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Cómo se digitaliza la señal de audio

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30 Oct Cómo se digitaliza la señal de audio

El sonido por naturaleza es analógico, por lo que para almacenarlo en soporte digital hay que realizar un proceso previo de conversión a un formato binario. En este artículo analizamos cómo se realiza este proceso hasta conseguir un audio listo para volcar en un disco duro o memoria digital.

El primer paso consiste en realizar un muestreo de la señal original tomando muestras de distintos puntos y teniendo en cuenta que cuantas más muestras tengamos, mayor calidad y fidelidad tendrá el resultado.

Esto es lo que mide la frecuencia de muestreo (fm), un parámetro que nos dice cuántas muestras por segundo de la señal analógica original hemos recogido y que se mide en hercios (Hz). Las frecuencias de muestreo más utilizadas se mueven entre los 8.000 y los 44.100 hercios, desde la voz humana en telefonía digital hasta el CD.

Valores de frecuencia de muestreo

La frecuencia de muestreo nos limita la frecuencia máxima del espectro en la señal original. Si la frecuencia es superior al doble del ancho de banda original, la señal inicial se puede recuperar filtrando y eliminando las bandas de alta frecuencia. Sin embargo, si la frecuencia de muestreo es inferior al doble de ese ancho de banda original se produce un solapamiento de las bandas (aliasing) y no se puede recuperar la señal original.

Por esta razón el número de muestras de la señal debe ser suficientemente elevado para recuperar la señal original sin pérdida de calidad, tal y como se establece en el teorema de Nyquist-Shannon. Esto ayuda a muestrear las señales en banda base a la frecuencia adecuada que permita eliminar las bandas de alta frecuencia y por tanto recuperar la señal original usando filtros.

Tras esta fase hay que cuantificar y codificar las muestras recogidas. La cuantificación consiste en aproximar el valor de la señal muestreada por uno de los valores fijados en el convertidor A/D, mientras que la codificación supone asignar a cada muestra cuantificada un código binario de salida para convertirla en un flujo de bits.

Los bits de resolución del convertidor son el número de bits con los que se codifica cada muestra, y que dependen de los niveles de cuantificación de la conversión.

Cuando la señal de audio original proviene de varios canales (como la señal estéreo) hay que añadir un proceso más, la multiplexación. Gracias a ella se indexan las muestras de cada canal para crear una sola cadena de bits con toda la información.

Problemas de conversión

El procesado de audio para pasarlo de analógico a digital puede conllevar una serie de problemas técnicos:

  1. Aliasing, cuando la frecuencia de muestreo no es suficientemente alta para reproducir con fidelidad la señal de entrada. Se soluciona filtrando la señal de cada canal antes del muestreo para eliminar interferencias o limitar el ancho de banda original, mediante un filtro antialising.
  2. Saturación, o clipping, cuando el nivel de la señal analógica es superior a la máxima tensión admitida por el convertidor y provoca un molesto ruido. Para solucionar este problema se puede modificar el nivel de la señal de entrada mediante compresores de sonido.
  3. Inframuestreo, cuando la frecuencia de muestreo es muy baja y se notan los “escalones” de la digitalización. Hay que añadir muestras mediante interpolación a la señal digital para resolverlo.
  4. Ruido, causado por un error de cuantificación introducido durante la conversión y que rebaja la calidad del sonido. Se debe escoger bien la resolución del convertidor A/D para enmascarar el ruido inherente a cualquier señal adecuadamente.

Una vez tenemos la señal digitalizada ya se puede registrar en un soporte para su correcto almacenamiento. Se pueden usar sistemas con tecnología óptica, como discos compactos (CD) o discos DVD, sistemas con tecnología magnética como las cintas DAT (Digital Audio Tape) o sistemas con tecnología semiconductora, como los reproductores MP3 o memorias flash.

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