Compansión

Una señal antes (top) y después de μ-law compresión (bottom)

En telecomunicaciones y procesamiento de señales, la compansión (ocasionalmente denominada compañía) es un método para mitigar los efectos perjudiciales de un canal con un rango dinámico limitado. El nombre es un acrónimo de las palabras compresión y expansión, que son las funciones de un compander en el extremo de transmisión y recepción, respectivamente. El uso de compansión permite que las señales con un gran rango dinámico se transmitan a través de instalaciones que tienen una menor capacidad de rango dinámico. Companding se emplea en telefonía y otras aplicaciones de audio, como micrófonos inalámbricos profesionales y grabación analógica.

Cómo funciona

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 hace esto se llama compander y funciona comprimiendo o expandiendo el rango dinámico de una señal electrónica analógica como el sonido grabado por un micrófono. Una variedad es un triplete de amplificadores: un amplificador logarítmico, seguido de un amplificador lineal de ganancia variable y un amplificador exponencial. Tal triplete tiene la propiedad de que su voltaje de salida es proporcional al voltaje de entrada elevado a una potencia ajustable.

La cuantificación combinada es la combinación de tres componentes básicos funcionales, a saber, un compresor de rango dinámico de señal (de dominio continuo), un cuantificador uniforme de rango limitado y una señal dinámica (de dominio continuo) range expansor que invierte la función del compresor. Este tipo de cuantificación se utiliza con frecuencia en los sistemas de telefonía.

En la práctica, los compansores están diseñados para operar de acuerdo con funciones de compresor de rango dinámico relativamente simples que están diseñadas para ser adecuadas para la implementación utilizando circuitos electrónicos analógicos simples. Las dos funciones de compander más populares utilizadas para las telecomunicaciones son las funciones de ley A y ley μ.

Aplicaciones

La compresión se utiliza en sistemas de telefonía digital, comprimiendo antes de la entrada a un convertidor de analógico a digital y luego expandiendo después de un convertidor de digital a analógico. Esto es equivalente a usar un ADC no lineal como en un sistema telefónico de portadora T que implementa la compresión-expansión de ley A o ley μ. Este método también se usa en formatos de archivos digitales para una mejor relación señal-ruido (SNR) a profundidades de bits más bajas. Por ejemplo, una señal PCM de 16 bits codificada linealmente se puede convertir en un archivo WAV o AU de 8 bits manteniendo una SNR decente al comprimir antes de la transición a 8 bits y expandirla después de la conversión a 16 bits. Esta es efectivamente una forma de compresión de datos de audio con pérdida.

Los micrófonos inalámbricos profesionales hacen esto ya que el rango dinámico de la señal de audio del micrófono en sí es mayor que el rango dinámico proporcionado por la transmisión de radio. La compansión también reduce los niveles de ruido y diafonía en el receptor.

Los compansores se utilizan en sistemas de audio para conciertos y en algunos esquemas de reducción de ruido.

Historia

El uso de compansión en un sistema de transmisión de imágenes analógicas fue patentado por A. B. Clark de AT&T en 1928 (presentado en 1925):

En la transmisión de imágenes por corrientes eléctricas, el método que consiste en enviar corrientes varió en una relación no lineal con los valores de luz de los elementos sucesivos de la imagen a transmitir, y en el extremo receptor exponiendo los elementos correspondientes de una superficie sensible a la luz variaban en inversa relación no lineal con la corriente recibida.

—A. B. Clark patent

En 1942, Clark y su equipo completaron el sistema seguro de transmisión de voz SIGSALY que incluía el primer uso de compansión en un sistema PCM (digital).

En 1953, B. Smith demostró que un DAC no lineal podía complementarse con la no linealidad inversa en una configuración de ADC de aproximación sucesiva, lo que simplificaba el diseño de sistemas de compresión digital.

En 1970, H. Kaneko desarrolló la descripción uniforme de las leyes de compresión-compresión de segmentos (lineales por partes) que ya se habían adoptado en la telefonía digital.

En los años 80 (y 90), muchos de los fabricantes de equipos de música (Roland, Yamaha, Korg) usaban la compresión comprimida al comprimir los datos de forma de onda de la biblioteca en sus sintetizadores digitales. Lamentablemente, no se conocen los algoritmos exactos, ni si alguno de los fabricantes utilizó alguna vez el esquema Companding que se describe en este artículo. Lo único que se sabe es que los fabricantes utilizaron la compresión de datos en el período de tiempo mencionado y que algunas personas se refieren a ella como "companding" mientras que en realidad podría significar algo más, por ejemplo, compresión y expansión de datos. 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 suelen citar la cantidad de memoria en su forma comprimida: es decir, 24 MB de ROM de forma de onda física en un Korg Trinity son en realidad 48 MB sin comprimir. Del mismo modo, las placas de expansión Roland SR-JV generalmente se anunciaban como placas de 8 MB con 'contenido equivalente a 16 MB'. La copia descuidada de esta información técnica, omitiendo la "equivalencia" referencia, a menudo puede causar confusión.