Digitalización de la Voz: Teoría y Perturbaciones en Sistemas Electrónicos

Digitalización de la Voz

Señal Analógica vs. Señal Digital

Señal Analógica: Es una señal continua en el tiempo y amplitud, que tiene valores en todo momento.

Señal Digital: Es una señal discontinua en amplitud y/o tiempo, o ambos. Solo puede tomar valores determinados en el tiempo.

Proceso de Digitalización de la Voz

La digitalización de cualquier señal analógica consta de los siguientes pasos:

1. Muestreo: Se toman muestras de la señal a una velocidad constante.
2. Cuantificación: Los valores de amplitud de las muestras se discretizan.
3. Codificación: Los valores cuantificados se codifican en binario.
4. Multiplexación: Los datos resultantes de la señal analógica original se procesan y transmiten.

Muestreo

Se toman muestras de la señal a intervalos regulares. Se deben extraer suficientes muestras para poder recuperar la señal en el otro extremo del canal (frecuencia de muestreo > frecuencia de Nyquist = 2 x ancho de banda de la señal).

Cuantificación No Uniforme

Existen dos normativas para la cuantificación no uniforme o alineal. Ambas siguen una cuantificación de tipo logarítmico:

• Ley A: Usada en Europa.
• Ley U: Usada en Norteamérica.

Ambas usan 256 niveles de cuantificación, por tanto, 8 bits por muestra, a razón de 8000 muestras por segundo, son 64Kbps de régimen binario, bastante menor que los 96Kbps resultantes de una cuantificación uniforme o lineal.

Codificación

Los valores de amplitud, una vez cuantificados usando la Ley A, se codifican en números binarios que pueden ser luego transmitidos y procesados digitalmente.

• Si muestreamos a una frecuencia de 8.000 muestras/sg,
• Si discretizamos en amplitud usando 256 niveles de cuantificación,
• Si codificamos cada muestra en binario, se traducirá en 8 bits.

Por lo tanto, la señal analógica de voz habrá generado un flujo constante de datos binarios a la velocidad de 64K bps. Al proceso completo de digitalización de la voz, cuando usamos cuantificación no lineal (Ley A), también se le conoce como:

• MIC (Modulación por Impulsos Codificados) ó
• PCM (Pulse Code Modulation).

Perturbaciones en Sistemas Electrónicos

Tipos de Perturbaciones

Internas:

• Determinísticas: Causa conocida y asignable.
• Aleatorias: Causa desconocida o no asignable.

Externas:

• Determinísticas: Causa conocida y asignable.
• Aleatorias: Causa desconocida o no asignable.

Perturbaciones Internas Determinísticas

• Atenuación: Pérdida de potencia de la señal emitida. a = PTX/PRX (suele expresarse en dB: 10 * log10(PTX/PRX)).
• Distorsión: Deformación de la señal emitida. (Solución: Igualadores)
  • Distorsión lineal:
    • Distorsión lineal de amplitud (Control Automático de Ganancia).
    • Distorsión lineal de frecuencia (Ecualizador).
    • Distorsión lineal de fase (Sincronizador).
  • Distorsión alineal:
    • Distorsión alineal armónica (Filtros).
    • Distorsión alineal de intermodulación (Puertas de Ruido).
• Error de Cuantificación: Inherente al proceso de digitalización. eMAX < m * d / 2^n (margen dinámico / 2 x número de niveles). Soluciones:
  • Aumentar el número de niveles (n).
  • Cuantificación no uniforme mediante el uso de algoritmos de compresión/expansión (Ley A o Ley U).

Perturbaciones Internas Aleatorias

• Ruido Térmico o Ruido Blanco: Ruido totalmente aleatorio. Provocado por la temperatura (R_blanco = k * T * AB). Soluciones:
  • Disipadores adosados a los componentes de potencia.
  • Refrigeración por agua de circuitos.
  • Ventilación forzada de armarios.
  • Acondicionamiento de temperatura de recintos.

Perturbaciones Externas Determinísticas

• Reflexiones o Ecos.
• Diafonía: Transferencia no deseada de señal entre canales próximos.
  • Diafonía inteligible, lejana, telediafonía o FEXT (Far End Cross-Talk).
  • Diafonía ininteligible, cercana, paradiafonía o NEXT (Near End Cross-Talk).
  Soluciones:
  • Trenzado de cable.
  • Separación física de canales.
  • Bandas de guarda.

Perturbaciones Externas Aleatorias

• Interferencias Electromagnéticas: Perturbaciones producidas por señales de distinta naturaleza.
  • Interferencias eléctricas: Debidas a campos eléctricos externos (p.e. rayos).
  • Interferencias magnéticas: Debidas a campos magnéticos externos (p.e. motores).
  Soluciones:
  • Apantallamiento "Jaula de Faraday".
  • Separación de circuitos.
  • Cruces de líneas perpendiculares.
• Ruido:
  • Ruido impulsivo / Glitches: Picos de voltaje o corriente transitorios durante el proceso de encendido/apagado. Soluciones:
    • Supresores de picos.
    • Estabilizadores de tensión.
  • Ruido aleatorio: Perturbaciones producidas por causas no asignables. Ruido coloreado. Solución: Conectorización por instalador cualificado.
  • Ruido coloreado: Utilizado como patrón de medida. Por ejemplo: Ruido gris o sofométrico.