Un sistema digital es cualquier dispositivo destinado a la generación, transmisión, procesamiento o almacenamiento de señales digitales. También un sistema digital es una combinación de dispositivos diseñado para manipular cantidades físicas o información que estén representadas en forma digital; es decir, que sólo puedan tomar valores discretos.
La mayoría de las veces estos dispositivos son electrónicos, pero también pueden ser mecánicos, magnéticos o neumáticos.
Para el análisis y la síntesis de sistemas digitales binarios se utiliza como herramienta el álgebra de Boole.
Los sistemas digitales pueden ser de dos tipos:
• Sistemas digitales combinacionales: Son aquellos en los que la salida del sistema sólo depende de la entrada presente. Por lo tanto, no necesita módulos de memoria, ya que la salida no depende de entradas previas.
• Sistemas digitales secuenciales: La salida depende de la entrada actual y de las entradas anteriores. Esta clase de sistemas necesitan elementos de memoria que recojan la información de la 'historia pasada' del sistema.
Para la implementación de los circuitos digitales, se utilizan puertas lógicas (AND, OR y NOT) y transistores. Estas puertas siguen el comportamiento de algunas funciones booleanas.
Se dice que un sistema es analógico cuando las magnitudes de la señal se representan mediante variables continuas, esto es análogas a las magnitudes que dan lugar a la generación de esta señal. Un sistema analógico contiene dispositivos que manipulan cantidades físicas representadas en forma analógica. En un sistema de este tipo, las cantidades varían sobre un intervalo continuo de valores.
Así, una magnitud analógica es aquella que toma valores continuos. Una magnitud digital es aquella que toma un conjunto de valores discretos.
La mayoría de las cosas que se pueden medir cuantitativamente aparecen en la naturaleza en forma analógica. Un ejemplo de ello es la temperatura: a lo largo de un día la temperatura no varía entre, por ejemplo, 20°C o 25°C de forma instantánea, sino que alcanza todos los infinitos valores que entre ese intervalo. Otros ejemplos de magnitudes analógicas son el tiempo, la presión, la distancia, el sonido.
Señal
Analógica
Una
señal analógica es un voltaje o corriente que varía suavemente y continuamente.
Una onda senoidal es una señal analógica de una sola frecuencia. Los
voltajes de la voz y del vídeo son señales analógicas que varían de acuerdo con
el sonido o variaciones de la luz que corresponden a la información que se esta
transmitiendo.
Señal
Digital
Las señales digitales, en contraste con las señales analógicas, no varían en forma continua, sino que cambian en pasos o en incrementos discretos. La mayoría de las señales digitales utilizan códigos binarios o de dos estados.
Ventajas
de los Circuitos Digitales
La revolución electrónica ha estado vigente bastante tiempo; la revolución del "estado solido" comenzó con dispositivos analógicos y aplicaciones como los transistores y los radios transistorizados. Cabe preguntarse ¿por qué ha surgido ahora una revolución digital?
De hecho, existen muchas razones para dar preferencia a los circuitos digitales sobre los circuitos analógicos:
- Reproducibilidad de resultados.
Dado
el mismo conjunto de entradas (tanto en valor como en serie de tiempo),
cualquier circuito digital que hubiera sido diseñado en la forma adecuada,
siempre producirá exactamente los mismos resultados. Las salidas de un circuito
analógico varían con la temperatura, el voltaje de la fuente de alimentación,
la antigüedad de los componentes y otros factores.
- Facilidad de Diseño
El
diseño digital, a menudo denominado "diseño lógico", es lógico. No se
necesitan habilidades matemáticas especiales, y el comportamiento de los
pequeños circuitos lógicos puede visualizarse mentalmente sin tener alguna idea
especial acerca del funcionamiento de capacitores, transistores, u otros
dispositivos que requieren del cálculo para moderarse.
- Flexibilidad y Funcionalidad
Una
vez que un problema se ha reducido a su forma digital, podrá resolverse
utilizando un conjunto de pasos lógicos en el espacio y en el tiempo.
Por
ejemplo, se puede diseñar un circuito digital que mezcle o codifique su voz
grabada de manera que sea absolutamente indescifrable para cualquiera que no
tenga su "clave" (contraseña), pero esta podrá ser escuchada
virtualmente sin distorsión por cualquier persona que posea la clave. Intente
hacer lo mismo con un circuito analógico.
- Programabilidad
Usted
probablemente ya este familiarizado con las computadoras digitales y la
facilidad con la que se pueden diseñar, escribir, y depurar programas para las
mismas. Pues bien, ¿Adivine que? Una gran parte del diseño se lleva a cabo en
la actualidad al escribir programas, también, en los lenguajes de descripción
de Hardware (HDLs, por sus siglas en ingles).
Estos
lenguajes le permiten especificar o modelar tanto la estructura como la función
de un circuito digital. Además de incluir un compilador, un HDL típico también
tiene programas de simulación y síntesis. Estas herramientas de programación
(software) se utilizan para verificar el comportamiento del modelo de hardware
antes que sea construido, para posteriormente realizar la síntesis del modelo
en un circuito, aplicando una tecnología de componente en particular.
- Velocidad
Los
dispositivos digitales de la actualidad son muy veloces. Los transistores
individuales en los circuitos integrados mas rápidos pueden conmutarse en menos
de 10 picosegundos, un dispositivo completo y complejo construido a partir de
estos transistores puede examinar sus entradas y producir una salida en menos
de 2 nanosegundos. Esto significa que un dispositivo de esta naturaleza puede
producir 500 millones o mas resultados por segundo.
- Economía
Los
circuitos digitales pueden proporcionar mucha funcionalidad en un espacio
pequeño. Los circuitos que se emplean de manera repetitiva pueden integrarse en
un solo chip y fabricarse en masa a un coste muy bajo, haciendo posible la fabricación
de productos dechechables como son las calculadoras, relojes digitales, y
tarjetas musicales de felicitación (Usted podría preguntarse, "¿acaso
tales cosas son algo bueno?" ¡No Importa!)
- Avance tecnológico constante
Cuando
se diseña un sistema digital, casi siempre se sabe que habrá una tecnología más
rápida, más económica o en todo caso, una tecnología superior para el mismo caso
poco tiempo.
Los
diseñadores inteligentes pueden adaptar estos avances a futuro durante el
diseño inicial de un sistema, para anticiparse a la obsolescencia del sistema y
para ofrecer un valor agregado a los consumidores. Por ejemplo, las computadoras
portátiles a menudo tienen ranuras de expansión para adaptar procesadores más
rápidos o memorias más grandes que las que se encuentran disponibles en el
momento de su presentación en el mercado.
De
este modo, esto es suficiente para un matiz de mercadotecnia acerca del diseño
digital.
Ventajas
del procesado digital de señales frente al analógico
Existen muchas razones por las que el procesado digital de una señal analógica puede ser preferible al procesado de la señal directamente en el dominio analógico. Primero, un sistema digital programable permite flexibilidad a la hora de reconfigurar las operaciones de procesado digital de señales sin más que cambiar el programa. La reconfiguración de un sistema analógico implica habitualmente el rediseño del hardware, seguido de la comprobación y verificación para ver que opera correctamente.
También desempeña un papel importante al elegir el formato del procesador de señales la consideración de la presión. Las tolerancias en los componentes de los circuitos analógicos hacen que para el diseño del sistema sea extremadamente difícil controlar la presión de un sistema de procesado analógico de señales.
En cambio, un sistema digital permite un mejor control de los requisitos de precisión. Tales requisitos, a su vez, resultan en la especificación de requerimientos en la precisión del conversor A/D y del procesador digital de señales, en términos de longitud de palabra, aritmética de coma flotante frente a coma fija y factores similares.
Las señales digitales almacenan fácilmente en soporte magnético (cinta o disco) sin deterioro o pérdida en la fidelidad de la señal, aparte de la introducida en la conversión A/D. Como consecuencia, las señales se hacen transportables y pueden procesarse en tiempo no real en un laboratorio remoto.
El método de procesado digital de señales también posibilita la implementación de algoritmos de procesado de señal mas sofisticados. Generalmente es muy difícil realizar operaciones matemáticas precisas sobre señales en formato analógico, pero esas mismas operaciones pueden efectuarse de modo rutinario sobre un ordenador digital utilizando software.
En algunos casos, la implementación digital del sistema de procesado de señales es mas barato que su equivalencia analógica. El menos coste se debe a que el hardware digital es mas barato o, quizás, es el resultado de la flexibilidad ante modificaciones que permiten la implementación digital.
Como consecuencia de esas ventajas, el procesado digital de señales se ha aplicado a sistemas prácticos que cubren un amplio rango de disciplinas.
Citamos, por ejemplo, la aplicación de técnicas de procesado digital de señales al procesado de voz y transmisión de señales en canales telefónicos, en procesado y transmisión de imágenes, en sismología y geofísica, en prospección petrolífera, en la detección de explosiones nucleares, en el procesado de señales recibidas del espacio exterior, y en una enorme variedad de aplicaciones.
Sin embargo, como ya se ha indicado, la implementación digital tiene sus limitaciones. Una limitación practica es la velocidad de operación de los conversores A/D y de los procesadores digitales de señales. Veremos que las señales con anchos de banda extremadamente grandes precisan conversores A/D con una velocidad de muestreo alta y procesadores digitales de señales rápidos. Así, existen señales analógicas con grandes anchos de banda para las que la solución mediante procesado digital de señales se encuentra mas allá del “estado del arte” del hardware digital.
Ejemplos de aquellos sistemas analógicos
que ahora se han vuelto digitales.
- Fotografías
La mayoría de
las cámaras todavía hacen uso de películas que tienen un recubrimiento de
haluros de plata para grabar imágenes. Sin embargo, el incremento en la
densidad de los microcircuitos o “chips” de memoria digital ha permitido el
desarrollo de cámaras digitales que graban una imagen como una matriz de 640 X 480,
o incluso arreglos mas extensos de pixeles donde cada pixel almacena las
intensidades de sus componentes de color rojo, verde y azul de 8 bits cada uno.
Esta gran
cantidad de datos, alrededor de siete millones de bits en este ejemplo puede
ser procesada y comprimida en un formato denominado JPEG y reducirse a un tamaño
tan pequeño como el equivalente al 5% del tamaño original de almacenamiento
dependiendo la cantidad de detalle de la imagen. De este modo las cámaras
digitales dependen tanto el almacenamiento como del procesado digital.
Antes
Ahora
- Grabaciones de Video
Un disco versátil
digital de múltiples usos (DVD por las siglas de digital versatile disc)
almacena video en un formato digital altamente comprimido denominado MPEG-2.
Este estándar codifica una pequeña fracción de los cuadros individuales de
video en un formato comprimido semejante al JPEG y codifica cada uno de los
otros cuadros como la diferencia entre este y el anterior.
La capacidad de
un DVD de una sola capa y un solo lado es de aproximadamente 35 mil millones de
bits suficiente para grabar casi 2 horas de video de alta calidad y un disco de
doble capa y doble lado tiene 4 veces esta capacidad.
- Grabaciones de Audio
Alguna vez se
fabricaron exclusivamente mediante la impresión de formas de onda analógicas sobre
cinta magnética o un acetato (LP), las grabaciones de audio utilizan en la
actualidad de manera ordinaria discos compactos digitales (CD Compact Disc). Un
CD almacena la música como una serie de números
de 16 bits que corresponden a muestras de la forma de onda analógica original
se realiza una muestra por canal estereofónico cada 22.7 microsegundos. Una grabación
en CD a toda su capacidad (73 minutos) contiene hasta seis mil millones de bits
de información.
- Carburadores de Automóviles
Alguna vez
controlados estrictamente por conexiones mecánicas (incluyendo dispositivos mecánicos
“analógicos” inteligentes que monitorean la temperatura, presión. etc.), en la
actualidad los motores de los automóviles están controlados por
microprocesadores integrados.
Diversos sensores
electrónicos y electromecánicos convierten las condiciones de la maquina en números
que el microprocesador puede examinar para determinar como controlar el flujo de
gasolina y oxigeno hacia el motor. La salida del microprocesador es una serie
de números variante en el tiempo que activa a transductores electromecánicas que
a su vez controlan la maquina.
- El Sistema Telefónico
Comenzó hace
un siglo con micrófonos y receptores analógicos que se conectaban en los
extremos de un par de alambres de cobre(o ¿era una cuerda?). Incluso en la
actualidad en la mayor parte de los hogares todavía se emplean teléfonos analógicos
los cuales transmiten señales analógicas hacia la oficina central (CO) de la compañía
telefónica. No obstante en la mayoría de las oficinas centrales estas señales analógicas
se convierten a un formato digital antes que sean enviados a sus destinos, ya
sea que se encuentren en la misma oficina central o en cualquier punto del
planeta.
Durante muchos
años los sistemas telefónicos de conmutación privados (PBX, Private Branch
Exchanges) que se utilizan en los negocios han transportado el formato digital
todo el camino hacia los escritorios. En la actualidad muchos negocios,
oficinas centrales y los proveedores tradicionales de servicios telefónicos están
cambiando a sistemas integrados que combinan la voz digital de datos sobre la
red de Protocolo de Internet IP (por la siglas en ingles de Protocolo de Internet).
- Semáforos
Para controlar
los semáforos se utilizaban temporizadores electromecánicos que habilitaban la
luz verde para cada una de las direcciones de circulación durante un intervalo
predeterminado de tiempo. Posteriormente se utilizaron relevadores en módulos
controladores que podían activar los semáforos de acuerdo con el patrón del tráfico
detectado mediante sensores que se incrustan en el pavimento. Los controladores
de hoy en día hacen uso de microprocesadores y pueden controlar los semáforos de
modo que maximicen el flujo vehicular, o como sucede en algunas ciudades de
California, sean un motivo de frustración para los automovilistas en un sinnúmero
de creativas maneras.
- Efectos Cinematográficos
Los efectos
especiales creados exclusivamente para ser utilizados con modelos
miniaturizados de arcilla, escenas de acción, trucos de fotografía y numerosos
traslapes de película cuadro por cuadro.
En la
actualidad naves espaciales, insectos, otras escenas mundanas e incluso bebés (En
la producción animada de Pixar, Tin Toy) se sintetizan por completo haciendo
uso de computadores digitales. ¿Podrán algún día ya no ser necesarios ni los
dobles cinematográficos femeninos o masculinos?
Ejemplo
de un Sistema Electrónico Analógico
Un ejemplo de
sistema electrónico analógico es el altavoz, que se emplea para ampliar el
sonido de forma que este sea oído por una gran audiencia. Las ondas de sonido
que son analógicas en su origen, son capturadas por un micrófono y convertidas
en una pequeña variación analógica de tensión denominada señal de audio. Esta tensión
varia de manera continúa a medida que cambia el volumen y la frecuencia del
sonido y se aplica a la entrada de un amplificador lineal.
La salida del amplificador, que
es la tensión de entrada amplificada, se introduce en el altavoz. Este convierte,
de nuevo, la señal de audio amplificada en ondas sonoras con un volumen mucho
mayor que el sonido original captado por el micrófono.
Sistemas que utilizan metodos Digitales y Analogicos
Existen sistemas que utilizan metodos digitales y analogicos, uno de ellos es el reproductor de disco compacto (CD). La musica en forma digital se almacena en el CD. Un sistema optico de diodos laser lee los datos digitales del disco cuando este gira y los transfiere al convertidor digital-analogico (DAC, Digital-To-Analog Converter). El DAC transforma los datos digitales en una señal analogica que es la reproduccion electrica de la musica origianl. Esta señal se amplifica y se envia al altavoz. Cuando la musica se grabo en el CD se utilizo un proceso que, esencialmente, era el inverso al descrito, y que utilliza un convertidor analogico digital (ADC, Analog-To-Digital Converter).
