TECNOLOGÍA DIGITAL

1. TECNOLOGÍA DIGITAL

2. ÍNDICE • SISTEMA BINARIO • SEÑALES ANALÓGICA Y DIGITAL • DIFERENCIAS ANALÓGICA Y DIGITAL • CONVERSIÓN ANALÓGICA/DIGITAL • ¿POR QUÉ DIGITALIZAR? • VENTAJAS E INCONVENIENTES • DIGITALIZACIÓN • COMPRESIÓN • PROCESAMIENTO SEÑALES DIGITALES (DSP) • TRANSFORMADA DE FOURIER • PROCESADORES DIGITALES DE SEÑALES

3. SISTEMA BINARIO • Numeración decimal de 10 dígitos en potencia de 10 • Binario en potencias de 2 • 10110= 1* 24 +0*23+1*22 +1*21+ 0*20 = 1*16+1*4+1*2= 22 • Convertir un binario en decimal . Consiste en dividir sucesivamente entre 2 y tomar los restos en sentido contrario.

4. SEÑALES ANALÓGICAS Y DIGITALES • La señal analógica es aquella que presenta una variación continua con el tiempo, es decir, que a una variación suficientemente significativa del tiempo le corresponderá una variación igualmente significativa del valor de la señal (la señal es continua).   • Una señal digital es aquella que presenta una variación discontinua con el tiempo y que sólo puede tomar ciertos valores discretos. Su forma característica es ampliamente conocida: la señal básica es una onda cuadrada (pulsos) y las representaciones se realizan en el dominio del tiempo.

5. DIFERENCIAS ANALÓGICA Y DIGITAL • ANALÓGICA • Se representa por una función matemática continúa. • Es variable su amplitud y periodo en función del tiempo. • DIGITAL • Se representan valores discretos dentro de un cierto rango • Usan lógica de dos estados representados por dos niveles de tensión eléctrica H y L.

6. CONVERSIÓN ANALÓGICA/DIGITAL • 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.

7. VENTAJAS E INCONVENIENTES SEÑAL DIGITAL • VENTAJAS • 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. Esta ventaja sólo es aplicable a los formatos de disco óptico; la cinta magnética digital, aunque en menor medida que la analógica (que sólo soporta como mucho 4 o 5 generaciones), también va perdiendo información con la multigeneración.

8. INCONVENIENTES • Se necesita una conversión analógica-digital previa y una decodificación posterior, en el momento de la recepción. • La transmisión de señales digitales requiere una sincronización precisa entre los tiempos del reloj del transmisor, con respecto a los del receptor. Un desfase cambia la señal recibida con respecto a la que fue transmitida. • Si se utiliza compresión con pérdida, será imposible reconstruir la señal original idéntica, pero si una parecida dependiendo del muestreo tomado en la conversión de analógico a digital.

9. DIGITALIZACIÓN • La digitalización o conversión analógica-digital (conversión A/D) consiste básicamente en realizar de forma periódica medidas de la amplitud de la señal y traducirlas a un lenguaje numérico. La conversión A/D también es conocida por el acrónimo inglés ADC (analogicto digital converter).

10. Fases conversión AD • 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. • 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.

11. EJEMPLO • Un ordenador o cualquier sistema de control basado en un microprocesador no puede interpretar señales analógicas, ya que solo 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. • Si el valor de la señal en ese instante está por debajo de un determinado umbral, la señal digital toma un valor mínimo (0). • Cuando la señal analógica se encuentra por encima del valor umbral, la señal digital toma un valor máximo (1).

12. Compresión • La compresión consiste en la reducción de la cantidad de datos a transmitir o grabar, pues hay que tener en cuenta que la capacidad de almacenamiento de los soportes es finita, de igual modo que los equipos de transmisión pueden manejar sólo una determinada tasa de datos. • Para realizar la compresión de las señales se usan complejos algoritmos de compresión

13. EJEMPLO CONVERSIÓN • 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.

14. Procesamiento digital • El Procesamiento Digital de Señales (DSP - Digital SignalProcessor) es un área de la ingeniería que se dedica al análisis y procesamiento de señales (audio, voz, imágenes, video) que son discretas. Aunque comúnmente las señales en la naturaleza nos llegan en forma analógica, también existen casos en que estas son por su naturaleza digitales, por ejemplo, las edades de un grupo de personas, el estado de una válvula en el tiempo (abierta/cerrada), etc.

15. CAPACITANCIA • La capacitancia entre dos conductores que tienen cargas de igual magnitud y de signo contrario es la razón de la magnitud de la carga en uno u otro conductor con la diferencia de potencial resultante entre ambos conductores. C = Q / V • Factores que afectan la capacitancia: • a) La superficie de las placasb) La distancia entre las placas c) El material dieléctrico

16. CONDENSADOR • Condensadores en serie Cuando se conectan dos o más condensadores (capacitores) uno después del otro, se dice que están conectados en serie. Estos condensadores se pueden reemplazar por un único condensador que tendrá un valor que, sea el equivalente al de los otros que están conectados en serie. Para obtener el valor de este único condensador se utiliza la fórmula: 1/CT = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + 1/C4 • Condensadores en paralelo Del gráfico se puede ver si se conectan 4 condensadores en paralelo (los terminales de cada lado de los elementos están conectadas a un mismo punto). Para encontrar el condensador equivalente se utiliza la fórmula: • CT = C1 + C2 + C3 + C4

17. CCD • En la fotografía digital los dispositivos de captura de imágenes constituyen el ojo electrónico por el que vamos a digitalizar las imágenes. El detector es un sensor de imagen de estadosólido denominado ChargeCoupledDevice (dispositivo de carga acoplada)

18. APLICACIONES • Fotografía digital En éstas, el CCD es el sensor con diminutas células fotoeléctricas que registran la imagen. Desde allí la imagen es procesada por la cámara y registrada en la tarjeta de memoria. La capacidad de resolución o detalle de la imagen depende del número de células fotoeléctricas del CCD. Este número se expresa en píxeles. A mayor número de píxeles, mayor resolución. Actualmente las cámaras fotográficas digitales incorporan CCDs con capacidades de hasta ciento sesenta millones de pixeles (160 megapixeles)en cámaras Carl Zeiss • CCDs en astronomía Históricamente la fotografía CCD tuvo un gran empuje en el campo de la astronomía donde sustituyó a la fotografía convencional a partir de los años 80. La sensibilidad de un CCD típico puede alcanzar hasta un 70% comparada con la sensibilidad típica de películas fotográficas en torno al 2%.

19. RENDIMIENTO CUÁNTICO • Es el cociente entre el número de los electrones emitidos entre el número de fotones incidentes multiplicado por cien

20. AUMENTO Es el cociente entre la longitud de la imagen en el CCD y la longitud del objeto. Recordar que si tenemos un área de un objeto el cociente será el aumento al cuadrado (recordar en matemáticas le llamamos razón de proporcionalidad)

21. FORMACIÓN DE IMAGEN • La variación de diferencia de potencial sobre el área de captación es un “mapa” de la imagen del objeto sobre el área de captación; cada diferencia de potencial puede convertirse en una señal digital; estas señales digitales pueden convertirse en una imagen sobre una pantalla LCD

22. EJEMPLO La concha de un molusco tiene un área de 100 cm2 la imagen que se forma sobre el CCD es de 0,5 cm2. Si las estrías de la concha están a 1mm . Deducir si las imágenes están resueltas (están alejadas al menos dos pixel). Datos: la cámara es de 8 Mpixel. Dato: Superficie de un pixel 4 10-10 m2

23. Solución • Aumento √0.5/100= 0.0707 • L=√4*10-10 =2 10-5 m pixel • L extria=1*10-3 m • 0.0707*1*10-3=7.07*10-5 m • 7.07*10-5 /2*10-5 =3.5 pixeles • Luego queda resuelto siempre que sea mayor que dos.