Digitalización de la voz (Pasos ) PDF

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1Resumen — La Digitalización es el proceso mediante el cual un mensaje o señal se convierte en una sucesión de impulsos eléctricos, equivalente a dígitos combinados (código binario), el 0 ó 1. De esta forma, todo mensaje que es susceptible de transformarse en señal eléctrica y ser codificado digital...

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Digitalización de la voz Edison Stalin Salinas Nalvay [email protected]

Resumen— La Digitalización es el proceso mediante el cual un mensaje o señal se convierte en una sucesión de impulsos eléctricos, equivalente a dígitos combinados (código binario), el 0 ó 1. De esta forma, todo mensaje que es susceptible de transformarse en señal eléctrica y ser codificado digitalmente puede almacenarse o transmitirse como tren de impulsos por una red adecuada (hilo telefónico, microondas, fibra óptica, cable coaxial, etc.) La digitalización de la vos consta de tres procesos (muestreo, cuantificación y codificación). Abstract-- Digitization is the process by which a message or signal is converted into a succession of electrical impulses, equivalent to combined digits (binary code), 0 or 1. In this way, any message that is capable of being transformed into a signal and be digitally encoded, it can store or transmit as a pulse train over a suitable network (telephone wire, microwave, fiber optic, coaxial cable, etc.) The digitization of the voice consists of three processes (sampling, quantification and coding).

I. INTRODUCCIÓN

La digitalización es la acción de convertir en digital información analógica. Las señales de tipo analógicas son continuas en el tiempo y si a estas señales se las convierte en digital se convierten en señales discretas es decir que solo pueden tomar valores enteros. Además, la información digital es la única información que puede procesar una computadora, generalmente en el sistema binario, es decir unos (1) y ceros (0). En la telefonía tradicional utiliza la voz mediante señales analógicas, la telefonía IP requiere tenerla codificada en formato digital, es decir en 0’s y 1’s, puesto que es el único lenguaje interpretado por el computador. A este proceso de conversión se le denomina digitalización de voz. La señal digital, es la codificación de la señal sonora en términos discretos. El principal problema de la señal digital, es que nuestro oído es analógico con lo que por un lado necesitamos una conversión analógica digital y posteriormente una conversión digital analógica (para que nuestro oído sea capaz de percibirla). A este conjunto de procesos se le suele llamar DSP (Digital Signal Procesing).

II. SEÑALES II-A Señales Analógicas Una señal analogía por lo general es provocado por algún fenómeno eléctrico magnético, esta puede ser representado por un modelo matemático además una de las características importantes es que estas señales es que son continuas en el tiempo y por lo general se encuentran en la naturaleza II-B Señales Digitales Se trata de la señal cuyos signos representan ciertos valores discretos que contienen información codificada. Los sistemas que emplean señales digitales suelen apelar a la lógica binaria, de dos estados, los cuales son reemplazados por unos y ceros, que indican el estado alto o bajo del nivel de tensión eléctrica. III. DIGITALIZATION La digitalización de las señales de voz se puede ver ejemplificada en la figura 1.1

Fig. 1 Proceso para la digitalización de la voz III-A Modulación La modulación por impulsos codificados MIC o PCM (Pulse Code Modulation), es el procesamiento más utilizado en telefonía para convertir una señal analógica en digital y viceversa, esta conversión se basa en tres operaciones fundamentales: [1]. • Muestreo • Cuantificación • Codificación

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III-B Muestreo El muestreo es el proceso mediante el cual se transforma una señal analógica en una serie de impulsos de distinta amplitud que reciben el nombre de muestras. De acuerdo con la teoría de la información, si se desea enviar una señal de frecuencia f de un punto a otro, no es necesario transmitir la señal completa, es suficiente transmitir muestras de la señal tomadas, por lo menos, a una velocidad doble de frecuencia máxima de la señal, a esto se le conoce como teorema de muestreo. La tasa o frecuencia de muestreo es el número de muestras por unidad de tiempo que se toman de una señal continua para producir una señal discreta, durante el proceso necesario para convertirla de analógica en digital. Como todas las frecuencias, generalmente se expresa en hercios (Hz).

Después de obtener el muestreo, la señal obtenida es un tren de impulsos, cada uno de los cuales tiene una amplitud igual al valor que tenía la señal en el instante de muestreo. En el caso del muestreo real, la muestra no se toma en un instante, sino durante cierto tiempo analizado lo anterior podemos considerar el muestreo como un proceso de modulación en amplitud de un tren de impulsos, por eso a la señal muestreada se llama en algunas ocasiones M.I.A. (Modulación de Impulsos en Amplitud) o en ingles P.A.M. (Pulse Amplitud Modulation).

En audio, la máxima audiofrecuencia perceptible para el oído humano está en torno a los 20 kHz, por lo que teóricamente una frecuencia de muestreo de 40 kHz sería adecuada para digitalizarla; no obstante, el estándar introducido por el CD-Audio (Disco Compacto), se estableció en 44,1 kHz. La frecuencia de muestreo ligeramente superior permite compensar los filtros utilizados durante la conversión analógica-digital.[3]. La teoría nos asegura que, si tomamos las muestras lo suficientemente juntas, es posible reconstruir la señal de forma perfecta a partir de dichas muestras.[5]. El muestreo ideal no es físicamente realizable, en la práctica, ya que una muestra es una medida del valor instantáneo de una señal, pero tomada durante un tiempo muy corto comparado con el tiempo entre dos muestras consecutivas, a este tipo de muestreo se le llama muestreo real.

Fig. 1.3 muestreo por modulación de impulsos de amplitud

De acuerdo con el teorema de muestreo, las señales telefónicas de frecuencia vocal (de 300 a 3400 HZ), se han de muestrear una frecuencia igual o superior a 6800 Hz (2 x 3400). En la práctica, se toma una frecuencia de muestreo de 8000 Hz. Es decir, se toman 8000 muestras por segundo, con una separación entre muestras consecutivas de una misma señal de 125 μs, que es el periodo de muestreo.

III-C Cuantificación. Fig. 1.2 muestreo de una señal analógica

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La cuantificación es el proceso mediante el cual se asignan valores discretos, a las amplitudes de las muestras obtenidas en el proceso de muestreo. Tras la cuantificación las muestras serán de tipo digital, ya que solo podrán tener un número finito de valores.

Dentro de una determinada gama de funcionamiento, cada intervalo de cuantificación está limitado por dos valores de decisión. Los valores de decisión situados en los extremos de la gama de funcionamiento se llaman valores virtuales de decisión, y limitan la máxima amplitud de señal que se puede transmitir sin recorte de crestas como se muestra en la figura.

Fig.3 Codificación ¿Cuanto ocupa una canción de 4 minutos de un CD? Se tiene 4 minutos los cuales son iguales a 240segundos. Se multiplican los segundos por la frecuencia de muestreo (240x44100 = 1058400), ahora se múltiple por 16 bits x2 canales = 338688000bits/8, esto es aproximadamente 42Mbytes. IV. CONCLUSIONES

Fig. 2 Cuantificación III-D Codificación El campo de la codificación de la conversación abarca más que la digitalización de señales analógicas de conversación. El objetivo de la investigación es desarrollar codecs de audio que proporcionen mejor calidad de conversación con una proporción más baja de bits, de retraso y de complejidad de implantación. La codificación es el proceso mediante el cual se representan una muestra cuantificada, mediante una sucesión de “1’s” y 0’s”, es decir mediante una secuencia binaria. Como en los MIC europeos se utilizan 256 intervalos de cuantificación para representar todas las posibles muestras, se necesitan secuencias binarias de 8 bits para representar a todos los intervalos de cuantificación (28 = 256). Un grupo de ocho bits de este tipo, constituye una palabra MIC. [1].

La digitalización de la voz en telefonía es el procesamiento de la voz, con el fin de lograr convertir una señal analógica a señal digital para así poder transmitirlo de mejor manera y como paquetes de datos, además que permite la codificación de la misma brindando seguridad a la transmisión telefónica, de hecho, el motivo por el cual se desarrolló este método fue principalmente por la seguridad de la información esto ocurrió durante la segunda guerra mundial. En la actualidad la digitalización no solo de voz sino de imágenes nos ha permitido interactuar y comunicarnos con el mundo por diferentes medios de comunicación, permitiendo de esta forma el desarrollo de las telecomunicaciones. El proceso de digitalización de voz da como resultado información que puede ser manejada como paquetes de datos los cuales contienes bits, a esta se la puede realizar una compresión con el fin de optimizar memoria en los dispositivos electrónicos. REFERENCIAS [1] [2]

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Franklin M. (2016). Digitalización de la voz. Fuente: http://www.servervoip.com/blog/digitalizacion-de-voz/ Ferráez, E. (2008). El impacto de la Telefonía IP en las Organizaciones (tesis de pregrado). Universidad Veracruzana, Veracruz, México. Fuente:http://cdigital.uv.mx/bitstream/123456789/28505/1/Ferraez%20R odriguez.pdf Gonzalo (2016). Digitalization del sonido. Fuente: https://musicalecer.com/el-sonido-digital/la-digitalizacion-del-sonido/ NI. (2019). Adquirir una Señal Analógica: Ancho de Banda, Teorema de Muestreo de Nyquist y Aliasing. Fuente: https://www.ni.com/escr/innovations/white-papers/06/acquiring-an-analog-signal--bandwidth-nyquist-sampling-theorem-.html López M. (2016). Digitalización de audio | 2/23 | UPV. Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=8tKotJnrOQQ...