Compresión y expansión

En telecomunicaciones y procesamiento de señales , la compresión-expansión (o expansión ) es un método para mitigar los efectos negativos de un canal con rango dinámico limitado . Su nombre es una combinación de las palabras "comprimir " y "expandir", que son las funciones de un compresor-expansor en los extremos transmisor y receptor, respectivamente. El uso de la compresión-expansión permite transmitir señales con un amplio rango dinámico a través de sistemas con menor capacidad de rango dinámico. Se emplea en telefonía y otras aplicaciones de audio, como micrófonos inalámbricos profesionales y grabación analógica .

El rango dinámico de una señal se comprime antes de la transmisión y se expande al valor original en el receptor. El circuito electrónico que realiza esta función se denomina compresor-expansor y funciona comprimiendo o expandiendo el rango dinámico de una señal electrónica analógica, como el sonido grabado por un micrófono. Una variante consiste en un conjunto de tres amplificadores: un amplificador logarítmico , seguido de un amplificador lineal de ganancia variable y, finalmente, un amplificador exponencial. Este conjunto tiene la propiedad de que su voltaje de salida es proporcional al voltaje de entrada elevado a una potencia ajustable .

La cuantización comprimida es la combinación de tres bloques funcionales: un compresor de rango dinámico de señal (en dominio continuo) , un cuantizador uniforme de rango limitado y un expansor de rango dinámico de señal (en dominio continuo) que invierte la función del compresor. Este tipo de cuantización se utiliza frecuentemente en sistemas de telefonía. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

En la práctica, los compresores-expansores están diseñados para funcionar según funciones de compresión de rango dinámico relativamente sencillas, adecuadas para su implementación como circuitos electrónicos analógicos simples. Las dos funciones de compresor-expansor más populares en telecomunicaciones son las de ley A y ley μ .

La compresión-expansión se utiliza en sistemas de telefonía digital, comprimiendo antes de la entrada a un convertidor analógico-digital y expandiendo después de un convertidor digital-analógico . Esto equivale a usar un convertidor analógico-digital no lineal, como en un sistema telefónico de portadora T que implementa compresión-expansión de ley A o ley μ . Este método también se utiliza en formatos de archivos digitales para obtener una mejor relación señal-ruido (SNR) con menor profundidad de bits. Por ejemplo, una señal PCM de 16 bits codificada linealmente se puede convertir a un archivo WAV o AU de 8 bits manteniendo una SNR aceptable mediante la compresión antes de la transición a 8 bits y la expansión después de la conversión de vuelta a 16 bits. Esto es, en efecto, una forma de compresión de datos de audio con pérdida .

Los micrófonos inalámbricos profesionales hacen esto porque el rango dinámico de la señal de audio del micrófono es mayor que el rango dinámico que proporciona la transmisión por radio. La compresión y expansión también reduce los niveles de ruido y diafonía en el receptor. ^{[ 3 ]}

Los compresores-expansores se utilizan en sistemas de audio para conciertos y en algunos sistemas de reducción de ruido .

El uso de la compresión en un sistema de transmisión de imágenes analógicas fue patentado por AB Clark de AT&T en 1928 (solicitud presentada en 1925): ^{[ 4 ]}

En la transmisión de imágenes por corrientes eléctricas, el método consiste en enviar corrientes que varían de forma no lineal con los valores de luz de los elementos sucesivos de la imagen que se va a transmitir, y en el extremo receptor exponer los elementos correspondientes de una superficie sensible a una luz que varía de forma inversamente no lineal con la corriente recibida.

En 1942, Clark y su equipo completaron el sistema de transmisión de voz segura SIGSALY que incluía el primer uso de compresión y expansión en un sistema PCM (digital). ^{[ 5 ]}

En 1953, B. Smith demostró que un DAC no lineal podía complementarse con la no linealidad inversa en una configuración ADC de aproximación sucesiva , simplificando el diseño de sistemas de compresión digital. ^{[ 6 ]}

En 1970, H. Kaneko desarrolló la descripción uniforme de las leyes de compresión por segmentos (lineales por partes) que para entonces ya se habían adoptado en la telefonía digital. ^{[ 7 ]}

En las décadas de 1980 y 1990, muchos fabricantes de equipos musicales ( Roland , Yamaha , Korg ) utilizaron la compresión de datos (companding) para comprimir los datos de forma de onda de la biblioteca en sus sintetizadores digitales . Sin embargo, se desconocen los algoritmos exactos, e incluso si alguno de los fabricantes llegó a utilizar el esquema de compresión descrito en este artículo. Lo único que se sabe es que los fabricantes sí utilizaron compresión de datos ^{[ 8 ]} en el período mencionado y que algunas personas se refieren a ella como compresión de datos , cuando en realidad podría significar otra cosa, por ejemplo, compresión y expansión de datos ^{[ 9 ]} . Esto se remonta a finales de los años 80, cuando los chips de memoria solían ser uno de los componentes más costosos del instrumento. Los fabricantes solían indicar la cantidad de memoria en su forma comprimida: por ejemplo, 24 MB de ROM de forma de onda física en un Korg Trinity equivalen en realidad a 48 MB sin comprimir. De manera similar, las tarjetas de expansión Roland SR-JV se anunciaban habitualmente como tarjetas de 8 MB con un "contenido equivalente a 16 MB". La copia descuidada de esta información técnica, omitiendo la referencia de equivalencia , puede causar confusión.

• Compresión y expansión: leyes logarítmicas, implementación y consecuencias
• Implementación de compresor-expansor en lenguaje C para microcontroladores (código abierto)