Electrónica Mixta Analógica – Digital

3.3 Electrónica Mixta Analógica – Digital

En este apartado se introduce el concepto “digital” y se presenta la Electrónica Mixta Analógica-Digital como la especialidad de la electrónica que encuentra en la frontera entre ambos mundos. En consecuencia la electrónica mixta también abarca los procedimientos de conversión de señales analógicas en digitales y viceversa.

3.3.1 Hacia el mundo digital

En claro contraste con el mundo analógico, una señal digital está discretizada, es decir, es discontinua. La representación de la información, independientemente de su origen o propósito, se reduce a un flujo de datos binarios denominados “bits”. En otras palabras, el mundo se reduce a unos y ceros, ‘1’s y ‘0’s a partir de ahora. El procedimiento para realizar esta simplificación de la realidad se irá desvelando a medida que avance el texto.

Diferencias entre señal digital ideal y real
Figura 5: Transmisión de señal digital ideal (a) y con defectos (b)

Las fundamentos de la digitalización de la información se explican con un ejemplo. La Figura 5 (a) muestra una señal analógica ideal s(t) que transmite un flujo de bits, concretamente 10110010. La Figura 5 (b) muestra la misma señal analógica, tras haber sido afectada por los impedimentos asociados a un canal de transmisión, en este caso ruido y distorsión de frecuencias. En ambos casos, utilizando como umbral la línea roja, se puede recuperar igualmente la cadena de bits sin errores, 10110010. Este ejemplo permite concluir que el ámbito digital tiene las siguientes propiedades:

  • Analógico: Una señal digital siempre es analógica en su estado más fundamental. De la misma forma que la electrónica analógica se abstrae de los electrones a bajo nivel para trabajar con voltajes y corrientes, algunas especialidades de la ingeniería electrónica digital permiten abstraerse de voltajes y corrientes para trabajar sólo con bits.
  • Robusto: A pesar de los impedimentos y el ruido que sufre la señal, el flujo de bits se puede recuperar perfectamente. Esto no se puede conseguir en una transmisión de información puramente analógica, puesto que los defectos añadidos en la transmisión afectarán irremediablemente a la calidad de la información recibida. En otras palabras, las señales digitales son más robustas frente a impedimentos del canal de transmisión.
  • Ideal para el almacenaje: el ejemplo se ha focalizado en al transmisión de una señal pero es igualmente válido para el almacenamiento de información. Cualquier método de almacenamiento puede estar sujeto a algún tipo de corrupción. Si la señal almacenada es analógica, está corrupción se traduce en pérdida de calidad. Sin embargo, si la información es digital, es potencialmente recuperable si la corrupción no supera un cierto umbral.

3.3.2 Integridad de Señal

La integrad de señal es la especialidad de la electrónica mixta encargada de garantizar la correcta transmisión de bits entre componentes o circuitos integrados dentro de un equipo electrónico. Según se incrementa la generación y la calidad de la información almacenada de forma digital, y para minimizar el número de líneas entre componentes, es necesario exprimir al máximo el número de bits por segundo (bit/s) que se puede transmitir en una línea de transmisión entre componentes. Estos enlaces trabajan a altísimas frecuencias, de forma que es necesario aplicar teoría de Microondas.

Un ingeniero electrónico especializado en integridad de señal debe garantizar que todos los bits que se transmiten en un enlace del equipo usando un voltaje v(t), son leídos correctamente por el elemento o circuito destino. Durante la transmisión, v(t) puede sufrir un elevado número de impedimentos como ruido térmico, ruido procedente de canales adyacentes, o rebotes asociados a la alta velocidad de transmisión entre otros. La calidad del enlace se puede visualizar con una herramienta conocida como “Diagrama de Ojo”, en donde los voltajes asociados a todos los bits recibidos en destino se superponen unos a otros mostrando algo parecido a un ojo. Si los defectos acumulados por la señal están bajo control, el ojo seguirá abierto, garantizando que en el centro, instante de muestreo ideal, el elemento destino puede leer los bits correctamente. Como ejemplo, la Figura 6 muestra el diagrama de ojo asociado a la Figura 5 (b). En este caso el ojo está completamente abierto puesto que se trata de un ejemplo sencillo. Este diagrama de ojo sería el sueño de cualquier ingeniero para un enlace de alta velocidad. En la práctica se suele trabajar al límite para maximizar la velocidad del enlace sin generar errores de lectura de bits.

Ejemplo de Diagrama de Ojo, herramienta empleada en integridad de señal y electrónica mixta
Figura 6: Ejemplo de Diagrama de Ojo.

3.3.3 Conversión Analógica-Digital y Digital-Analógica

Hasta ahora se ha presentado la señal digital en su variante más simple, como una simple cadena de bits. De esa forma una señal digital (‘1’s y ‘0’s) se convertía en analógica alternando una salida entre dos valores o voltajes. Y una señal analógica (originalmente cuadrada y de dos niveles) se convertía en digital (‘1’s y ‘0’s) con un simple comparador de umbral. Pero ¿cómo se digitaliza la información continua y variable procedente de una fuente, por ejemplo el audio de un micrófono? Por otra parte ¿una señal digital multinivel, por ejemplo el audio digitalizado del micrófono anterior tras haber sido transmitido por un canal, se puede transformar en la señal analógica original para ser escuchado por un altavoz en destino?

Las cuestiones planteadas en el párrafo anterior se resuelven continuando con el ejemplo del micrófono y el altavoz. En la Figura 7 se observa a la izquierda la señal analógica generada por el micrófono. Esta señal es digitalizada con un conversor analógico-digital, o “analog to digital converter” (ADC) en inglés. El ADC de la figura tiene 3 bits que permiten representar 8 niveles de la señal original. La cadena de bits generada (conjunto de muestras de 3 bits cada una) es transmitida por un canal. Aquí nos abstraemos de los voltajes y corrientes analógicos asociados a dicha transmisión porque los defectos introducidos por nuestro canal están bajo control, de forma que enviamos y recibimos exactamente los mismos bits sin errores. En el destino, un conversor digital-analógico, o “digital to analog converter” (DAC) en inglés, también de 3 bits, recupera la señal analógica original con la que alimenta el altavoz para que el audio se escuche en el destino. Obviamente, para que todo funcione en este ejemplo es necesario que tanto la frecuencia de muestreo de las señales como el número de bits de conversión de ADC y DAC cumplan una serie de criterios matemáticos. Pero esos detalles están fuera del propósito de este texto.

Simplificación de conversión AD, transmisión, y conversión DA
Figura 7: Ejemplo práctico de conversiones con un ADC y un DAC.

En comunicaciones, por ejemplo un ordenador enviando datos digitales a alta velocidad a otro ordenador, es común encontrar esquemas donde la localización de ADC y DAC es la opuesta. En efecto, los bits que el ordenador quiere enviar se pueden “modular” con complejas operaciones matemáticas que dan lugar a señales continuas aparentemente analógicas, que son generadas con un DAC. Dichas señales son transmitidas, recibidas en destino y digitalizadas con un ADC para ser finalmente “demoduladas” con operaciones matemáticas implementadas digitalmente, de forma que los bits originales son extraídos [1]. Es precisamente en aplicaciones de comunicaciones donde se se requieren ADCs y DACs que trabajen a mayores frecuencias de muestreo con mayor número de bits de resolución.

El diseño y fabricación de ADCs y DACs de última generación es una especialidad muy compleja dentro de la electrónica mixta [2]. Simplificando al máximo, se puede decir que estos conversores son circuitos integrados que incluyen elementos activos y pasivos para la transformación bidireccional entre voltajes/corrientes analógicos y digitales.

Bibliografía

[1]: Sklar, Bernard, Digital Communications: Fundamentals and Applications, 2020.

[2]: Carbone, Paolo, Design, Modeling and Testing of Data Converters, 2013.


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