Este documento describe el proceso de conversión analógica-digital y digital-analógica en televisión. Explica la cuantificación y codificación de señales analógicas para su representación digital, así como la reconversión a señales analógicas mediante convertidores digital-analógico. Además, compara señales analógicas y digitales, y analiza ventajas e inconvenientes de ambos formatos.

1. INGENIERÍA DE TELEVISIÓN INGENIERÍA ELECTRÓNICA YENNIFER GÓMEZ CARO EDGAR CATOLICO ANGARITA DAVID LEONARDO PATARROYO PUENTES

2. CONVERSION DIGITAL ANALOGA

3. COMPARACION 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. 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.

4. CUANTIFICACIÓN Y CODIFICACIÓN

5. CUANTIFICACION

6. La cuantificación es un proceso que consiste en asignar valores binarios de una determinada cantidad de bits, a cada uno de los valores de tensión en amplitud muestreados. La cuantificación convierte la muestra analógica a un numero binario.

7. Consiste en representar la señal muestreada X(nT) mediante una serie finita de amplitud , asignándole a cada muestra el valor mas próximo a ella, dentro de una escala de valores fijos y conocidos. Denominando X(nT) al valor de la muestra y a Xq(nT) al valor cuantificado de la señal

9. X(nT) Xq(nT) Q

10. En el caso de la señal de video generalmente es de 256 que es representada con una secuencia de 8 bits Esto se logra pasando la señal muestreada a través de divisores de voltaje, los cuales son la misma cantidad de los niveles de muestreo (256)

11. Señal Voltaje referencia comparadores En la figura podemos observar el proceso electrónico de cuantificación de la señal muestreada

12. Cuantificación a 3 bits por muestra Cuanto mayor es la cantidad de bits por muestra, mas son los pasos de cuantificación y por ende mayor es la resolución o definición de la imagen y una mejor señal ruido (S/N).

13. Niveles de cuantificación para la señal de luminancia para 8 y 10 bits por muestra de resolución.

14. Niveles de cualificación y valores binarios asignados para 8 bits

15. Niveles de cuantificación para 8 bits para las señales Cr y Cb

16. ERROR DE CUANTIFICACION Básicamente, la cuantificación lo que hace es convertir una sucesión de muestras de amplitud continua en una sucesión de valores discretos preestablecidos según el código utilizado. Durante el proceso de cuantificación se mide el nivel de tensión de cada una de las muestras, obtenidas en el proceso de muestreo, y se les atribuye un valor finito (discreto) de amplitud, seleccionado por aproximación dentro de un margen de niveles previamente fijado. Los valores preestablecidos para ajustar la cuantificación se eligen en función de la propia resolución que utilice el código empleado durante la codificación. Si el nivel obtenido no coincide exactamente con ninguno, se toma como valor el inferior más próximo. En este momento, la señal analógica (que puede tomar cualquier valor) se convierte en una señal digital, ya que los valores que están preestablecidos, son finitos. No obstante, todavía no se traduce al sistema binario. La señal ha quedado representada por un valor finito que durante la codificación (siguiente proceso de la conversión analógico digital) será cuando se transforme en una sucesión de ceros y unos. Así pues, la señal digital que resulta tras la cuantificación es diferente a la señal eléctrica analógica que la originó, algo que se conoce como Error de cuantificación. El error de cuantificación se interpreta como un ruido añadido a la señal tras el proceso de decodificación digital. Si este ruido de cuantificación se mantiene por debajo del ruido analógico de la señal a cuantificar (que siempre existe), la cuantificación no tendrá ninguna consecuencia sobre la señal de interés.

17. Tipos de cuantificación Para minimizar los efectos negativos del error de cuantificación, se utilizan las distintas técnicas de cuantificación que a continuación se describen:

18. Cuantificación uniforme En los cuantificadores uniformes (o lineales) la distancia entre los niveles de reconstrucción es siempre la misma. No hacen ninguna suposición acerca de la naturaleza de la señal a cuantificar, de ahí que no proporcionen los mejores resultados. Sin embargo, tienen como ventaja que son los más fáciles y menos costosos de implementar.

19. La cuantificación no uniforme o no lineal se aplica cuando se procesan señales no homogéneas que se sabe que van a ser más sensibles en una determinada banda concreta de frecuencias.Se estudia la propia entropía de la señal analógica y se asignan niveles de cuantificación de manera no uniforme (bit rate variable), de tal modo que se asigne un mayor número de niveles para aquellos márgenes en que la amplitud de la tensión cambia más rápidamente.En este caso, lo que se hace es estudiar la propia entropía de la señal y asignar niveles de cuantificación de manera no uniforme (utilizando un bit rate variable), de tal modo que se asigne un mayor número de niveles para aquellos márgenes en que la amplitud cambia más rápidamente (contienen mayor densidad de información).Cuando durante la digitalización se ha usado una cuantificación no uniforme, se debe utilizar el mismo circuito no lineal durante la decodificación, para poder recomponer la señal de forma correcta.

20. Cuantificación logarítmica La cuantificación logarítmica o escalar es un tipo de cuantificación digital en el que se utiliza una tasa de datos constante, pero se diferencia de la cuantificación uniforme en que como paso previo a la cuantificación se hace pasar la señal por un compresor logarítmico. Se hace pasar la señal por un compresor logarítmico antes de la cuantificación. Como en la señal resultante la amplitud del voltaje sufre variaciones menos abruptas, la posibilidad de que se produzca un ruido de cuantificación grande disminuye. Antes de reproducir la señal digital, ésta tendrá que pasar por un expansor. En esta cuantificación tendremos pequeños pasos de cuantificación para los valores pequeños de amplitud y pasos de cuantificación grandes para los valores grandes de amplitud, lo que proporciona mayor resolución en señales débiles al compararse con una cuantifificación uniforme de igual bit rate, pero menor resolución en señales de gran amplitud. A la salida del sistema, la señal digital ha de pasar por un expansor, que realiza la función inversa al compresor logarítmico. El procedimiento conjunto de compresión y expansión se denomina companding. Los algoritmos Ley Mu y Ley A sirven como ejemplo de cuantificadores logarítmicos.

21. Cuantificación vectorial La cuantificación vectorial, un tipo de cuantificación digital, en el proceso puede ser idéntico a la cuantificación uniforme (utiliza un bit rate constante) o no constante (utiliza un bit rate variable). La particularidad radica, en que, en lugar de cuantificar las muestras retenidas individualmente, se cuantifican por bloques de muestras. Con ello, se logra una cuantificación más eficaz. En lugar de cuantificar las muestras obtenidas individualmente, se cuantifica por bloques de muestras. Cada bloque de muestras será tratado como si se tratara de un vector; de ahí el nombre de esta tipología. La cuantificación vectorial es la más eficiente de todas las modalidades de cuantificación en lo referente al error de cuantificación. No obstante, está más predispuesta a verse afectada por errores de transmisión. Otro inconveniente, es que los procesos informáticos para lograr esta codificación resultan muy complejos.

22. CODIFICACION

23. 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. La codificación permite asignarle valores numéricos binarios equivalentes a los valores de tensiones o voltajes que conforman la señal eléctrica analógica original.

24. Para el ejemplo vemos una codificación de tres bits

25. En la tabla podemos observar los valores numéricos correspondientes a los voltajes de las muestras tomadas de la señal analógica, tomando como ejemplo un código binario de tres bits.

26. El proceso de codificación se hace mediante el uso de comparadores a los cuales se les proporciona por una de sus entradas un voltaje preciso conocido como voltaje de referencia y el cual se logra con un divisor de voltaje similar al del proceso de conversión. De esta manera se logra que cuando el voltaje de cuantificación se mayor que el voltaje de referencia el comparador ponga un uno (1) en su salida, manteniendo el restante de sus comparadores mantienen su salida en cero (0)

27. Voltaje referencia señal comparadores codificador Señal codificada El la figura podemos observar el proceso electrónico completo de cuantificación y codificación de la señal muestreada

28. La cantidad de información es directamente proporcional al numero de bits que se empleen en el proceso de cuantificación. Se debe aclarar que a mayor resolución (cantidad de bits) menor será el error de cuantificación

29. En señales de video se utiliza una codificación de 8 bits por muestra, con una frecuencia de muestreo de 13.5 MHz para la luminancia y de 6 75 MHz para cada una de las señales de crominancia. Debido a las altas velocidades a las que deben funcionar estos conversores se hace necesario el uso de dos de estos. Uno para los voltajes de referencia altos y otro para los voltajes de referencia bajos los cuales tienen que ser combinados al final para obtener el código completo a la salida

30. Con el uso de 8 bits o 256 diferentes niveles, el flujo de datos requeriría un ancho de banda muy elevado, por lo tanto se hace necesario un proceso de compresión de los datos. En este proceso de compresión se eliminaran los datos que no contengan ningún tipo de in formación de video ni de sincronismo de línea lo cual hará que el ancho de banda sea mucho menor

32. CONVERSIÓN DIGITAL - ANÁLOGICA

33. Un convertidor Digital/Analógico (DAC), es un elemento que recibe información de entrada digital, en forma de una palabra de "n" bits y la transforma a señal analógica, cada una de las combinaciones binarias de entrada es convertida en niveles lógicos de tensión de salida.

34. La función principal de la conversión de una señal digital a una analógica es la restauración de la señal originalmente transmitida

35. En la figura podemos observar un conversor digital a anologico

36. La función de la conversión digital/analógica es la traducción de información de bits ( 8 para el caso de video) en distintos niveles de voltajes correspondientes a la señal analógica original

37. En la tabla se observa los valores en bits y su posible valor en voltajes para conversión de 4 bits

38. 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.

39. Desventajas 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).

40. 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.

41. BIBLIOGRAFIA Manual de producción de televisión Herbert Zettl Televisión digital de Salvador Almalfa http://es.wikipedia.org/wiki/Conversi%C3%B3n_digital-anal%C3%B3gica http://prof.usb.ve/tperez/docencia/2422/contenido/Cuantifico/CUANTIFICO.htm Libro Televisión Digital Avanzada Ing. José Simoneta - Capitulo 2- Digitalización de la señal de video Libro Fundamentos de televisión analógica y digital

42. GRACIAS