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(1)Tema 4. Fuentes de Información. TEMA 4. FUENTES DE INFORMACIÓN. 1.. CARACTERIZACIÓN DE FUENTES ANALÓGICAS Y DIGITALES. 2.. LA SEÑAL DE AUDIO 2.1.. La señal de audio. 2.1.1.. Señal vocal. 2.1.2.. Respuesta del oído humano. 2.2.. Intensidad sonora. 2.3.. Sonoridad. 2.3.1. 2.4.. Ponderación sofométrica. El terminal telefónico. 2.4.1.. El micrófono. 2.4.2.. El altavoz. 2.4.3.. El circuito de conversación. 2.4.4.. Alimentación. 2.4.5.. Marcación. 2.4.6.. Curvas de sensibilidad del terminal telefónico. 3.. REPRESENTACIÓN DIGITAL DE LA SEÑAL DE AUDIO 3.1.. El sistema MIC. 3.1.1.. Filtrado antisolapamiento. 3.1.2.. Muestreo. 3.1.3.. Codificación. 3.1.4.. Decodificación. 3.2.. El sistema MICDA. EJERCICIOS TEMA 4. EJERCICIOS TEMA 4: SOLUCIONES. Sistemas de Telecomunicación (ITT – ST). 1.

(2) Tema 4. Fuentes de Información. 1.. CARACTERIZACIÓN DE FUENTES ANALÓGICAS Y DIGITALES. Hasta ahora se ha visto una breve introducción a los Sistemas de Telecomunicación, donde se ha explicado el modelo general de un sistema de telecomunicación. En este tema se va a tratar uno de los componentes del mismo: la fuente de información.. Fuente. Procesador de emisión. Red de Telecomunicación. Procesador de recepción. Presentación. Ruido, Distorsión Interferencia. La fuente, como se ha explicado anteriormente, es el transductor de símbolos a señal eléctrica, que es la que posteriormente se transmite por el sistema. En función de la señal, se puede hacer una distinción entre varios tipos de fuentes: -. Audio. -. Vídeo. -. Datos. Tanto las señales de audio como las de vídeo son señales continuas que, en muchos casos, necesitan ser digitalizadas para ser transmitidas por el medio. Máxime hoy en día que los sistemas de transmisión digitales presentan múltiples ventajas frente a los sistemas tradicionales analógicos. Este tema se va a centrar en el desarrollo de la señal de audio y su digitalización para la transmisión por redes digitales.. 2. 2.1.. LA SEÑAL DE AUDIO LA SEÑAL DE AUDIO. El sonido es la sensación, en el órgano del oído, producida por el movimiento ondulatorio, debido a los cambios de presión en un medio elástico y generados por el movimiento vibratorio de un cuerpo sonoro. El sonido no es un objeto que se mueve por el aire, sino una sensación creada por el cerebro al percibir ligeras vibraciones en el aire. Cuando un objeto (emisor) vibra, hace vibrar también al aire que se encuentra alrededor de él. Esa vibración se transmite a la distancia y hace vibrar (por resonancia) una membrana que hay en el interior del oído, el tímpano, que codifica (convierte) esa vibración en información eléctrica y se trasmite al cerebro por medio de las neuronas. El cerebro decodifica esa información y la convierte en una sensación. A esa sensación se le denomina "sonido". Como todo movimiento ondulatorio, un sonido simple puede representarse por una curva sinusoide en la que la amplitud representa la intensidad de sonido y la longitud de onda el tono del sonido. A longitudes de onda más pequeñas (mayor frecuencia), el sonido será más agudo; si son más largas (frecuencias menores), el sonido es más grave. Es decir, el sonido se caracteriza por la intensidad, el tono, el timbre y la duración. El sonido puede ser puro, pero casi la totalidad de ellos son mezcla de sonidos de distinta longitud de onda que conforman el sonido resultante. Los sonidos añadidos a la onda principal (la que da el tono), se llaman armónicos. La suma de todas estas ondas determina el timbre, que permite conocer el instrumento que emite el sonido.. Sistemas de Telecomunicación (ITT – ST). 2.

(3) Tema 4. Fuentes de Información. Si se tiene en cuenta la distribución de la energía de la señal de audio, se observa que se concentra, principalmente, en el rango de frecuencias comprendido entre 20 Hz y 20 kHz. Sin embargo, la mayor parte se concentra en el intervalo de 200 a 600 Hz. En el caso de la señal telefónica de banda estrecha, se llega a un compromiso entre la calidad de la señal y el ancho de banda ocupado limitándose éste a 4 kHz. Evidentemente, a mayor calidad requerida, también será necesario aumentar el ancho de banda de la señal a transmitir. Por ejemplo, en el caso de un CD de música estéreo se emplean dos canales de 20 kHz cada uno. Así, se define la calidad telefónica como la calidad proporcionada al filtrar la señal y mantener únicamente el rango de frecuencias de 300 a 3.400 Hz.. 2.1.1.. Señal vocal. Dentro de las señales de audio, resulta interesante estudiar la señal vocal y sus características puesto que se trata de la señal que se transmite, entre otros sistemas de telecomunicación, en los sistemas telefónicos (que se estudian en esta asignatura). El tono (también llamado frecuencia fundamental) es la frecuencia de vibración de las cuerdas vocales y depende del grosor y la elasticidad de las cuerdas vocales. El rango de variación es de 50 a 500 Hz y depende del sexo del hablante. Así: -. Hombre: entre 50 y 250 Hz (En media: 120 Hz). -. Mujer: entre 120 Hz y 500 Hz (En media: 220 Hz). La intensidad determina la amplitud o energía de los sonidos. En general, las vocales tienen mayor intensidad. La duración del sonido o el tiempo que permanece vibrando, permite diferenciar sonidos breves o largos, importante en muchos idiomas (italiano, inglés, alemán,…). Por lo general, las vocales tónicas son más largas que las átonas, aunque en castellano no se note mucha diferencia. El timbre está formado por la frecuencia fundamental y los armónicos y depende del tamaño, la forma y la composición de las cavidades supraglóticas. Si se estudia la distribución de energía de la voz en el dominio de la frecuencia, se puede observar que: -. El 90% de la energía se halla en la banda 0-1 kHz. -. La energía se concentra en la banda comprendida entre 100 Hz y 7-8 kHz.. 2.1.2.. Respuesta del oído humano. Ya se han comentado las características de la señal que se emite. No obstante, también es importante saber qué ocurre en recepción, es decir, cómo se comporta el oído humano. La señal que se ha transmitido es recibida en el oído como una sensación sonora que presenta las siguientes características: -. El rango de frecuencias que el oído humano aprecia se limita a la banda 20 Hz a 20 kHz.. -. Existe una sensibilidad máxima entre 1 kHz y 3 kHz.. -. Dado que la respuesta no es lineal, se produce el enmascaramiento de unas frecuencias por otras y, al mismo tiempo, se generan tonos inexistentes. Un ejemplo de esto es el sistema telefónico. Se ha dicho que se transmiten únicamente las frecuencias comprendidas entre 300 y 3.400 Hz y, sin embargo, el oído es capaz de reconstruir las frecuencias más bajas que no se han transmitido, como las correspondientes a la frecuencia fundamental (50 – 500 Hz). Sistemas de Telecomunicación (ITT – ST). 3.

(4) Tema 4. Fuentes de Información. 2.2.. INTENSIDAD SONORA. La intensidad sonora es la magnitud física que expresa la mayor o menor potencia de las ondas sonoras. Es el flujo medio de potencia por unidad de superficie normal a la dirección de propagación, en un punto determinado y se mide en W/m2. El nivel de intensidad sonora, que es la intensidad sonora medida en unidades logarítmicas, es: L I = 10 ⋅ log. I = 120 + 10 ⋅ log I I0. dB ⎡W 2 ⎤ ⎢⎣ m ⎥⎦. Donde: I0 = 10-12 W/m2, que se corresponde con el umbral de audibilidad para un tono de 1 kHz. En el caso de la voz, la variación típica que experimenta el nivel de intensidad sonora es: Valor de pico: +12 dB Grito:. +6 dB. Susurro:. -6 dB. Umbral:. -18 dB. Es decir, el rango dinámico es de 30 dB. Sin embargo, la señal de audio tiene un rango dinámico mayor, alrededor de los 80 dB.. Sistemas de Telecomunicación (ITT – ST). 4.

(5) Tema 4. Fuentes de Información. 2.3.. SONORIDAD. No es lo mismo la intensidad sonora, que es una medida objetiva de la potencia de la onda sonora, que la sonoridad, que representa una medida subjetiva de la intensidad con que una persona percibe un sonido. La percepción de la intensidad sonora varía con la frecuencia y la potencia. En 1933 Fletcher y Mundson, de los laboratorios Bell, hicieron un primer estudio de la respuesta del oído en función de la frecuencia y la potencia de la señal de entrada, obteniendo las curvas igual nivel de sensibilidad del oído humano. Posteriormente, en 1956, Robinson y Dadson mejoraron los resultados obteniendo la gráfica de curvas isofónicas que aparece a continuación.. En abcisas se representa la frecuencia y en ordenadas se presenta el nivel de intensidad objetivo (medido en dB [10-12 W/m2]). Las curvas van uniendo puntos que tienen igual nivel de intensidad subjetivo. La audición humana no es lineal sino logarítmica. Tampoco es absoluta, por lo que es necesario medir el nivel de sonoridad o, lo que es lo mismo, cómo de fuerte es un sonido frente a otro. Por ello, el nivel de intensidad subjetivo se mide en fonios. Un tono de frecuencia f tiene un nivel de n fonios, cuando para el oyente, produce la misma sensación sonora que un tono de 1 kHz y que tiene un nivel de intensidad de n dB. Ejemplo:. Se tienen dos tonos de 200 Hz y 1 kHz con intensidad de 50 fonios. Si se reduce el nivel de intensidad en 40 dB, el tono de 1 kHz se percibirá con una intensidad de 10 fonios, mientras que el tono de 200 Hz no será audible por encontrarse por debajo del umbral de audición.. 2.3.1.. Ponderación sofométrica. En una comunicación telefónica, además de la propia conversación, hay que considerar el ruido aleatorio con espectro uniforme del canal y el ruido que introduce el terminal telefónico. Debido a que la forma de onda del ruido es completamente distinta a la de voz, el oído no. Sistemas de Telecomunicación (ITT – ST). 5.

(6) Tema 4. Fuentes de Información. reacciona del mismo modo a éste que a la conversación, ni son igual de molestas, para una misma amplitud, unas componentes frecuenciales de ruido que otras. Cuando se descubrió que la sensación sonora depende de la frecuencia se pensó que aplicando una red de ponderación podría medirse dicha sensación de forma objetiva. La red debería atenuar las altas y las bajas frecuencias (que son las que se perciben peor) y debería mantener las frecuencias centrales casi sin variación.. En Europa, la curva de ponderación más usada es la ponderación sofométrica, definida por la UIT-T en diversas recomendaciones (entre ellas la G.100 y la G.223) y cuya característica se presenta a continuación.. Sin embargo se observaron varios problemas de este método: -. Las curvas de Fletcher y Mundson o de Robinson y Dadson se obtuvieron estadísticamente sobre individuos jóvenes y sin problemas de audición, luego representan a esta población.. -. Asimismo, estas curvas se obtuvieron excitando con tonos puros, mientras que el ruido o la voz contienen varias componentes frecuenciales simultáneamente.. -. Finalmente, el oído no responde igual ante sonidos de muy bajo nivel que de alto nivel. Por ejemplo, como se observa en las curvas isofónicas, un sonido de 1 kHz y 5 dB ya es audible, mientras que si se quiere escuchar un tono puro de 50 Hz, sería necesario aumentar el nivel casi a 45 dB. Es decir, realmente hacen falta al menos 3 curvas de ponderación, correspondientes a niveles bajos (A), medios (B) y altos de señal (C).. Por estas razones, la intención original de las curvas de ponderación no ha sido muy útil. Sin embargo se mantiene su uso para evaluar problemas de ruido o daños auditivos. El instrumento que se emplea para medir el ruido en circuitos telefónicos es el sofómetro, que se caracteriza por tener una respuesta en frecuencia aproximada a la del oído humano y a la medida del ruido realizada a través de una red de ponderación sofométrica se le añade el sufijo “p” para indicar que esta medida está ponderada. Por todo esto, cuando se considera el efecto fisiológico y se mide el ruido mediante una red de ponderación sofométrica, en lugar de considerar la medida del ruido en un canal con respuesta plana, se observa una mejora subjetiva de la relación señal a ruido en el oyente de 2,5 dB. En general, el efecto de la ponderación es: Ponderación sofométrica = 2,5 + 10·log. B [kHz] 3,1. [dB]. Análogamente, también se define la ponderación sofométrica para señales musicales y la ponderación videométrica para señales de vídeo. De acuerdo con las recomendaciones de la UIT-T, cuando se trata de ruido blanco, la ponderación es: Canal telefónico (300 - 3.400 Hz): dBmp = dBm - 2,5 dB Canal musical. (0 - 15 kHz):. dBmp = dBm - 8,6 dB. Canal de vídeo. (5 MHz):. dBmv = dBm - 8,5 dB. Sistemas de Telecomunicación (ITT – ST). 6.

(7) Tema 4. Fuentes de Información. 2.4.. EL TERMINAL TELEFÓNICO. El terminal telefónico, o microteléfono, está formado por un emisor (el micrófono) y un receptor (el altavoz), que deben estar aislados para que no se produzca realimentación. Sin embargo, también es importante evitar el efecto contrario, ya que produciría que el hablante no se oyese a sí mismo y elevase el tono de voz. Este aislamiento se lleva a cabo a través del circuito de conversación, que realiza la conversión de 4H a 2H mediante un circuito híbrido. El terminal también debe disponer de un sistema de señalización que permita la marcación del número solicitado, así como la notificación del estado de la llamada (terminal ocupado, sobrecarga en la línea, etc.) 2.4.1.. El micrófono. El micrófono es el transductor que convierte las ondas acústicas en ondas electromagnéticas. Antiguamente esta conversión se realizaba con un micrófono de carbón, que tenía un diafragma que era accionado por las ondas de presión. Las presiones distintas hacían que variase su resistencia eléctrica y, al estar alimentado a una tensión constante, la corriente que la atravesaba seguía las variaciones de la onda incidente. Actualmente se emplean fundamentalmente los micrófonos de bobina móvil. Están formados por una bobina inmersa en un campo electromagnético y arrollada a una membrana. Esta membrana es accionada por las ondas de presión y, al desplazarse, mueve también la bobina, lo que induce una fuerza electromotriz proporcional al desplazamiento que se ha sufrido en la bobina. El rendimiento del micrófono se mide mediante la sensibilidad, es decir, la relación entre la tensión eléctrica producida por el micrófono y la presión acústica a la entrada. S = 20 ⋅ log. v p. dB(V/Pa). a. La sensibilidad varía con frecuencia. Si se representa la variación de la sensibilidad con respecto a la frecuencia, se obtienen las curvas de sensibilidad en emisión.. Ejemplo:. Se quiere conocer la tensión eficaz en bornas del micrófono cuando la presión entregada al micrófono es de 0,625 Pa, trabajando a 1 kHz.. S = 20 ⋅ log. V P a. = −6,74dB(V/Pa). Sistemas de Telecomunicación (ITT – ST). ⇒. V = 0,287V. 7.

(8) Tema 4. Fuentes de Información. 2.4.2.. El altavoz. Su función es la de devolver la señal eléctrica que le llega al formato en el que estaba antes de la transmisión. Para ello se dispone un electroimán que, accionando un diafragma, convierte la corriente telefónica en onda acústica. El rendimiento del altavoz se mide también mediante la sensibilidad sin embargo, en este caso, expresa la relación entre la presión acústica y la tensión a la entrada. S = 20 ⋅ log. p. a. v. dB(Pa/V). La sensibilidad varía con la frecuencia. Si se representa la variación de la sensibilidad con respecto a la frecuencia, se obtienen las curvas de sensibilidad en recepción.. Ejemplo:. Se quiere conocer la sensibilidad del auricular si la señal emitida anteriormente a 1 kHz se atenúa en la línea 30 dB. Puesto que la tensión eficaz es de 0,287 V, habrá un nivel de -8,62 dBu, lo que equivale, sobre una impedancia de 600Ω, a -8,62 dBm. Si la atenuación es de 30 dB, la señal recibida tendrá un nivel de potencia de -38,62 dBm y un nivel de tensión de -38,62 dBu. Es decir, la tensión será de 9,08 mV. En la gráfica se observa que para un tono de 1 kHz, la sensibilidad en recepción es de 18,92 dB(Pa/V), lo que supone una presión en el altavoz de 80,17 mPa. 2.4.3.. El circuito de conversación. Es el circuito encargado de realizar la conversión de 4 hilos a 2 hilos. Esta conversión se realiza normalmente mediante un circuito híbrido: Altavoz. Carga de equilibrio. Línea telefónica. Micrófono. Sistemas de Telecomunicación (ITT – ST). 8.

(9) Tema 4. Fuentes de Información. 2.4.4.. Alimentación. El microteléfono puede alimentarse bien de forma central (siendo la propia central la que alimenta a los terminales) o bien local (cuando los terminales están muy alejados de la central y han de ser alimentados por el propio usuario).. 2.4.5.. Marcación. -. Pulsos. Un disco produce pulsos que son enviados a través de la línea telefónica. Era la que se utilizaba antiguamente.. -. Marcación multifrecuencia. Mediante un teclado se generan parejas de tonos.. 1. 2. 3. 697 Hz. 4. 5. 6. 770 Hz. 7. 8. 9. 852 Hz. *. 0. #. 941 Hz. Decodif. 1.209 Hz. Sistemas de Telecomunicación (ITT – ST). 1.336 Hz. 1.477 Hz. 9.

(10) Tema 4. Fuentes de Información. 3.. REPRESENTACIÓN DIGITAL DE LA SEÑAL DE AUDIO. Los sistemas digitales se basan en la representación discreta de la señal mediante sus muestras y su posterior reconstrucción en el destino. Por tanto, uno de los parámetros fundamentales es la frecuencia de muestreo. Las frecuencias de muestreo que más se utilizan en la representación digital de la señal de audio en telefonía son: 8 kHz para banda estrecha y 16 kHz para banda ancha. La codificación digital transforma las muestras x[n] en código uc[n] de R bits del conjunto {b[n]}, pero como el canal introduce errores, las palabras código recibidas diferirán de las que se enviaron: vc[n] de R bits. Ésta será la señal decodificada y transformada en y[n]. En general se pueden distinguir dos tipos de codificación: -. La codificación de fuente, que es la codificación de las señales que se quieren transmitir.. -. La codificación de canal, que es la codificación que se practica para aprovechar las características del medio y minimizar la distorsión de la señal en el canal.. Atendiendo a la codificación de fuente, existen dos tipos de codificaciones: -. Codificadores de forma de onda. Aproximan la señal analógica retocando la amplitud de la señal en el tiempo. -. Codificadores de análisis-síntesis. Estos codificadores analizan la señal extrayendo parámetros significativos que emplean para sintetizar una señal de salida que no es réplica de la onda original. Vocoders Estos codificadores optimizan más las características de la señal, lo que los hace mejores en cuanto a la reducción del ritmo de codificación que consiguen. Sin embargo, son totalmente dependientes de la señal de entrada y sus características, por lo que son más caros.. En cualquier caso, por el mero hecho de codificar digitalmente una señal analógica, automáticamente se introduce cierta distorsión, la distorsión de codificación y aparecerá un error de reconstrucción (r[n]=x[n]-y[n]).. 3.1.. EL SISTEMA MIC. La técnica más simple de codificación digital es el sistema de Modulación por Impulsos Codificados (MIC) que se emplea en telefonía y está definido en la recomendación UIT-T G.711. También es conocido como Pulse Code Modulation (PCM). Está caracterizado por codificadores instantáneos, que no introducen retardos y, además, no son específicos de la señal de entrada. El esquema es el siguiente:. Tx. Filtro Filtro antisolapamiento antisolapamiento. Muestreo Muestreo. Codificación Codificación. CANAL CANAL. Rx. Filtro Filtro interpolador interpolador. Sistemas de Telecomunicación (ITT – ST). Decodificación Decodificación. 10.

(11) Tema 4. Fuentes de Información. 3.1.1.. Filtrado antisolapamiento. Primero se realiza un filtrado antisolapamiento para limitar en banda la señal y evitar así el “aliasing”. Se trata de un filtro paso bajo con frecuencia de corte 3.400 Hz.. 3.1.2.. Muestreo. A continuación se muestrea la señal con una frecuencia superior a la de Nyquist para evitar solapamiento espectral. En el caso de telefonía de banda estrecha, se emplea una fm = 8 kHz. 3.1.3.. Codificación. La codificación MIC incluye primeramente una cuantificación no uniforme, para que la relación señal a distorsión sea aproximadamente independiente de la amplitud de la señal. Es decir, para que la distorsión no sea mayor en el caso de amplitudes pequeñas de la señal. Posteriormente se hace la codificación de fuente, que consiste en asignar una palabra código de 8 bits a cada muestra.. 3.1.3.1.. Cuantificación. La señal de voz se caracteriza porque es más probable que aparezcan niveles bajos de señal que los elevados. Por lo tanto, si se emplease un cuantificador uniforme (en el que los intervalos tienen el mismo ancho y el valor de reconstrucción es el punto central del mismo), gran cantidad de los valores bajos de la señal se reconstruirían como el mismo valor de (ya que las entradas pertenecerían al mismo intervalo), lo que introduciría una gran distorsión de cuantificación. En lugar de esto, en MIC se emplea un cuantificador no uniforme caracterizado por tamaños de escalón más pequeños para valores de señal de entrada pequeños. En Europa, esto se consigue con una aproximación por tramos rectilíneos de la ley A de 13 tramos simétricos (6 y ½ tramos negativos y 6 y ½ tramos positivos) de distinta anchura. La aproximación rectilínea de la ley A se define como: ⎧ 1 + ln A x signo( x ) ⎪ ⎪ 1 + ln A y = ⎨ ⎪ A⋅x ⎪ ⎩ 1 + ln A. 1 ≤ x ≤1 A 1 0≤ x ≤ A. donde A = 87,6 (para 13 tramos). En Estados Unidos se emplea una expresión diferente denominada Ley µ. En la siguiente figura se ha representa únicamente la parte positiva de la aproximación rectilínea de la ley A, donde se llamará segmento a cada tramo rectilíneo de la misma. Otra característica es que se suele normalizar el valor de sobrecarga de la señal que pasa por el cuantificador haciendo que coincida con una Unidad de Tensión Normalizada (UTN). Es decir, la entrada se normalizará respecto a la UTN, coincidiendo con: V (UTN) = V/Vmax En la salida (eje y), cada tramo está dividido en 16 intervalos de cuantificación, menos el central que está dividido en 64. (El segmento 0 y el 1 se consideran un mismo segmento y coinciden además con el ½ tramo que se ha comentado anteriormente. Puesto que la pendiente es la misma que en el cuadrante negativo, el segmento central estará formado por los segmentos S-1, S-0, S0 y S1). Sistemas de Telecomunicación (ITT – ST). 11.

(12) Tema 4. Fuentes de Información. Salida del codificador 128 Intervalos de cuantificación. 112. Segmento 7 Segmento 6. 96 Segmento 5. 80. Segmento 4. 64. Segmento 3 48 32. Segmento 2 Segmento 1. 16 Segmento 0 1/25. 1/23. 1 UTN 1/22. 1/21. 1/20. Amplitud de la señal de entrada. 1/26 1/24. Según la recomendación UIT-T G.711, cada muestra MIC se codifica con 8 bits, lo que implica N = 28 = 256 intervalos de cuantificación. La amplitud (anchura) de los intervalos de cuantificación se detalla a continuación: S0 / S1. Segmento ∆ (Amplitud Int. Cuantif). S2. 1 7. 2 ⋅2. S3. 1 4. 6. 2 ⋅2. S4. 1 4. 5. 2 ⋅2. S5. 1 4. 4. 2 ⋅2. S6. 1 4. 3. 2 ⋅2. S7. 1 4. 2. 2 ⋅2. 1 4. 1. 2 ⋅ 24. Generalizando: Δ=. 1 2 n−i ⋅ 2 4. La implementación del cuantificador no uniforme se puede realizar con un cuantificador uniforme de 12 bits seguido de una compresión a 8 bits. La reconstrucción puede hacerse mediante una expansión de 8 a 13 bits (el bit extra se utiliza para que el valor reconstruido quede centrado en el intervalo de cuantificación). Sistemas de Telecomunicación (ITT – ST). 12.

(13) Tema 4. Fuentes de Información. 3.1.3.2.. Codificación. Como se ha dicho, se emplean 8 bits para codificar cada muestra y la disposición de los bits es la siguiente:. 1. 2. Signo. 3. 4. Segmento. 5. 6. 7. 8. Int. Cuantif. Donde: Signo:. S=0. Æ parte negativa de la aproximación. S=1. Æ parte positiva de la aproximación. Segmento: tramo de la recta en que se encuentra la muestra. 23 = 8 segmentos de cada signo Intervalo de cuantificación: intervalo del tramo en el que se encuentra la muestra. 24 = 16 intervalos por segmento.. El modelo que se emplea para caracterizar los cuantificadores no uniformes que implementan la ley A consta de dos fases: -. Las muestras se pasan por un compresor instantáneo que amplifica las señales débiles y atenúa las fuertes. -. Se hace una cuantificación uniforme. Lógicamente, en el extremo receptor habrá un dispositivo que corrija el efecto del compresor y asigne a las muestras su valor original (un expansor). Sistemas de Telecomunicación (ITT – ST). 13.

(14) Tema 4. Fuentes de Información. Algoritmo de codificación 1) Se expresa el valor de tensión de entrada en UTN. Esto se consigue dividiendo la tensión de entrada por la máxima tensión de entrada posible: V/Vmax 2) Suponiendo todos los intervalos de cuantificación iguales y del tamaño del más pequeño de la cuantificación no uniforme, es decir, del segmento 0-1, calcular el intervalo de cuantificación y codificar en binario. Esto, en la práctica, equivale a una cuantificación uniforme de 12 bits (1 de signo y 11 para la codificación). -. Para calcular el intervalo al que corresponde, se divide el valor entre Δmin=211=2.048. -. Se toma la parte entera y se codifica en binario con 1(signo)+11 bits.. 3) Se realiza una transcodificación de 12 bits a 8 bits -. El signo es el mismo que en el caso de la palabra de 12 bits. -. Para calcular el número del segmento, se cuenta el número de 0’s entre el bit de signo y el primer “1” que aparece, se hace el complemento a 7 y se expresa en 3 bits.. -. Para calcular el número del intervalo de cuantificación, se toman los 4 bits que siguen al primer “1” que apareció. NOTA:. 3.1.4.. Si el número de 0’s que se encontró para calcular el segmento era 7 o superior, automáticamente se sabe que el segmento es el 0 y el intervalo de cuantificación los cuatro últimos bits (sin tener en cuenta el primer “1” que aparece).. Decodificación. La decodificación es el proceso mediante el cual se reconstruyen las muestras a partir de la señal procedente de la línea. Para que el error de decodificación sea mínimo (el error entre la muestra que se envió y la que se reconstruye), lo que se hace es asignar el valor medio del intervalo de cuantificación. De esta forma, el error de reconstrucción, tomará un valor máximo equivalente a la mitad del intervalo de cuantificación Error máx de reconstrucción = ½ Intervalo de Cuantificación Algoritmo de decodificación El algoritmo para la decodificación tiene las siguientes fases, inversas a la codificación: 1) Se transcodifica de 8 bits a 13 bits. (Se añade un bit más para que el valor obtenido quede centrado en el intervalo) -. El signo es el mismo.. -. Para calcular el número de ceros de relleno, se halla el complemento a 7 del número decimal correspondiente al segmento y se añaden después del bit de signo.. -. Se añade un 1 (equivalente al que se despreció en la codificación).. -. Se añade el Intervalo de Cuantificación de la palabra MIC (8 bits).. -. Se añade un 1, para centrar la reconstrucción en el intervalo y minimizar el error de reconstrucción.. -. Se completa hasta 13 bits con el número de ceros que sea necesario. NOTA:. Si la muestra pertenece al segmento 0, se pone el bit de signo, 7 ceros, el intervalo de cuantificación de la palabra MIC de 8 bits y, finalmente, se añade un 1 para minimizar el error de reconstrucción.. 2) Se expresa el valor en UTN. Para ello, se halla el decimal correspondiente al binario de 13 bits, recordando que el primer bit es el signo. Para normalizar, se multiplica por la anchura del intervalo de cuantificación, lo que equivale a dividir por 212 3) Se pasa de UTN a voltios.. Sistemas de Telecomunicación (ITT – ST). 14.

(15) Tema 4. Fuentes de Información. 3.2.. EL SISTEMA MICDA. Modulación por Impulsos Codificados Diferencial Adaptativa (MICDA), es una variación del sistema MIC que añade un mayor grado de compresión al realizar una codificación predictiva. Las características son: -. Se trata, como se acaba de comentar, de una codificación predictiva, lo que supone cuantificar y enviar únicamente la diferencia entre la muestra de la señal de entrada y su valor predicho. La ventaja es que la diferencia tiene menor potencia y presenta una menor correlación entre las muestras consecutivas, lo que implica una mayor eficiencia de la cuantificación.. -. Para hacer la predicción, sólo usa muestras de la señal ya pasadas, lo que implica que cuando van a ser decodificadas, el decodificador ya dispone de ellas.. -. La calidad que se consigue con MICDA a 32 kbps, es ligeramente inferior a la calidad obtenida con MIC a 64 kbps.. Sistemas de Telecomunicación (ITT – ST). 15.

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(17) Tema 4. Fuentes de Información. EJERCICIOS TEMA 4. 1. Sea un cuantificador MIC Ley A de 8 bits a. Calcular la palabra MIC correspondiente a 0,06341 UTN. b. Calcular el valor de reconstrucción correspondiente a la palabra MIC hallada en el apartado anterior. c. Calcular el error de reconstrucción. 2. Sea un cuantificador MIC Ley A de 8 bits con valor de sobrecarga de 0,3 V. a. Calcular la palabra MIC correspondiente a 0,0009522 V. b. Calcular el valor de reconstrucción, en mV, correspondiente a la palabra MIC hallada en el apartado anterior. c. Calcular el error de reconstrucción. 3. [FEBRERO 2005] Se dispone de un cuantificador basado en la aproximación de la Ley A por tramos rectilíneos (Recomendación UIT-T G.711), pero con las siguientes características: -. Sólo existen muestras positivas.. -. Cada muestra se codifica con 4 bits: 2 bits se utilizan para indicar el intervalo y los otros 2 bits para definir el nivel de cuantificación.. Dibujar, razonando la respuesta e identificando todos los datos relevantes, la aproximación de la Ley A. Para ello, seguir el mismo mecanismo de especificación de intervalos y niveles de cuantificación visto en clase para la recomendación G.711. Recuerde que, en este caso, sólo tiene que emplear 4 bits (2 de intervalo y 2 de nivel) y sólo existen muestras positivas. NOTA: Suponer la entrada normalizada, dejando constancia en la gráfica.. 4. [SEPTIEMBRE 2005] Se dispone de un cuantificador basado en la aproximación de la Ley A pero con las siguientes características: -. Sólo existen muestras positivas. -. Cada muestra se codifica mediante 5 bits: 2 determinan el intervalo y los 3 restantes definen el nivel de cuantificación. Dibuje la aproximación de la Ley A, indicando: -. Qué eje corresponde a la entrada y cuál a la salida.. -. Cuáles son los intervalos (especificándolo claramente). -. Cuáles los niveles de cuantificación (especificándolo también claramente). -. Si existe simetría en la gráfica, indíquelo y sólo dibuje la mitad que considere necesaria.. Sistemas de Telecomunicación (ITT – ST). 17.

(18) Tema 4. Fuentes de Información. 5. [FEBRERO 2007] Con objeto de cuantificar con mayor precisión la señal vocal, se diseña un conversor A/D que codifica cada muestra con 10 bits. La característica de cuantificación del conversor es no uniforme, donde, para obtener una relación señal a distorsión aproximadamente independiente de la amplitud de la señal, se hace una aproximación lineal de la Ley A por 13 segmentos simétricos respecto al origen (de manera idéntica a la empleada en el sistema MIC de 8 bits). Sabiendo que las muestras de la señal vocal a la entrada del conversor pueden tomar valores en el rango de [-2V, 2V]: a. Determinar (en UTN) la anchura máxima y mínima de los intervalos de cuantificación b. Suponiendo que a la entrada se tiene un muestra de 0,69V, determinar los bits que faltan para obtener la palabra código que le correspondería: _ _ _ _ 0 1 1 0 0 0. 6. [SEPTIEMBRE 2007] Se dispone de un cuantificador basado en la aproximación de la Ley A pero con las siguientes características: -. Sólo existen muestras positivas. -. Cada muestra se codifica mediante 5 bits: 2 determinan el segmento y los 3 restantes definen el intervalo de cuantificación. Determinar: a. El número de segmentos posibles b. El número de intervalos de cuantificación c. Determinar la amplitud máxima y mínima de los intervalos de cuantificación d. Suponiendo que las muestras de la señal vocal a la entrada del conversor pueden tomar valores en el rango de [0V, 3V], ¿en qué segmento se encontrará una muestra de 0,59V?. Sistemas de Telecomunicación (ITT – ST). 18.

(19) Tema 4. Fuentes de Información. EJERCICIOS TEMA 4: SOLUCIONES 1. a. 11000000 b. 0,064453 c. -0,001043 2. a. 10000110 b. 0,003173 c. 0,0000001 5. a. Δmáx=2-7 Δmín=2-13 b. 1110011000 6. c. 4 segmentos d. 8 intervalos de cuantificación por segmento e. Δmáx=2-4 Δmín=2-6 f.. Segmento 1. Sistemas de Telecomunicación (ITT – ST). 19.

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