Digitalizacion de la voz

1.2 DIGITALIZACIÓN DE LA VOZ

La transmisión de datos ha llegado a ser un componente importante para la rápida expansión del tráfico en las redes  de telecomunicaciones, puesto que la mayoría de las instituciones públicas y privadas tienen la necesidad de una rápida transferencia de información entre instalaciones de procesamiento de datos.

La digitalización de enlaces a través de la técnica de Modulación por Pulsos Codificados (PCM), vino a responder a estos requerimientos.

La modulación por pulsos codificados, consiste en representar las muestras instantáneas de una señal analógica mediante palabras digitales en un tren de impulsos en serie y la unidad de información bit. Así pues la cantidad de información es expresada en bit/s. ^[1]

En primer lugar, se debe decidir el ancho de banda que se desea transmitir, pues se sabe que cualquier medio de transmisión tiene una capacidad finita, la cual hay que aprovechar adecuadamente. Sin embargo, en un canal con ancho de banda limitado, como la voz humana y, de acuerdo a experimentos prácticos, se sabe que la gran mayoría de la información útil se concentra en una banda de frecuencias de 300 a 3400 [Hz]^[2]. De tal suerte que con la transmisión de este ancho de banda se garantiza un efecto agradable al oído y suficiente para identificar a la persona que habla; pero hay limitaciones al rango de repetición, puesto que después de cierto valor, los elementos de datos binarios o símbolos, se interfieren y causan errores. Este fenómeno se conoce con el nombre de interferencia de intersímbolos.

La máxima velocidad a la cual los símbolos pueden ser transmitidos sin interferencia alguna de intersímbolos en los instantes de muestreo, ha sido determinada por Nyquist y es el doble del ancho de banda del canal para un canal ideal sin distorsión^[3]2.

El matemático Harry Nyquist, estableció una relación rectangular teórica entre la velocidad de transmisión digital y el ancho de banda de un canal libre de distorsión. Tal estudio demostró que el ancho de banda necesario en un canal de comunicación es directamente proporcional a la velocidad de transmisión de las señales. También comprobó que el ancho de banda máximo necesario para la transmisión de una señal en esencia es igual a la mitad del número de impulsos binarios por segundo.

V = 2B

En donde:

V : velocidad de transmisión en bits por segundo.

B : ancho de banda máximo necesario del canal en hertz.

Nyquist hizo ver que aunque existía un límite en cuanto al número de impulsos que se podrían transmitir por segundo, un impulso podría tener varios niveles o estados distinguibles, cada uno de los cuales serviría para conducir información.

Para el caso concreto de la telefonía digital, hemos dicho ya que la limitación en banda llega hasta los 3400 [Hz], por lo que la frecuencia de muestreo podría ser de 6800 [Hz]. Sin embargo esto nos significaría el tener filtros de corte ideal y requerimientos muy estrictos en la circuitería, por lo que se decide emplear una frecuencia de muestreo de 8 [kHz], es decir 8000 muestras por segundo.

En la transmisión de señales digitales como en los sistemas analógicos el ruido también está presente, el cual puede ser externo o generado por los propios elementos del sistema. Aunque existe la generación,  el ruido no se acumula como en los sistemas analógicos, es necesario tener una buena relación entre la señal S y el ruido N que se reciben. Un valor de S/N = 40 [dB] es aceptable en un enlace telefónico^[4].

El Ing. Claude E. Shannon descubrió que es posible reemplazar un ancho de banda B por la relación señal a ruido S/N sin afectar el flujo de información, o bien el volumen de información que se puede transmitir en una unidad de tiempo. Fenómeno que demostró de una manera muy sencilla. Shannon utilizó un cubo para ejemplificar el volumen de información a transmitir, como el volumen contenido por el cubo, mientras se guardara la proporción entre el ancho y el alto el volumen no se vería afectado. En otras palabras el ancho es el ancho de la banda B y el alto es la relación S/N, si duplicamos el ancho de la banda igual a 2B tendremos que disminuir la relación S/N a la mitad y así el volumen no se ve afectado, como se puede observar en la  figura 1.1:[pic 1]

Figura  1-1.  Conceptualización de Shannon

Shannon llamó a esto la capacidad del canal y se representa como sigue^[5]:

C = B log2 (1 + S/N )

En donde:

C :        Capacidad del canal o bits por segundo

B :        Ancho de banda limitante en hertz

S/N :    Relación señal a ruido, donde S y N están en watts

En la práctica esto significa que se puede obtener una transmisión libre de error aunque se reduzca substancialmente la relación S/N siempre que se incremente el ancho de banda en la misma proporción. Lo que significa que en sistemas digitales se pueden manejar valores de S/N dentro del orden de los 15 [dB] en comparación con los sistemas análogos que en el mismo caso deberían tener cuando menos 40 [dB].

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