
manera continua a medida que cambia el volumen y la frecuencia del sonido y
se aplica a la entrada de un amplificador lineal.
La salida del amplificador, que es la tensión de
entrada amplificada, se introduce en el altavoz. Éste convierte, de nuevo, la
señal de audio amplificada en ondas sonoras con un volumen mucho mayor que el
sonido original captado por el micrófono.
Existen sistemas que utilizan métodos digitales y
analógicos, uno de ellos es el reproductor de disco compacto (CD). La música en
forma digital se almacena en el CD. Un sistema óptico de diodos láser lee los datos digitales del disco cuando éste gira y
los transfiere al convertidor digital-analógico (DAC, digital-to-analog
converter). El DAC transforma los datos digitales en una señal analógica que es
la reproducción eléctrica de la música original. Esta señal se
amplifica y se envía al altavoz. Cuando la música se grabó en el CD se utilizó
un proceso que, esencialmente, era el inverso al descrito, y que
utiliza un convertidor analógico digital (ADC, analog-to-digital converter).
