DIGITALIZACIONES Y SAMPLERS

Por José Antonio Alvarez

Probablemente usted ya dispone de un pequeño digitalizador o "sampler" conectado a un puerto de entrada/salida de su ordenador y gracias a este pequeño dispositivo, el muestreo de señales sonoras no presenta grandes problemas. Pero, ¿se ha preguntado alguna vez cómo funciona tal periférico?.

En esta ocasión trataremos de mostrarle a grandes rasgos, la forma de trabajar de los digitalizadores y "samplers", al tiempo que usted podrá cerciorarse de cómo se implementan mediante la electrónica los conocimientos teóricos introducidos en el capítulo anterior.

¿QUÉ ES UN "SAMPLER"?.

Un "sampler" es un dispositivo que permite muestrear una señal discreta analógica y reproducir en un momento determinado la correspondiente imagen digital o muestra de dicha señal analógica. Para ciertos eruditos, el término "sampler" hace referencia a un sistema completo de muestreo, mientras que la denominación de digitalizador, identifica a un pequeño conjunto de las partes de un "sampler", concretamente a todo el sistema de adaptación y conversión analógica-digital (A/D).

Considerando la figura 1, usted podrá obtener una idea global de la constitución de un "sampler" genérico. Su ordenador AMIGA provisto de un digitalizador, dispondrá de todos esos dispositivos. La idea final es que usted pueda identificar qué circuitos posee el digitalizador y qué circuitos corresponden al AMIGA. Note especialmente que el gráfico presenta un flujo de señal perteneciente a dos diferentes dominios: Analógico y Digital, y dicho flujo es diferenciado convenientemente a través de las diferentes etapas presentadas.

A continuación, pasaremos a explicar brevemente los fundamentos de funcionamiento de cada uno de los dispositivos mostrados en la figura 1:

- LPF1 (Low-pass filter 1" o filtro paso-bajo 1): Las señales analógicas provenientes de un micrófono o bien de una entrada de línea (cassette, compact-disc, sintetizador, etc) llegan a esta etapa. Este filtro se encarga de "eliminar" o de no "dejar pasar" (de ahí su denominación), todas aquellas señales cuya amplitud excede el margen dinámico de su sistema, en este caso el AMIGA. Como usted recordará, el mes pasado se mencionó que al intentar sobrepasar el margen dinámico de un sistema de muestreo, mediante digitalizar una señal de mayor amplitud que la soportada, se producía un fenómeno indeseable de distorsión armónica.

Otra tarea de este filtro paso-bajo es evitar la distorsión "Aliasing" o "Foldover" producida por las frecuencias superiores a la frecuencia Nyquist dividida entre 2 (dicha frecuencia también fue explicada el mes pasado). Un buen digitalizador para AMIGA debería incluir algún filtro paso-bajo de entrada para evitar los efectos de estas distorsiones tan indeseables. Casi siempre encontramos unos potenciómetros en los digitalizdores para disminuir la amplitud de la señal a muestrear e intentado sustituir al filtro paso-bajo, aunque ciertos digitalizadores incluyen tanto el filtro como los potenciómetros de nivel. La solución más barata consiste en incluir dichos potenciómetros ya que obtener un buen filtro paso-bajo puede encarecer mucho el precio final del digitalizador. De todos modos, la respuesta de dicho filtro, influirá bastante en la calidad de las muestras obtenidas con el digitalizador.

- S&H y convertidor A/D: La señal de entrada a estas dos etapas es una señal analógica con un ancho de banda limitado por el filtro anterior. El circuito S&H ("Sample and Hold" o Muestreo y Retención) se encarga de mantener la señal analógica a un nivel constante, mientras que el convertidor A/D traspasa la señal del mundo analógico al mundo digital. Este convertidor es el corazón del sistema y como usted ya sabrá, trabaja con una resolución de 8 bits, lo que quiere decir que cuantificará la señal entrante en bytes, proporcionando un rango de 256 nivales diferentes (2 elevado a 8). En el mercado electrónico es´tan disponibles una gran cantidad de A/Ds que trabajan con métodos muy variados de conversión. Por supuesto, estudiar dichos métodos exigiría destinar un espacio mucho más grande que esta revista, pero usted debe conocer un detalle: el método de conversión determina la velocidad de conversión y a su vez el precio del convertidor. La gran mayoría de los digitalizadores incluyen el convertidor A/D ADC 0801 que puede proporcionar resultados aceptables, pero que no es capaz de trabajar satisfactoriamente sometido a grandes frecuencias de muestreo.

A partir de este momento, el AMIGA recibe los datos provenientes de la conversión a través de puerto paralelo y el resto de los dispositivos de la figura 1, se encuentran implementados en el hardware del AMIGA. El convertidor D/A realiza la tarea inversa del convertidor A/D, por tanto no será explicado, pero debe quedar claro que este dispositivo se encuentra implementado en el chip PAULA de su AMIGA.

- CPU y RAM ("Central Process Unit" o Unidad Central de Proceso y "Random Access Memory" o Memoria de Acceso Aleatorio): Nuestro querido microprocesador 680XX, el corazón del AMIGA, se encarga de controlar todo el proceso de muestreo y de recoger los datos almacenándolos en su memoria tras haber sido avisado por el convertidor A/D de que se ha concluido una conversión. Puesto que el chip custom PAULA encargado de generar el sonido en el AMIGA recoger los datos mediante canales DMA asociados a la memoria CHIP, sería lógico e inmediato razonar que el microprocesador almacenara las muestras directamente en la memoria CHIP. Obviamente, para una reproducción inmediata, las muestras deben estar en la memoria CHIP, pero algunos programas de muestreo tales como AUDIOMASTER (Oxxy-Aegis) permiten muestrear directamente en la memoria FAST para poder obtener muestras más largas y no estar limitados por los 2 Mb. máximos de memoria CHIP.

Los sistemas de muestreo directo a disco duro, que trataremos en otra ocasión, almacenan las muestras en dispositivos de almacenamiento masivo de información, tales como discos magneto-ópticos, discos WORM, etc. no estando limitados por la memoria, casi siempre insuficiente, aunque en cierto modo se siguen ajustando al esquema inicial, pues en la mayoría de las situaciones se emplean buffers de memoria rápida para solventar el problema del tiempo de acceso de tales dispositivos de almacenamiento masivo.

Aunque AMIGA es un ordenador multitarea, la operación de muestreo casi siempre requiere una prioridad o atención exclusiva para garantizar la grabación filedigna de las muestras y por tanto, la obtención de la máxima calidad que permite el sistema.

- LPF2 ("Low-pass Filter 2" o Filtro Paso-bajo 2": El fenómeno de "Imaging" es la distorsión equivalente en la conversión D/A al "Aliasing" de la conversión A/D. El "Imaging" consiste en la aparición en la señal reproducida de frecuencias que no estaban presentes en la señal original. dichas frecuencias que no eliminó el LPF1. Realmente el LPF2 es un filtro reconstructor del que es difícil y costoso obtener una respuesta de calidad, por ello muchas veces se introduce un filtro digital antes del convertidor D/A, implementado por medio de un pequeño programa software o por una solución mucho más costosa a base de tecnología DSP o de procesado digital de señal Hardware.

No obstante, como se mencionó en el capítulo anterior, el AMIGA dispone de un filtro paso-bajo reconstructor, conmutable para la mayoría de los AMIGAS, pero dicho filtro limita demasiado las frecuencias de la señal reproducida, por lo que es totalmente aconsejable recurrir a métodos como los descritos, o simplemente prescindir del filtro que ofrece el AMIGA.

PROBLEMAS... ¿ALGUNA VEZ NO APARECERAN?

Un sistema como el descrito no está exento de problemas. Sin tener en cuenta las distorsiones de "Aliasing" e "Imaging" que ya se han mencionado, aparecen otros problemas difíciles de evitar. Para empezar, el sistema debe estar sincronizado y temporizado como todo sistema basado en un microprocesador. El reloj del sistema conlleva pequeños errores de temporización, que al ser considerados desde el punto de vista del muestreo, también se traducirán en nuevos errores y distorsiones armónicas. Dicho fenómeno recibe el nombre de "Jitter" y recuerde, aparece debido a la variaciones y modulaciones de la señal de reloj que controla el sistema.

Otro clásico error viene producido por la cuantización de los convertidores A/D. Cuando se desea convertir un determinado valor analógico, dicho valor puede estar comprendido entre dos imágenes digitales diferentes. El sistema ante dicha situación realizará una aproximación o redondeo, definido por su resolución. La diferencia entre el valor analógico real y el dato cuantizado registrado digitalmente se denomina "ruido de cuantización" (FIG. 2). Tampoco se debe descartar el hecho de que las conversiones son tratamientos puramente analógicos y por tanto susceptibles de errores, debidos a muchos factores, tales como variaciones de temperatura, variaciones de valor de los componentes en su fabricación o (tolerancias), y un largo etc.

Como consecuencia, la relación señal-ruido aparente y teórica del AMIGA puede verse reducida si se tienen en cuenta todos estos fenómenos. ¿Hasta qué grado puede verse mermada la relación señal ruido teórica de 50 dB?.

Los procesos de conversión A/D y D/A tienden a reducir la relación señal/ruido y el margen dinámico en unos 6 a 8 dB, por tanto tras las conversiones, puede resultar una relación señal/ruido comprendida entre 44 y 42 dB. El objetivo será aumentar dicha relación señal/ruido a su máximo posible, tarea que se considerará en otra ocasión.

¿QUÉ DIGITALIZADOR COMPRAR?

Teniendo en cuenta todos los conceptos explicados, la tarea de comprar un digitalizador puede ser difícil. En primer lugar, no está de más afirmar que cuanto más reciente sea el lanzamiento del digitalizador al mercado, mejores serán las características del digitalizador ya que la tecnología avanza rápidamente, y por poner un ejemplo, los convertidores A/D comerciales disponibles hace 4 años eran mucho más lentos que los actuales. Desde aquí, no queremos que usted crea que hace falta ser ingeniero para poder saber los componentes con los que está fabricado cada digitalizador. Como siempre lo mejor es probar el producto, y prestar atención a la sección de pruebas de la revista.

Hay ciertas características que deberían tenerse en cuenta, tales como la implementación de filtros, capacidad de muestreo estéreo, calidad y prestaciones del software que acompaña al producto, etc.