Conversión de Señal Analógica-Digital
Como parte del proceso de entender como la Inteligencia Artificial realiza el proceso de percepción de sonidos, es importante conocer como funciona el proceso de conversión de analógico a Digital.
Esto es muy usado para procesamiento de Audio en multiples aplicaciones, como restauración profesional de audios, eliminar el ruido en señales digitales, en la manera de que Google Home captura tu petición implementa técnicas de eliminación del ruido para su posterior uso en modelos de lenguaje natural, etc…
Explicaré de manera sintetizada, excluyendo algunos tipos de señal que puedan confundir en el concepto, y me centraré en un ejemplo simple de una conversión de una señal senoidal analógica a digital y viceversa.
Conversión de señal análoga a digital
Como vemos esta es una señal senoidal analógica:
1. El Muestreo
Como primer paso se analizan intervalos de tiempos regulares, se toma una muestra del valor de la señal analógica que tiene en determinados momentos, esto se realiza en intervalos de tiempos regulares, siempre de la misma duración.
Es importante que estos intervalos de tiempo mantengan una gran regularidad y una gran precisión para que cada muestra sea recogida exactamente en el momento adecuado.
Para tener una idea en la tecnología de CD de audio, se toma 44100 muestras cada segundo.
Para este ejemplo tomaremos 10 muestras, dividimos la señal en 10 partes iguales, tomando los valores del eje X :
Luego procedemos a procesarlos mediante el siguiente paso.
2. La Cuantificación
Implica tomar las muestras del proceso anterior y encasillarlas, por decir así, dentro de unos determinados valores permitidos, para visualizar claramente a que valor corresponde cada muestra tomada, vamos a trazar unas líneas discontinuas horizontales, que servirán para separar los valores adyacentes.
Para este ejemplo, usaremos 8 niveles diferentes repartidos a lo largo del eje vertical y (4 positivos, y 4 negativos):
En las grabaciones de audio se utilizan 65536 niveles mediante un sistema llamado complementados de a 2, la mitad de estos niveles se utilizan para valores negativos, y los otros para positivos.
Imaginemos que son milivoltios, pero lo importante es que hay valores negativos y positivos, recordar que ninguna muestra puede estar entre estos dos lados (valores discretos) o es positivo o negativo..
Al cuantificar el valor de una muestra se redondea al valor mas cercano, para cuantificar la señal analógica, tenemos que registrar el valor de cada muestra tomada.
3. La Codificación
Tenemos que codificar cada valor de las muestras, para que algún sistema digital los entienda y los pueda procesar. ¿Que sistema numérico se adapta para comunicarse y entenderse sin problemas con problemas digitales?
El sistema BINARIO, formado por 1 y 0. ¿Como se hace esta codificación a binario de las muestras?
Estamos usando un total de 8 valores Discretos (4+ y 4 -) vamos a ver que números binarios tenemos que usar para sustituir.
En este caso usaremos 3 dígitos binarios, como veremos serán suficiente para conseguir los 8 valores que necesitamos. En los sistemas digitales se suele usar el primer valor “0”.
Con los 3 dígitos binarios tenemos nuestro conjunto de números binarios.
Este conjunto de valores binarios se llaman PALABRA (110), y el sistema de codificación se llama PCM (Modulación mediante codificación de impulsos)
Utilizaremos 3 bits para codificar 8 valores. Con un PALABRA de 16 bits pueden manejarse un total de 65536 valores discretos.
Además se consigue una mayor definición de la señal digital procesada, una vez cuantificada y codificada.
A Continuación CODIFICAREMOS en binario los valores obtenidos con la cuantificación de la señal analógica:
Finalmente este es el código convertido de Analógico a Digital, de esta pequeñísima muestra de señal analógica.
Otras señales que valen la pena profundizar, Sincronismo, Control de errores, Desplazamiento, etc… que podrías investigar para profundizar.
Ahora como regresamos de Digital a Analógica?
Conversión de señal Digital a Analógica
El sistema de audio digital, hace la lectura exactamente en los mismos tiempos de la conversión que acabamos de ver.
Existen una serie de circuitos de control encargados de hacer este trabajo con absoluta precisión.
Primero, vamos a recorrer cada valor binario digital, y vamos a marcar cada valor en discreto de la misma en el sitio correspondiente de la escala:
Una vez finalizado el proceso de restauración, se ve claramente que la señal resultante no es exactamente igual que la original, existe una diferencia entre ambas, a esta señal se le llama Error de Cuantificación.
Este error de cuantificación produce cierto ruido que acompañará a la señal analógica una vez decodificada, sin embargo con las PALABRAS de 16 bits usadas para la grabación de CD’s el nivel de ruido es inapreciable.
Además la DENIFICIÓN de la señal analógica convertida desde un CD es bastante buena. Aquí detallaremos un poco el concepto de DENIFICIÓN, por ejemplo aquí puedes ver la comparación de dos señales senoidales convertidas una con poca DEFINICIÓN y la otra con una mayor :
Apreciamos la diferencia en la cantidad de bites utilizados, esa diferencia hace que una señal tenga mejor calidad o no.
Recordemos que este es un ejemplo para un tipo de percepción utilizado, luego veremos otros ejemplos de percepción.
gracias!
