Indice:
1.- Sonido digital, ¿qué es?
2.- Videoprácticas: Tarjeta capturadora Audio Control 1 y grabadores digitales Marantz PDM y 660 e iKey Plus.
3.- Sonido digital, lo que también debes saber.
4.- Conclusión.
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1.- Sonido digital, ¿qué es?
El sonido se genera por la variación de presión en un medio (aire usualmente), por lo tanto es analógico, los equipos actuales trabajan de forma digital (ceros y unos), lo que obliga a traducir esta variación analógica (infinitos valores en el tiempo) a valores digitales, a estos datos digitales es a lo que se le llama sonido digital.
Los equipos que trabajan con sonido digital poseen un conversor A/D (Analógico/Digital) que convierte la señal analógica a digital, este proceso requiere de tres pasos: muestreo, cuantificación y codificación.
Muestreador: Toma muestras de la señal analógica (señal en tiempo discreto), se debe cumplir que :
| Fm > 2 * BW (Teorema Nyquiest) |
Fm : Frecuencia de muestreo (Hz).
BW (Band Width): Ancho de banda de la señal a muestrear
Como ejemplo, el sonido grabado en un CD está muestreado a 44100 Hz, como el ancho de banda comúnmente adoptado para la música es de 20 a 20000 Hz, se cumple el teorema de Nyquiest. Hacer que se cumpla el teorema de Nyquiest en demasía (sobremuestreo) NO aumenta la calidad de la señal, sólo aumenta la cantidad de datos generados. Como referencia las frecuencias de muestreo más usadas por las capturadoras de audio son 32KHz, 44,1KHz, 48KHz, 96 KHz, y 192,4 KHz.
Cuando la frecuencia de muestreo es inferior a la necesaria se produce la distorsión por aliasing, que impide recuperar fielmente la señal muestreada.
Cuantificador: Cada muestra obtenida se hace corresponder con un valor (señal cuantificada). El número de valores posibles depende del número de bit del conversor (resolución).
Por ejemplo, el sonido grabado en un CD utiliza un conversor A/D de 16 bits, lo que proporciona 216 = 65536 valores posibles para la cuantificación. Cuantos más valores se dispongan más precisa será la cuantificación, lo que reducirá el error de cuantificación.
Codificador: A cada valor cuantificado se le asigna un código binario; por ejemplo el sonido con calidad CD usa palabras binarias de 16 bits.
El flujo de datos binarios obtenidos en esta primera fase de codificación es muy elevado, es el denominado formato PCM o sin compresión, este formato es utilizado en la grabación de CDs, como ejemplo, una hora de música a 44,1 Khz y 16 bit ocupa unos 700 MB.
Cuando el destino del sonido digital no requiere la máxima calidad, se aplica una segunda codificación que reduce el tamaño a consta de la calidad, un ejemplo es el formato mp3, donde se obtienen reducciones de 7 ó 10 a 1 respecto al PCM, con una calidad aceptable (192 y 128 kbps).
Tras operar con los datos binarios, los equipos de sonido digital los transforman en una señal analógica, de esto se encarga el conversor D/A (Digital / Analógico), para finalmente, tras su amplificación, aplicarla a un altavoz que emitirá el sonido.
2.- Videopráctica: Tarjetas capturadoras de sonido.
VIDEO 1: Funciones y puesta en funcionamiento de una capturadora de sonido Audio control 1:
VIDEO 2: Funciones y puesta en funcionamiento de un grabador digital Marantz PMD 660:
VIDEO 3: Funciones y puesta en funcionamiento de un grabador digital de sonido iKEY PLUS:
3.- Sonido digital, lo que también debes saber.
En la siguiente figura podemos observar, de forma genérica, los bloques de un equipo de sonido digital.
Filtro antialiasing: Evita que se tomen muestras de señales de frecuencias superiores al ancho de banda deseado, esto elimina la distorsión por aliasing. La frecuencia de corte de este filtro depende de la frecuencia de muestreo, en el caso típico de equipos de CD-Audio, como la frecuencia de muestreo es 44100 Hz, se establece la frecuencia de corte en 20000Hz, un 10% aproximadamente menos que la frecuencia crítica (22500Hz), esto se hace así debido a que los filtros no son perfectos y tienen un pendiente de caída determinada tras su frecuencia de corte.
Filtro de reconstrucción: Asegura que la señal analógica de salida no contenga componentes de frecuencia superiores a la de la frecuencia máxima de trabajo.
Soluciones a problemas del sonido digital.
Distorsión por Aliasing.
Solución: Muestrear a más del doble de la frecuencia máxima de la señal. Esta frecuencia se establece en el software de grabación utilizado o mediante el menú de configuración en los equipos. Lo más usual es muestrear a 44100 Hz, esta frecuencia la aceptan todas las capturadoras.
Error de cuantificación.
Se pretende conseguir que el ruido generado por este error será inapreciable, para ello su nivel debe ser menor que el ruido de la señal analógica a muestrear.
Solución: Aumentar el nº de bits del cuantificador. En las tarjetas capturadoras se puede ajustar con el software de grabación, en los equipos dedicados normalmente no. Lo normal es trabajar a 16 bits y con un frecuencia de muestreo de 44100 Hz, con lo que se obtiene una relación S/N (Señal/Ruido) de 98,08 dB, superior a la relación S/N de la mayoría de las señales analógicas.
La ecuación que define la relación S/N a partir de los bits del conversor A/D es :
| S/N(dB) = 20 log 2n + 1,76 |
n = número de bits del cuantificador del conversor A/D
Saturación o clipping
Aparece cuando el nivel de la señal analógica de entrada es superior a la tensión de fondo de escala del convertidor A/D, esto genera un recorte de la señal por su parte superior. Esta distorsión se puede ver fácilmente con programas de edición de audio, como por ejemplo Adobe Audition o Audacity (gratuito), sólo hay que hacer zoom en un tramo dónde se aprecie que el nivel es excesivo, veremos las muestras tomadas y la imagen se parecerá a la de la figura siguiente.
Solución: Ajustar el nivel de entrada de grabación para que no se alcance el nivel de CLIP (0 dB usualmente).
Ejemplo de equipo de sonido digital
En la siguiente figura se aprecian los bloques de una capturadora de sonido Audio Control 1, como la utilizada en la videopráctica.
Contiene un conversor A/D y dos conversores D/A, uno para cada dos salidas, también se aprecia como el circuito para monitoreo puentea los conversores.
En la siguiente tabla vemos como el fabricante describe las características técnicas de esta capturadora.
Es de destacar las siguientes siguientes características de esta capturadora:
- Alta frecuencia de muestreo, dentro del ámbito profesional: 44.1, 48, 96 y 192 KHz
- Alta resolución de los convertidores: 16 y 24 bits
- Relación S/N buena: 100 dB
- Bajo ruido en la entrada de micrófono : -128 dBu
4.- Conclusión
A la hora de elegir un equipo de sonido digital debemos revisar las características de los conversores que posee. Algunos equipos de baja calidad poseen un conversor A/D de menos bits que el conversor D/A, publicitando que el equipo posee una resolución que se hace corresponder con los bits del convertidor D/A. Un equipo de calidad tiene la misma resolución en sus dos conversores.
La relación S/N es una característica que no se nos debe despistar, hay que exigir un mínimo de 95 dB, en caso contrario el equipo aplicará más ruido que el propio de la señal que manejamos.
Aunque dispongamos de una capturadora como la mostrada en este artículo, no conseguimos más calidad de sonido al sobremuestrear una señal, es decir, al sobrepasar el teorema de Nyquiest, sólo sobredimensionados el archivo obtenido, tampoco obtendremos más calidad aumentando la resolución de bits, si la señal analógica tiene una relación S/N inferior a la que nos proporciona la resolución adoptada.
Bueno, espero que esta pequeña incursión en los conceptos básicos del sonido digital os sea de utilidad.
Un Saludo.
