4. Digitalización de señales

La Digitalización es el proceso mediante el cual un mensaje se convierte en una sucesión de impulsos eléctricos, equivalente a dígitos combinados (código binario), el 0 ó el 1 (en realidad es una serie de apagado y prendido de impulso combinados). Estos dígitos son los llamados bits. 

De esta forma, todo mensaje que es susceptible de transformarse en señal eléctrica y ser codificado digitalmente puede almacenarse en soporte informático o transmitirse como tren de impulsos por una red adecuada (hilo telefónico, microondas, fibra óptica, cable coaxial, etc.) El código digital o binario es la base del tratamiento informático y de la tecnología de la información en su estado actual.

4.1. Teorema del muestreo

Si una señal contínua, S(t), tiene una banda de frecuencia tal que fm sea la mayor frecuencia comprendida dentro de dicha banda, dicha señal podrá recontruirse sin distorsión a partir de muestras de la señal tomadas a una frecuencia fs siendo fs > 2 fm.

En la figura se muestra un esquema simplificado del proceso de muestreo.

El interruptor no es del tipo mecánico, puesto que por lo general fs es de bastante valor. Suelen emplearse transistores de efecto campo como interruptores, para cumplir los requerimientos que se le exigen entre los que se encuentran:

• Una elevada resistencia de aislamiento cuando los interruptores (transistores)están desconectados. 
• Una baja resistencia si los interruptores están conectados o cerrados. 
• Una elevada velocidad de conmutación entre los dos estados de los interruptores.

4.3. Modulación por Pulsos

Las modulaciones de amplitud, frecuencia y fase se designan genéricamente como modulaciones de onda continua, en las cuales se varían los parámetros de una portadora senoidal continua de acuerdo a una señal moduladora de información (señal mensaje). En la modulación de pulsos, lo que se varía es alguno de los parámetros de un tren de pulsos uniformes, bien sea su amplitud, duración o posición. En este tipo de modulación se distinguen dos clases:

• Modulación analógica de pulsos, donde la información se transmite básicamente en forma analógica, pero la transmisión tiene lugar a intervalos discretos de tiempo. En la modulación analógica de pulsos, la señal no necesariamente es de dos niveles, sino que el nivel de la señal puede tener cualquier valor real, si bien la señal es discreta, en el sentido de que se presenta a intervalos definidos de tiempo, con amplitudes, frecuencias, o anchos de pulso variables

• Modulación digital de pulsos, en que la señal de información es discreta, tanto en amplitud como en tiempo, permitiendo la transmisión digital como una secuencia de pulsos codificados, todos de la misma amplitud. Este tipo de transmisión no tiene contraparte en los sistemas de onda continua. En la modulación digital, la señal de información es un flujo binario compuesto por señales binarias, es decir cuyos niveles de voltaje sólo son dos y corresponden a ceros y unos.

4.4. Relación entre ruido y Ancho de banda

Los factores fundamentales que controlan el índice y la calidad de la transmisión de información son el ancho de banda B y la potencia S de la señal.

El ancho de banda de un canal es el rango de frecuencias que éste puede transmitir con razonable fidelidad; por ejemplo, si un canal puede transmitir con razonable fidelidad una señal cuyas componentes de frecuencia ocupan un rango de 1,000 hasta un máximo de 5,000 Hz (5 kHz) el ancho de banda será de 4 kHz.

Para comprender el papel de B, se considera la posibilidad de aumentar la velocidad de transmisión de la información mediante la compresión en el tiempo de la señal. Si una señal se comprime en el tiempo un factor de dos, se podrá transmitir en la mitad del tiempo, y la velocidad de transmisión se duplica.

La potencia S de la señal desempeña un papel dual en la transmisión de información. Primero, S esta relacionada con la calidad de la transmisión. Al incrementarse S, la potencia de la señal, se reduce el efecto del ruido de canal, y la información se recibe con mayor exactitud, o con menos incertidumbre. Una mayor relación de señal a ruido S/N permite también la transmisión a través de una distancia mayor. En cualquier caso, una cierta S/N mínima es necesaria para la comunicación.

4.5. La compresión

¿Qué significa comprimir un archivo?
Comprimir es lograr que un archivo ocupe menos sin corromperlo.

Los archivos almacenados en tu disco duro ocupan un espacio determinado sobre la superficie del disco. Si se siguen añadiendo más datos, llegará un momento en el que ya no quedará espacio.

Antes de que se inventara la compresión de archivos, solo había dos opciones: borrar los archivos o añadir más espacio comprando un nuevo disco duro. Dos opciones poco prácticas.

La compresión aplica métodos matemáticos -algoritmos- a los datos para conseguir que estos ocupen menos espacio en el disco, quitando la necesidad de borrar o ampliar el espacio.
Compresión sin pérdida (lossless) vs. Compresión con pérdida (lossy)

Existen dos tipos principales de compresión: sin pérdida de datos (lossless) y con pérdida de datos (lossy). Ambos tipos de compresión tienen sus ventajas e inconvenientes. En la siguiente tabla puedes ver algunos ejemplos de formatos de archivo y su tipo de compresión:



Ten en cuenta que, a veces, se usa un formato para juntar varios archivos en uno sin compresión, cosa que ocurre, por ejemplo, con el formato ISO. En ese caso hablamos de empaquetado de archivos, operación para la que también sirve el formato ZIP.
Compresión sin pérdida o lossless: inflar y desinflar globos

La compresión sin pérdida o lossless consiste en analizar el archivo en busca de repeticiones y patrones que se puedan resumir. Es lo más parecido a comprimir un acordeón. Mira, por ejemplo, este documento con varios tipos de datos:

Cuando lo comprimimos en formato ZIP, que es lossless, esto es lo que ocurre al “acordeón” original que es nuestro archivo de ejemplo:

Como ves, los sectores que se repetían se han reducido mucho, pero los datos no se han perdido: el formato ZIP ha guardado instrucciones que indican cómo “reinflar” el archivo para usarlo.

Nota también cómo algunos de esos sectores (los grises) no se han comprimido apenas: esto se debe a que el nivel de redundancia de esas partes es menor. En otras palabras, si no hay nada que se repita, el compresor no hace nada. Eso explica por qué comprimir archivos muy optimizados, como los JPG, es inútil.

Encontrar repeticiones en un texto es fácil. Por eso la compresión es muy eficaz con los TXT

Otra razón por la que pueden quedar partes sin comprimir es que cada tipo de dato requiere un enfoque distinto a la hora de ser comprimido sin pérdida. Es por ello que hoy en día se prefiere usar compresores específicos para determinados tipos de archivos, llamados comúnmente códecs.

Prácticamente todos los compresores de archivos (WinZip, WinRAR, 7Z) recurren a la compresión lossless porque es fiable y segura: la integridad de los datos se mantiene, y esa es su mayor ventaja. Si necesitas disminuir el espacio ocupado por documentos importantes, la compresión lossless debe ser tu primera elección.

El inconveniente principal de la compresión lossless es que no siempre resulta eficaz, y que el ahorro de espacio que consigue es inferior al que obtienen las técnicas lossy.
Compresión con pérdida o lossy: quitar las piezas no-esenciales

La compresión lossy disminuye el espacio ocupado por un archivo usando una técnica bastante más radical: elimina información que resulta irrelevante para los sentidos humanos.

Por ejemplo, la compresión JPG reduce las variaciones de brillo y color de una foto, mientras que el formato MP3 elimina frecuencias de sonido inaudibles para el oído humano.

Arriba, la forma de onda de un archivo WAV sin compresión; abajo, la versión MP3 a 40kbps (fuente: Audio Grains)

Una cosa a tener en cuenta es que mientras la compresión lossless siempre es máxima, la compresión lossy es ajustable por el usuario como si de un control de televisión se tratara.

La diferencia entre la primera y la segunda Lenna es imperceptible a simple vista

Al comprimir con un algoritmo lossy, hay que preguntarse siempre qué nivel de calidad consideramos aceptable para el uso que vamos a dar al documento comprimido. Es importante consultar una vista previa y no sobrescribir el original.

El compresor de imágenes RIOT en acción. Nota la diferencia de tamaño entre las dos imágenes.

4.6. Multiplexión en el tiempo

Técnica para compartir un canal de transmisión entre varios usuarios. Consiste en asignar a cada usuario, durante unas determinadas "ranuras de tiempo", la totalidad del ancho de banda disponible. Esto se logra organizando el mensaje de salida en unidades de información llamadas tramas, y asignando intervalos de tiempo fijos dentro de la trama a cada canal de entrada. De esta forma, el primer canal de la trama corresponde a la primera comunicación, el segundo a la segunda, y así sucesivamente, hasta que el n-esimo más uno vuelva a corresponder a la primera.

En la multiplexación por división de tiempo (TDM) las señales de los diferentes canales de baja velocidad son probadas y transmitidas sucesivamente en el canal de alta velocidad, al asignarles a cada uno de los canales un ancho de banda, incluso hasta cuando éste no tiene datos para transmitir.

Ventajas de TDM

• Esto usa unos enlaces solos
• Esto no requiere al portador preciso que empareja a ambo final de los enlaces.
• El uso de la capacidad es alto.
• Cada uno para ampliar el número de usuarios en un sistema en un coste bajo.
• No hay ninguna necesidad de incluir la identificación de la corriente de tráfico en cada paquete.

Desventajas de TDM

• La sensibilidad frente a otro problema de usuario es alta
• El coste inicial es alto
• La complejidad técnica es más
• El problema del ruido para la comunicación análoga tiene el mayor efecto.

4.7. Relación entre ancho de banda y velocidad de transmisión

El medio de transmisión de las señales limita mucho las componentes de frecuencia a las que puede ir la señal, por lo que el medio sólo permite la transmisión de cierto ancho de banda.

En el caso de ondas cuadradas (binarias), estas se pueden simular con ondas senoidales en las que la señal sólo contenga múltiplos impares de la frecuencia fundamental. Cuanto más ancho de banda, más se asemeja la función seno (multifrecuencia) a la onda cuadrada. Pero generalmente es suficiente con las tres primeras componentes.

Se puede demostrar que al duplicar el ancho de banda, se duplica la velocidad de transmisión a la que puede ir la señal.

Al considerar que el ancho de banda de una señal está concentrado sobre una frecuencia central, al aumentar esta, aumenta la velocidad potencial de transmitir la señal.

Pero al aumentar el ancho de banda, aumenta el coste de transmisión de la señal aunque disminuye la distorsión y la posibilidad de ocurrencia de errores.

4.8. Modulación Diferencial

La modulación por desplazamiento diferencial de fase (conocida como DPSK, por las siglas en inglés de Differential Phase Shift Keying), es una forma de modulación digital, donde la información binaria de la entrada está compuesta en la diferencia entre las fases de dos elementos sucesivos de señalización, y no en la fase absoluta.1 Se considera una forma no-coherente de PSK y por ello, en la recepción se evita la necesidad de una señal coherente de referencia para la recuperación de la señal portadora. La implementación del receptor es económica, por lo que es de amplio uso en comunicaciones inalámbricas.2 En los sistemas DPSK, el flujo digital de entrada es codificado de forma diferencial y luego es modulado mediante la PSK binaria

Bibliografía

http://www2.udec.cl/~lsalazarv/digitalizacion.html

http://www.ifent.org/lecciones/digitales/secuenciales/Teorema_Muestreo.asp

https://interactivelectronic.wordpress.com/2011/01/27/capitulo-5-modulacion-por-pulsos/

http://www.eveliux.com/mx/curso/relaciea-ruido.html

https://articulos.softonic.com/que-es-compresion-archivos


http://www.galeon.com/senales/aficiones1350310.html