Sistema Digital y Sistema
Analógico:
concepto,
ventajas y ejemplos
- Sistema
Analógico y Sistema Digital - Señal Analógica
- Señal Digital
- Ventajas de los
Circuitos Digitales - Ventajas del procesado digital de señales frente al
analógico - Ejemplos
de aquellos sistemas analógicos que ahora se han vuelto
digitales - Ejemplo de un sistema electrónico
analógico - Sistemas que utilizan métodos digitales y
analógicos - Bibliografía
Sistema
Analógico y Sistema Digital
Los circuitos
electrónicos se pueden dividir en dos amplias
categorías: digitales y analógicos. La electrónica digital utiliza magnitudes con
valores
discretos, mientras que la electrónica analógica
emplea magnitudes con valores continuos.
Un sistema
digital es cualquier dispositivo destinado a la
generación, transmisión, procesamiento o almacenamiento de
señales
digitales. También un sistema digital es una
combinación de dispositivos diseñado para manipular
cantidades físicas o información que estén representadas
en forma digital; es decir, que sólo puedan tomar valores
discretos.
La mayoría
de las veces estos dispositivos son electrónicos, pero
también pueden ser mecánicos, magnéticos o
neumáticos.
Para el análisis y la síntesis
de sistemas
digitales binarios se utiliza como herramienta el álgebra de
Boole.
Los sistemas
digitales pueden ser de dos tipos:
- Sistemas digitales
combinacionales: Son aquellos en los que la salida del
sistema sólo depende de la entrada presente. Por lo
tanto, no necesita módulos de memoria, ya que
la salida no depende de entradas previas.
- Sistemas digitales
secuenciales: La salida depende de la entrada actual y de
las entradas anteriores. Esta clase de
sistemas necesitan elementos de memoria que recojan la
información de la 'historia pasada' del
sistema.
Para la
implementación de los circuitos digitales, se utilizan
puertas lógicas (AND, OR y NOT) y transistores.
Estas puertas siguen el comportamiento
de algunas funciones
booleanas.
Se dice que un
sistema es analógico cuando las magnitudes
de la señal se representan mediante variables
continuas, esto es análogas a las magnitudes que
dan lugar a la generación de esta señal. Un
sistema analógico contiene dispositivos que
manipulan cantidades físicas representadas en forma
analógica. En un sistema de este tipo, las cantidades
varían sobre un intervalo continuo de valores.
Así, una
magnitud analógica es aquella que toma valores continuos.
Una magnitud digital es aquella que toma un conjunto de valores
discretos.
La mayoría
de las cosas que se pueden medir cuantitativamente aparecen en la
naturaleza en
forma analógica. Un ejemplo de ello es la temperatura: a
lo largo de un día la temperatura no varía entre,
por ejemplo, 20 ºC o 25 ºC de forma instantánea,
sino que alcanza todos los infinitos valores que entre ese
intervalo. Otros ejemplos de magnitudes analógicas son el
tiempo, la
presión, la distancia, el sonido.
Una señal
analógica es un voltaje o corriente que varía suave
y continuamente. Una onda senoidal es una señal
analógica de una sola frecuencia. Los voltajes de la voz y
del video son
señales analógicas que varían de acuerdo con
el sonido o variaciones de la luz que
corresponden a la información que se está
transmitiendo.
Las señales
digitales, en contraste con las señales analógicas,
no varían en forma continua, sino que cambian en pasos o
en incrementos discretos. La mayoría de las señales
digitales utilizan códigos binarios o de dos
estados.
Ventajas de los Circuitos Digitales
La revolución
electrónica ha estado vigente
bastante tiempo; la revolución del "estado sólido"
comenzó con dispositivos analógicos y aplicaciones
como los transistores y los radios transistorizados. Cabe
preguntarse ¿por qué ha surgido ahora una
revolución digital?
De hecho, existen muchas
razones para dar preferencia a los circuitos digitales sobre los
circuitos analógicos:
Reproducibilidad de
resultados. Dado el mismo conjunto de entradas
(tanto en valor como en
serie de tiempo), cualquier circuito digital que hubiera sido
diseñado en la forma adecuada, siempre producirá
exactamente los mismos resultados. Las salidas de un circuito
analógico varían con la temperatura, el voltaje de
la fuente de alimentación, la
antigüedad de los componentes y otros factores.
Facilidad de
diseño. El diseño
digital, a menudo denominado "diseño lógico", es
lógico. No se necesitan habilidades matemáticas especiales, y el comportamiento
de los pequeños circuitos lógicos puede
visualizarse mentalmente sin tener alguna idea especial acerca
del funcionamiento de capacitores,
transistores u otros dispositivos que requieren del cálculo
para modelarse.
Flexibilidad y
funcionalidad. Una vez que un problema se ha
reducido a su forma digital, podrá resolverse utilizando
un conjunto de pasos lógicos en el espacio y el
tiempo.
Por ejemplo, se puede
diseñar un circuito digital que mezcle o codifique su voz
grabada de manera que sea absolutamente indescifrable para
cualquiera que no tenga su "clave" (contraseña), pero
ésta podrá ser escuchada virtualmente sin
distorsión por cualquier persona que posea
la clave. Intente hacer lo mismo con un circuito
analógico.
Programabilidad.
Usted probablemente ya esté familiarizado con las computadoras
digitales y la facilidad con la que se puede diseñar,
escribir y depurar programas para
las mismas. Pues bien, ¿adivine qué? Una gran parte
del diseño digital se lleva a cabo en la actualidad al
escribir programas, también, en los lenguajes de
descripción de lenguaje de
descripción de Hardware (HDLs, por sus
siglas en inglés),
Estos lenguajes le permiten
especificar o modelar tanto la estructura
como la función de
un circuito digital. Además de incluir un compilador, un
HDL típico también tiene programas de simulación
y síntesis. Estas herramientas
de programación (software) se utilizan para
verificar el comportamiento del modelo de
hardware antes que sea construido, para posteriormente realizar
la síntesis del modelo en un circuito, aplicando una
tecnología
de componente en particular.
Velocidad.
Los dispositivos digitales de la actualidad son muy veloces. Los
transistores individuales en los circuitos
integrados más rápidos pueden conmutarse en
menos de 10 picosegundos, un dispositivo completo y complejo
construido a partir de estos transistores puede examinar sus
entradas y producir una salida en menos de 2 nanosegundos. Esto
significa que un dispositivo de esta naturaleza puede producir
500 millones o más resultados por segundo.
Economía.
Los circuitos digitales pueden proporcionar mucha funcionalidad
en un espacio pequeño. Los circuitos que se emplean de
manera repetitiva pueden "integrarse" en un solo "chip" y
fabricarse en masa a un costo muy bajo,
haciendo posible la fabricación de productos
desechables como son las calculadoras, relojes digitales y
tarjetas
musicales de felicitación. (Usted podría
preguntarse, "¿acaso tales cosas son algo bueno?"
¡No importa!)
Avance tecnológico
constante. Cuando se diseña un sistema digital,
casi siempre se sabe que habrá una tecnología
más rápida, más económica o en todo
caso, una tecnología superior para el mismo caso poco
tiempo.
Los diseñadores
inteligentes pueden adaptar estos avances futuros durante el
diseño inicial de un sistema, para anticiparse a la
obsolescencia del sistema y para ofrecer un valor agregado a los
consumidores. Por ejemplo, las computadoras portátiles a
menudo tienen ranuras de expansión para adaptar procesadores
más rápidos o memorias
más grandes que las que se encuentran disponibles en el
momento de su presentación en el mercado.
De este modo, esto es
suficiente para un matiz de mercadotecnia
acerca del diseño digital.
Ventajas del
procesado digital de señales frente al
analógico
Existen muchas razones por las
que el procesado digital de una señal analógica
puede ser preferible al procesado de la señal directamente
en el dominio
analógico. Primero, un sistema digital programable permite
flexibilidad a la hora de reconfigurar las operaciones de
procesado digital de señales sin más que cambiar el
programa. La
reconfiguración de un sistema analógico implica
habitualmente el rediseño del hardware, seguido de la
comprobación y verificación para ver que opera
correctamente.
También desempeña
un papel importante al elegir el formato del procesador de
señales la consideración de la precisión.
Las tolerancias en los componentes de los circuitos
analógicos hacen que para el diseñador del sistema
sea extremadamente difícil controlar la precisión
de un sistema de procesado analógico de
señales.
En cambio, un
sistema digital permite un mejor control de los
requisitos de precisión. Tales requisitos, a su vez,
resultan en la especificación de requisitos en la
precisión del conversor A/D y del procesador digital de
señales, en términos de longitud de palabra,
aritmética de coma flotante frente a coma fija y factores
similares.
Las señales digitales se
almacenan fácilmente en soporte magnético (cinta o
disco) sin deterioro o pérdida en la fidelidad de la
señal, aparte de la introducida en la conversión
A/D. Como consecuencia, las señales se hacen
transportables y pueden procesarse en tiempo no real en un
laboratorio
remoto.
El método de
procesado digital de señales también posibilita la
implementación de algoritmos de
procesado de señal más sofisticados. Generalmente
es muy difícil realizar operaciones matemáticas
precisas sobre señales en formato analógico, pero
esas mismas operaciones pueden efectuarse de modo rutinario sobre
un ordenador digital utilizando software.
En algunos casos, la
implementación digital del sistema de procesado de
señales es más barato que su equivalente
analógica. El menor coste se debe a que el hardware
digital es más barato o, quizás, es resultado de la
flexibilidad ante modificaciones que permite la
implementación digital.
Como consecuencia de estas
ventajas, el procesado digital de señales se ha aplicado a
sistemas prácticos que cubren un amplio rango de
disciplinas.
Citamos, por ejemplo, la
aplicación de técnicas
de procesado digital de señales al procesado de voz y
transmisión de señales en canales
telefónicos, en procesado y transmisión de imágenes,
en sismología y geofísica, en prospección
petrolífera, en la detección de explosiones
nucleares, en el procesado de señales recibidas del
espacio exterior, y en una enorme variedad de
aplicaciones.
Sin embargo, como ya se ha
indicado, la implementación digital tiene sus
limitaciones. Una limitación práctica es la
velocidad de
operación de los conversores A/D y de los procesadores
digitales de señales. Veremos que las señales con
anchos de banda extremadamente grandes precisan conversores A/D
con una velocidad de muestreo alta y
procesadores digitales de señales rápidos.
Así, existen señales analógicas con grandes
anchos de banda para las que la solución mediante
procesado digital de señales se encuentra
más allá del" estado del arte" del
hardware digital.
Ejemplos de aquellos
sistemas analógicos que ahora se han vuelto
digitales.
Fotografías. La mayoría de las
cámaras todavía hacen uso de películas que
tienen un recubrimiento de haluros de plata para grabar
imágenes. Sin embargo, el incremento en la densidad de los
microcircuitos o "chips" de memoria digital ha permitido el
desarrollo de
cámaras digitales que graban una imagen como una
matriz de 640
x 480, o incluso arreglos más extensos de pixeles donde
cada pixel almacena las intensidades de sus componentes de
color rojo, verde
y azul de 8 bits cada uno.
Esta gran cantidad de datos, alrededor
de siete millones de bits en este ejemplo puede ser procesada y
comprimida en un formato denominado JPEG y reducirse a un
tamaño tan pequeño como el equivalente al 5% del
tamaño original de almacenamiento dependiendo de la
cantidad de detalle de la imagen. De este modo las cámaras
digitales dependen tanto del almacenamiento como del
procesamiento digital.
Grabaciones de
video. Un disco versátil digital de
múltiples usos (DVD por las
siglas de digital versatile disc) almacena video en un
formato digital altamente comprimido denominado MPEG-2. Este
estándar codifica una pequeña fracción de
los cuadros individuales de video en un formato comprimido
semejante al JPEG y codifica cada uno de los otros cuadros como
la diferencia entre éste y el anterior.
La capacidad de un DVD de una
sola capa y un solo lado es de aproximadamente 35 mil millones de
bits suficiente para grabar casi 2 horas de video de alta
calidad y un
disco de doble capa y doble lado tiene cuatro veces esta
capacidad.
Grabaciones de
audio. Alguna vez se fabricaron exclusivamente mediante
la impresión de formas de onda analógicas sobre
cinta magnética o un acetato (LP), las grabaciones de
audio utilizan en la actualidad de manera ordinaria discos
compactos digitales (CD. Compact
Discs). Un CD almacena la música como una serie
de números de 16 bits que corresponden a muestras de la
forma de onda analógica original se realiza una muestra por canal
estereofónico cada 22.7 microsegundos. Una
grabación en CD a toda su capacidad (73 minutos) contiene
hasta seis mil millones de bits de información.
Carburadores de
automóviles. Alguna vez controlados estrictamente
por conexiones mecánicas (incluyendo dispositivos
mecánicos "analógicos" inteligentes que monitorean
la temperatura, presión. etc.), en la actualidad los
motores de los
automóviles están controlados por microprocesadores
integrados.
Diversos sensores
electrónicos y electromecánicos convierten las
condiciones de la máquina en números que el
microprocesador puede examinar para determinar
cómo controlar el flujo de gasolina y oxígeno
hacia el motor. La salida
del microprocesador es una serie de números variante en el
tiempo que activa a transductores electromecánicos que a
su vez controlan la máquina.
El sistema
telefónico. Comenzó hace un siglo con
micrófonos y receptores analógicos que se
conectaban en los extremos de un par de alambres de cobre (o,
¿era una cuerda?). Incluso en la actualidad en la mayor
parte de los hogares todavía se emplean teléfonos
analógicos los cuales transmiten señales
analógicas hacia la oficina central
(CO) de la compañía telefónica. No obstante
en la mayoría de las oficinas centrales estas
señales analógicas se convierten a un formato
digital antes que sean enviadas a sus destinos, ya sea que se
encuentren en la misma oficina central o en cualquier punto del
planeta.
Durante muchos años los
sistemas telefónicos de conmutación privados (PBX.
private branch exchanges) que se utilizan en los negocios han
transportado el formato digital todo el camino hacia los
escritorios. En la actualidad muchos negocios, oficinas centrales
y los proveedores
tradicionales de servicios
telefónicos están cambiando a sistemas integrados
que combinan la voz digital con el tráfico digital de
datos sobre una sola red de Protocolo de
Internet IP (por las
siglas en inglés de Protocolo de Internet).
Semáforos.
Para controlar los semáforos se utilizaban temporizadores
electromecánicos que habilitaban la luz verde para cada
una de las direcciones de circulación durante un intervalo
predeterminado de tiempo. Posteriormente se utilizaron
relevadores en módulos controladores que podían
activar los semáforos de acuerdo con el patrón del
tráfico detectado mediante sensores que se incrustan en el
pavimento. Los controladores de hoy en día hacen uso de
microprocesadores y pueden controlar los semáforos de modo
que maximicen el flujo vehicular, o como sucede en algunas
ciudades de California, sean un motivo de frustración para
los automovilistas en un sinnúmero de creativas
maneras.
Efectos
cinematográficos. Los efectos especiales
creados exclusivamente para ser utilizados con modelos
miniaturizados de arcilla, escenas de acción,
trucos de fotografía
y numerosos traslapes de película cuadro por
cuadro.
En la actualidad naves
espaciales, insectos, otras escenas mundanas e incluso
bebés (en la producción animada de Pixar, Tin
Toy) se sintetizan por completo haciendo uso de computadoras
digitales. ¿Podrán algún día ya no
ser necesarios ni los dobles cinematográficos femeninos o
masculinos?
Ejemplo de un
sistema electrónico analógico
Un ejemplo de
sistema electrónico analógico es el altavoz, que se
emplea para amplificar el sonido de forma que éste sea
oído por
una gran audiencia. Las ondas de sonido
que son analógicas en su origen, son capturadas por un
micrófono y convertidas en una pequeña
variación analógica de tensión denominada
señal de audio. Esta tensión varía de manera
continua a medida que cambia el volumen y la
frecuencia del sonido y se aplica a la entrada de un amplificador
lineal.
La salida del
amplificador, que es la tensión de entrada amplificada, se
introduce en el altavoz. Éste convierte, de nuevo, la
señal de audio amplificada en ondas sonoras con un volumen
mucho mayor que el sonido original captado por el
micrófono.
Sistemas que
utilizan métodos
digitales y analógicos
Existen sistemas
que utilizan métodos digitales y analógicos, uno de
ellos es el reproductor de disco compacto (CD). La música
en forma 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 convertidor digital-analógico (DAC,
digital-to-analog converter). El DAC 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. Cuando la música se grabó
en el CD se utilizó un proceso que,
esencialmente, era el inverso al descrito, y que utiliza un
convertidor analógico digital (ADC, analog-to-digital
converter).
Diseño
Digital
Principios y
Prácticas
John F.
Wakerly
Prentice
Hall
Fundamentos de los
Sistemas Modernos de Comunicación
Hildeberto
Jordán Aguilar.
Alfaomega,
IPN
Sistemas Digitales
Principios Y
Aplicaciones
Ronald J. Tocci
Prentice Hall
Sistemas
electrónicos de Comunicaciones
Frenzel
Alfaomega
Tratamiento
digital de señales
Principios,
algoritmos y aplicaciones
John G.
Proakis
Dimitris G.
Monolakis
http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_digital
http://www.unicrom.com/Tut_analogico_digital.asp
http://html.rincondelvago.com/sistemas-digitales.html
Martín
del Campo Becerra, Gustavo Daniel
Universidad de
Guadalajara
Centro
Universitario de Ciencias
Exactas e Ingenierías
Materia: Sistemas Digitales
I