conversiones analogigas digital

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MATERIA: FUNDAMENTO DE TELECOMUNICACCIONES UNIDAD TEMA: CONVERSION DE SEÑAL ANALÓGICA A DIGITAL Y VICEVERSA. ALUMNAS: INDIRA SAID SANTIAGO SANTIAGO GRACIELA AVENDAÑO MENDOZA CATEDRÁTICO: MARÍA DE LOS ÁNGELES MARTÍNEZ MORALES ESPECIALIDAD: ING. EN INFORMÁTICA TUXTEPEC, OAX, 14 DE ABRIL DEL 2013

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Page 1: Conversiones Analogigas Digital

MATERIA:FUNDAMENTO DE TELECOMUNICACCIONES

UNIDAD

TEMA:CONVERSION DE SEÑAL ANALÓGICA A DIGITAL Y VICEVERSA.

ALUMNAS:INDIRA SAID SANTIAGO SANTIAGOGRACIELA AVENDAÑO MENDOZA

CATEDRÁTICO:MARÍA DE LOS ÁNGELES MARTÍNEZ

MORALES

ESPECIALIDAD:ING. EN INFORMÁTICA

TUXTEPEC, OAX, 14 DE ABRIL DEL 2013

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INTRODUCCIÓN:

En Este trabajo encontrara la forma en que una señal analógica pasa a ser señal digital este proceso conocido como conversión A/D es necesario para utilizar las mejores propiedades de transmisión digital de las señales.

Así mismo la conversión de una señal digital que pasa a ser señal analógica.

En la transmisión de una señal se requieren dos condiciones:

Por un lado, se trata de reducir al máximo la ocupación del canal de transmisión, para permitir la utilización por parte de otras señales; por otro lado, es necesario que la técnica de digitalización utilizada permita una reproducción de buena calidad de la señal de origen.

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ANALISIS DEL PROCESO EN LA CONVERSIÓN DE SEÑAL ANALÓGICA A DIGITAL Y VICEVERSA.

CONVERSIÓN ANALÓGICA-DIGITAL

La conversión analógica-digital (CAD) o digitalización consiste en la transcripción de señales analógicas en señales digitales, con el propósito de facilitar su procesamiento (codificación, compresión, etc.) y hacer la señal resultante (la digital) más inmune al ruido y otras interferencias a las que son más sensibles las señales analógicas.

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).

Existen 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.

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*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.

PAM:

Modulación por amplitud de pulsos o Pulse Amplitude - Modulation, es la más sencilla de las modulaciones digitales. Consiste en cambiar la amplitud de una señal, de frecuencia fija, en función del símbolo a transmitir.

 PCM

Solo modula. Para que sea útil (la señal sea realmente digital) hace falta codificar. Esto lo hace PCM

PCM (Modulación por Pulsos Codificados)

- Se Realiza Por Tres Pasos

Muestreo:

Nyquist concluyo que muestras tomadas en intervalos regulares de tiempo pueden ser usadas para transmitir una señal. Una señal continua que no contenga componentes espectrales mayores que la frecuencia B está determinada en forma

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única por sus valores en intervalos uniformes menores a 1/2B. Expresado en términos de frecuencia, establece que la "frecuencia de muestreo debe ser mayor o igual al doble de la frecuencia máxima de la señal muestreada“

- Tomando la voz humana como ejemplo, se tiene:fs= 2fmax

Donde:fmax= 4kHz Banda de la voz humana

Por lo tanto, las muestras se tomarían a un intervalo de tiempo de 125us.Ts=1/ [2(fmax)]

2)Cuantización: Representa la amplitud de un muestra por la amplitud del nivel discreto más cercano. Cada valor de muestra tendrá que ser representado por un código. El numero de niveles de cuantización "M" esta estrechamente relacionado con el numero de bits "n" que son necesarios para codificar una señal. En casos prácticos se usan 8 bits para codificar cada muestra, por lo tanto se tiene:

M=2= 256 niveles

3)Codificación:

Después de ser cuantizada, la muestra de entrada, esta limitada a 256 valores discretos. La mitad de estas son muestras codificadas positivas, la otra mitad son muestras codificadas negativas. Existen muchos códigos diferentes:

-Natural.- Simétrico.

ADC (Analog to-Digital Converter - Conversor Analógico Digital, Efectúa siguientes pasos:

Muestreo de la señal analógica:

Para convertir una señal analógica en digital, el primer paso consiste en realizar un muestreo (sampling) de ésta, o lo que es igual, tomar diferentes muestras de tensiones o voltajes en diferentes puntos de la onda senoidal.

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Cuantización de la señal analógica:

Una vez realizado el muestreo, el siguiente paso es la cuantización (quantization) de la señal analógica. Para esta parte del proceso los valores continuos de la sinusoide se convierten en series de valores numéricos decimales discretos correspondientes a los diferentes niveles o variaciones de voltajes que contiene la señal analógica original.

Codificación de la señal en código binario:

Después de realizada la cuantización, los valores de las tomas de voltajes se representan numéricamente por medio de códigos y estándares previamente establecidos. Lo más común es codificar la señal digital en código numérico binario.

VENTAJAS:

No introduce ruidos en la transmisión.

Se guarda y procesa mucho más fácilmente que la analógica.

Posibilita almacenar grandes cantidades de datos en diferentes soportes

Permite detectar y corregir errores con más facilidad.

Las grabaciones no se deterioran con el paso del tiempo como sucede con las cintas analógicas.

Permite realizar regrabaciones sucesivas sin que se pierda ninguna generación y, por tanto, calidad.

Permite la compresión para reducir la capacidad de almacenamiento.

Facilita la edición visual de las imágenes y del sonido en un ordenador o computadora personal, utilizando programas apropiados.

El rayo láser que graba y reproduce la información en CDs y DVDs nunca llega a tocar físicamente su superficie.

No la afecta las interferencias atmosféricas (estática) ni de otro tipo cuando se transmite por vía inalámbrica, como ocurre con las transmisiones analógicas.

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DESVENTAJAS:

Para su transmisión requiere un mayor ancho de banda en comparación con la analógica.

La sincronización entre los relojes de un transmisor inalámbrico digital y el receptor requiere que sea precisa, como ocurre con el GPS (Global Positioning System - Sistema de Posicionamiento Global).

Las transmisiones de las señales digitales son incompatibles con las instalaciones existentes para transmisiones analógicas.

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.

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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.

EJEMPLO DE CONVERSIÓN DE SEÑAL ANALOGICA A DIGITAL:

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.

1. Si el valor de la señal en ese instante está por debajo de un determinado umbral, la señal digital toma un valor mínimo (0).

2. Cuando la señal analógica se encuentra por encima del valor umbral, la señal digital toma un valor máximo (1).

3. 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.

*EJEMPLO:

La música en el formato 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 conversor digital-analógico. Este 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 para poder disfrutarla.

Cuando la música original se grabó en el CD se utilizó un proceso que esencialmente, era el inverso del descrito aquí, y que utilizaba un conversor analógico-digital.

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CONVERSION DE SEÑAL DIGITAL A ANALÓGICA:

El proceso realizado por el conversor digital analógico (CDA) es justamente el inverso al que realiza el conversor analógico digital (CAD), como ya se ha observado. Se parte de muestras en formato binario, y éstas se deben convertir en una señal analógica (continua en el tiempo y la amplitud).

La conversión digital a analógico es el proceso de cambiar una de las características de una señal de base analógica en información basada en una señal digital (ceros y unos).

Por ejemplo, cuando se transmiten datos de una computadora a otra a través de una red telefónica pública, los datos originales son digitales, pero debido a los cables telefónicos transportan señales analógicas es necesario convertir dichos datos.

Los datos digitales deben ser modulados sobre una señal analógica que ha sido manipulada para aparecer como dos valores distintos correspondientes al 0 y al 1 binario.

Ejemplo:

El CDA asocia a cada valor binario un nivel de tensión previamente establecido, y genera muestras de tensión utilizando dichos niveles, aplicando un intervalo de tiempo constante entre muestras. La cuestión a resolver es la siguiente: ¿cómo unir una muestra con la que le sucede? En efecto, dicha unión es necesaria para hacer que la señal vuelva a ser continua en el tiempo. Existen muchas técnicas que hacen esto posible. La más sencilla consiste en mantener el nivel de tensión de una muestra hasta que llegue la muestra siguiente. Otras técnicas más complejas emplean la muestra actual y las muestras anteriores para predecir la siguiente muestra.

Después de este proceso, la señal aún presenta cierto grado de distorsión. Por ello, se suele aplicar un proceso de filtrado que suaviza la señal. Si la frecuencia

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de muestreo y la resolución han sido apropiadas, la señal resultante será una buena reconstrucción de la señal original.

Un conversor digital-analógico (DAC) es un dispositivo que recibe una información digital en forma de una palabra de n-bits, y la transforma en una señal analógica. La transformación se realiza mediante una correspondencia entre 2n combinaciones binarias posibles en la entrada y 2n tensiones (o corrientes) discretas obtenidas a partir de una tensión de referencia (VREF). La señal analógica así obtenida no es una señal continua, sino que se obtiene un número discreto de escalones como consecuencia de la discretización de la entrada.

También Digital to Analogue Converter es un dispositivo para convertir datos digitales en señales de corriente o de tensión analógica.

APLICACIONES DE LOS DAC’S

Las aplicaciones más significativas del DAC son;

En instrumentación y control automático, permiten obtener, de un instrumento digital, una salida analógica para propósitos de graficación, indicación o monitoreo, alarma, etc.

El control por computadora de procesos ó en la experimentación, se requiere de una interface que transfiera las instrucciones digitales de la computadora al lenguaje de los actuadores del proceso que normalmente es analógico. 

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En comunicaciones, especialmente en cuanto se refiere a telemetría ó transmisión de datos, se traduce la información de los transductores de forma analógica original, a una señal digital, la cual resulta más adecuada para la transmisión.

Hay que definir qué tan exacta será la conversión entre la señal analógica y la digital, para lo cual se define la resolución que tendrá.

La resolución se define de dos maneras:

Primero se define el número máximo de bits de salida. Este dato permite determinar el número máximo de combinaciones en la salida digital. Este número máximo está dado por: 2n donde n es el número de bits.

También la resolución se entiende como el voltaje necesario (señal analógica) para lograr que en la salida (señal digital) haya un cambio del bit menos significativo. (LSB)

Para hallar la resolución se utiliza la siguiente fórmula: Resolución = VoFS / [2n - 1]

Donde:- n = número de bits del ADC- VoFS = es el voltaje que hay que poner a la entrada del convertidor para obtener una conversión máxima (todas las salidas son "1")

El DAC más sencillo que se puede concebir consta simplemente de una tensión de referencia y de un grupo de resistencias que se conectan o no de acuerdo al

estado de un interruptor asociado

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La tensión de salida del amplificador operacional viene dada por:

Donde: Vo: Es la tensión de salida de operacional. VREF: Es la tensión de referencia. Rr: Es la resistencia de realimentación del amplificador operacional. S0, S1, S2, S3 son los valores lógicos (0 o 1) de los correspondientes bits.

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CONVERSIÓN DE ANALOGICO A ANALOGICO:

Es la representación de información analógica mediante una señal analógica.la radio, esa utilidad familiar, es un ejemplo de una comunicación de analógico a analógico.

Se puede conseguir de tres formas: modulación en amplitud (AM), modulación en frecuencia (FM) y modulación en fase (PM).

MODULACION EN AMPLITUD (AM)

En transmisión AM (Amplitude Modulation), la señal portadora se modula de forma que su amplitud varie con los cambios de amplitud de la señal modulada. La frecuencia y la fase de la portadora son siempre las mismas; solamente la amplitud cambia para seguir las variaciones en la información.

MODULACION EN FRECUENCIA (FM).

En la transmisión FM (Frequency Modulation), se modula la frecuencia de la señal portadora para seguir los ca,bios en los niveles de voltaje (amplitud) de la señal modulada.

La amplitud pico y la fase de la señal portadora permanecen constantes pero a medida que la amplitud de la señal de información cambia, la frecuencia de la portadora cambia de forma correspondiente.

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MODULACION EN FASE (PM)

Debido a los requisitos de hardware mas sencillos, la modulación en fase (PM, Phase Modulation) se usa en algunos sistemas como alternativa a la modulación en frecuencia. En la transmisión PM, la fase de la señal portadora se modula para seguir los cambios de voltaje (amplitud) de la señal modulada.

La amplitud pico y la frecuencia de la señal portadora permanecen constantes, pero a medida que la señal de información cambia, la fase de la portadora cambia de forma correspondiente.

Los análisis y el resultado final (señal modulada) son similares a los de la modulación en frecuencia.

Ejemplo:

Modulación en Amplitud (AM)

*Uso de una frecuencia portadora

Modulación en Frecuencia (FM)

*Espectro de frecuencias

*Una emisora utiliza 200Khz de banda

Modulación en fase (PM)

*Similar a FM

Para la transmisión de señales analógicas mediante modulación analógica existen 2 razones:

Los medios no guiados necesitan una mayor frecuencia para una transmisión más efectiva.

La modulación permite la multiplexación por división de frecuencias.

Las técnicas de modulación de datos analógicos son:

1) Modulación en Amplitud (AM)

2) Modulación en Frecuencia (FM)

3) Modulación en Fase (PM)

 Datos Analógicos, Señales Digitales

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Es más concreto referirse a este proceso como la conversión de datos analógicos a datos digitales:  este proceso se denomina también digitalización.  El dispositivo que se utiliza para la conversión de los datos analógicos en digitales, y que posteriormente recupera los datos analógicos iniciales de los digitales se denomina CODEC (codificador - decodificador).  Existen dos técnicas utilizadas por el CODEC que son: 

* Modulación por Codificación de impulsos

* Modulación delta

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Bibliografía

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