Sistemas digitales de TX-RX por radiofrecuencia

[Este artículo concluye la serie de tutoriales de radiofrecuencia]

Los sistemas inalámbricos digitales utilizan algoritmos propietarios para codificar audio digital en un formato analógico. Son capaces de transmitir con robustez sobre enlaces de radio en FM analógico, siendo inmunes a ruidos de transmisión. La transmisión por RF, eso sí, se mantiene en el dominio analógico.

Se los denomina también sistemas híbridos, porque operan con la señal de audio en formato analógico y digital dependiendo del bloque que atraviese la señal.

Los sistemas inalámbricos digitales (micrófonos o monitores in-ear) realizan conversiones analógico/digital y digital/analógico de la señal de audio, contando por ello con una mayor fidelidad de la misma, que presenta varias ventajas en cuanto a calidad se refiere:

• Respuesta en frecuencia más plana, y con más ancho de banda.
• Rango dinámico superior y mejor relación señal-ruido
• Menos artefactos audibles procedentes del procesado “companding”

No necesitan los procesos de companding ni pre-énfasis/de-énfasis, lo que mejora la calidad de la señal de audio en todo el proceso de transmisión-recepción. Utilizan el ancho de banda de audio completo, de 35 Hz a 22 kHz.

El ancho de banda necesario para una transmisión digital inalámbrica de alta calidad depende de la cantidad de información digital transmitida, y de la tasa de transmisión. En la práctica, el ancho de banda está limitado física y legalmente, y esto restringe la cantidad total de información a transmitir.

En los sistemas de transmisión de audio digital se requiere un ancho de banda que sea al menos equivalente a una señal del bit rate de la señal de audio digital original a transmitir. Por ejemplo, el bit rate de audio digital en calidad CD es de 16 bits x 44.1 kHz = 705.6 kbps (bits por segundo). Hay sistemas de más calidad, trabajando a 24 bits y 48 kHz; estos cuentan con un bit rate de 24 bits x 48 kHz = 1152 kbps.

Por tanto, para transmitir audio digital en calidad CD se necesita un ancho de banda de 705.6 kHz, y para transmitir audio digital de alta calidad se necesita un ancho de banda de 1152 kHz. Teniendo en cuenta las limitaciones legales de transmisión, es completamente inviable, e ilegal, transmitir estas señales. La forma de hacer posible la transmisión de tal cantidad de información es someter al flujo de datos resultante a un proceso de compresión hasta ajustarlo al ancho de banda permisible de 200 kHz.

En efecto, en los sistemas inalámbricos digitales es necesario adaptar los datos transmitidos a los límites del ancho de banda utilizando técnicas de compresión y codificación de datos. Estas se basan en los conocidos códigos de canal, que implican un proceso de codificación de los datos en el transmisor y, un proceso complementario de decodificación de la información transmitida en el receptor. Este proceso es conceptualmente similar al compandig que se realiza en los sistemas analógicos, con la salvedad de que aquí es llevado a cabo en el dominio digital. Bien implementado, el audio resultante puede tener las ventajas en cuanto a calidad mencionadas anteriormente: mayor respuesta en frecuencia (más ancho de banda), mayor margen dinámico (mejor relación señal-ruido) y menos artefactos audibles que en los sistemas tradicionales analógicos. Además, el esquema de transmisión digital puede ofrecer alguna mejora en el rendimiento de radiofrecuencia, así como la posibilidad de encriptado de datos.

El nivel más alto de implementación digital utiliza un camino de transmisión completamente digital. La señal de audio de entrada se digitaliza en el transmisor y permanece en el dominio digital hasta la salida del receptor, que últimamente se viene realizando mediante el protocolo de audio digital en red Dante.

Existen niveles “intermedios” de digitalización en la microfonía inalámbrica, en los que la transmisión se realiza en el dominio analógico, mediante portadoras analógicas (FM) o digitales (FSK o PSK). También existen sistemas que realizan una modulación completamente analógica devolviendo la señal al dominio analógico justo antes de este proceso, de modo que todo el procesado de la señal de audio se lleva a cabo en el dominio digital, y todo el procesado de la señal de radiofrecuencia se lleva a cabo en el dominio analógico.

El método básico de transmisión de datos digitales en una señal de radiofrecuencia implica la modulación de la portadora en pasos discretos, un proceso llamado "shift keying". Se puede hacer mediante variaciones en el valor de la frecuencia (Keying de cambio de frecuencia o FSK), o en el de la amplitud (Amplitude Shift Keying o ASK), o en de la fase (Phase Shift Keying o PSK). Se trata de modulaciones digitales con portadora analógica, es decir que la transmisión de la información digital (señal moduladora) se realiza mediante un medio analógico (señal portadora o modulada). La modulación que se utiliza normalmente es del tipo FSK o PSK.

Para reducir la velocidad de datos digitales a transmitir, es decir, el ancho de banda a utilizar, es necesario llevar a cabo algún tipo de compresión de datos. Existen de dos tipos, sin pérdidas y con pérdidas. Los primeros reducen el flujo de datos mediante la codificación de datos en formas más cortas y, los segundos obtienen menos tasas de reducción de datos a cambio de restaurar exactamente el flujo de datos original. Cada códec implica una solución de compromiso entre el grado de compresión de datos alcanzado, la calidad de audio y tiempo de procesamiento (latencia).

Los codecs utilizados dividen el ancho de banda audible en varias subbandas, procesando cada una de ellas de forma independiente utilizando diferentes ratios de compresión en función de las necesidades de cada señal de audio particular. El flujo de datos resultante de este proceso modulará la salida del transmisor, normalmente mediante modulación de tipo FSK o PSK. En el receptor se restaura la señal correspondiente a cada subbanda hasta conformar la señal de audio completa original.
Debido a que la información que se transmite está codificada digitalmente, la inmunidad al ruido es mucho mayor de lo que un sistema analógico puro puede conseguir.

Los sistemas digitales presentan una mayor eficiencia espectral, debido a que pueden gestionar más sistemas simultáneamente en el mismo ancho de banda.
En ellos hay que considerar la latencia que introducen los conversores A/D, D/A, los DSPs y los codecs. En los sistemas de directo es necesario mantener la latencia en valores inferiores a 5 mseg.

En general, los sistemas digitales presentan las ventajas implícitas al audio digital, como son la restauración de la información en caso de pérdida parcial, la compresión y la codificación para ocupar menos espacio en la transmisión a cambio de perder algo de calidad en la señal de audio, y la posibilidad de encriptación de la información.

Transmisor digital

El diagrama de bloques de este transmisor digital cuenta con una entrada de señal analógica que ataca a un preamplificador donde se realizan los mismos ajustes de ganancia e impedancia de entrada que se llevaban a cabo en un receptor analógico.

El siguiente bloque que se observa es un conversor analógico digital A/D, donde se transforma la señal analógica al dominio digital. A continuación se encuentra el bloque de procesado, conocido como DSP (Digital Signal Processor). En esta parte se realiza la compresión de datos y la codificación en subbandas para adaptar la señal de audio digital a las limitaciones impuestas por el sistema de transmisión.

A continuación se produce la conversión digital a analógico, para proceder a la modulación de la señal de audio en el dominio analógico para prepararla para la transmisión que se sigue realizando en el dominio analógico también.

Finalmente, un amplificador de radiofrecuencia proporciona la potencia de transmisión necesaria, legalmente establecida entre 10 y 50 mw.

Receptor digital

El diagrama de bloques de un receptor digital cuenta con un primer bloque conocido como Front End. Aquí se realiza el filtrado, dejando pasar sólo la banda donde se encuentre la frecuencia sintonizada.

El siguiente bloque está formado por un oscilador y un mezclador, que rebajarán la frecuencia de sintonización al valor de frecuencia intermedia. Ahí se la somete a la amplificación necesaria para poder realizar la demodulación de la señal extrayendo la señal de audiofrecuencia para tratar de restaurarla a su estado original.

A continuación se encuentra el conversor analógico digital A/D que transforma la señal recibida al dominio digital, codificándola en subbandas y sometiéndola al procesado complementario al que ya se la sometió en el equipo transmisor. Además realizará procesos inherentes al audio digital, como pueden ser corrección de errores, restauración de la base de tiempos para sincronización, y desencriptación de la señal siempre y cuando resulte necesario.

Finalmente, se encuentra el conversor digital analógico que realizará el procesado complementario para restaurar la señal de audio analógica original. Una vez de vuelta al dominio analógico se encuentra el amplificador final de la salida del sistema, que ajustará la salida de audio al nivel requerido.

En estos casos, únicamente el procesado de la señal —es decir, las operaciones equivalentes a los procesos de companding y pre-énfasis y de-énfasis que se llevan a cabo en los equipos analógicos— es lo que se realiza en el dominio digital de la señal.