Distorsión por error de cuantización

Published On Oct-05-2017

Transcripción

En la lección anterior estudiamos cómo los errores de cuantización tienen un efecto en la señal, el cual puede considerarse ruido. Sin embargo, existen circunstancias en las que el error de cuantización tendrá un efecto diferente en la señal, con consecuencias potencialmente más serias.

Pues bien, cuando el nivel global de la señal de entrada es bajo, el error de cuantización no será aleatorio, sino que será una función del nivel de la señal de entrada. En este punto, el efecto en la señal de salida deja de ser ruido y se vuelve distorsión.

Existe una manera simplificada de ver esto. Cuando la señal de entrada tiene un nivel alto, el cual aprovecha todo el rango de cuantización del sistema digital, será necesario hacer un “zoom out” para ver toda la forma de onda. Al hacerlo, la forma de escalera de la onda parecerá ser una pendiente continua. Por el contrario, cuanto menor sea el nivel de la señal de entrada, menor la porción del rango de cuantización que esta aprovecha y más significativo se vuelve el error de cuantización.

La función de transferencia del error de cuantización es no lineal, por lo que se produce distorsión. Como sabemos, la distorsión consiste en la modificación de la forma de onda original, lo cual genera nuevo contenido armónico. Estos nuevos armónicos son especialmente problemáticos cuando son producto del error de cuantización, ya que se agregan a la señal después del filtro anti-alias. De esta manera, cualquier armónico que supere la mitad de la frecuencia de muestreo producirá aliasing.

El resultado de este aliasing serán nuevos armónicos dentro del rango audible, aunque inexistentes en la señal original, llamados birdsinging. La distorsión en este caso no es armónica. Por el contrario, cuando la frecuencia de muestreo es un múltiplo de la frecuencia de la señal de entrada, se dará distorsión armónica. Cuando la señal de entrada consiste en una señal compleja, no una onda sinusoidal, se producirá distorsión de intermodulación, intermodulation distortion o granulation.

Si continuásemos reduciendo el nivel de la señal de entrada, hasta que su amplitud se mantenga dentro del mismo intervalo de cuantización, la señal de salida será silencio, ya que únicamente está compuesta por el ruido producto del error de cuantización. Las señales de baja frecuencia como el hum de corriente AC tienen la capacidad de hacer que la señal de entrada se ubique, por momentos, fuera del mismo intervalo de cuantización. El resultado será un ruido que aparece únicamente por momentos. Decimos que hay modulación del ruido o noise modulation.

Todos estos errores tienen la capacidad de hacer que un cuantizador sea inapropiado para aplicaciones de alta fidelidad, como lo es el audio profesional. Sin embargo, estas deficiencias pueden ser eliminadas por completo en los equipos reales, si se aplica un dither apropiado. A continuación, estudiaremos este concepto detalladamente.

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