7.6k 0

Conceptos básicos de sonido digital

El sonido es una vibración, una onda, que producen todos los elementos de nuestro entorno, como una copa cuando bridas (y choca contra otra), como la puerta cuando la golpeas con los nudillos para llamar… Y los altavoces son sistemas electromecánicos que generan una vibración en función a una corriente eléctrica y con la que conseguimos imitar el sonido de la naturaleza, imitar esa onda que generan los elementos físicos de nuestro entorno. 

A finales del siglo XIX, Edison inventa el fonógrafo, que consigue trasladar esas vibraciones que viajan por el aire (sonido) a un cilindro y después volverlas a reproducir. La grabación consistía en que la vibración del aire hacía vibrar una aguja grabadora que marcaba esa misma onda en una capa de aluminio que envolvía el cilindro. Luego, moviendo el cilindro con una aguja lectora, ésta vibraba al pasar por el surco que se había grabado previamente. Esta vibración es la que acababa escuchando el oyente. 

Fonógrafo de Édison (Wikipedia)

Y básicamente, es así como funciona un disco de vinilo, que popularizó el traslado de la segunda mitad del siglo XX. 

Esta forma de grabar la música es lo que se conoce como analógico (en contra del digital). 

Sonido analógico 

El sonido del mundo real es analógico, la onda de sonido tiene infinitos valores, infinitos detalles. Cuando esta onda de sonido se traslada a un surco de un cilindro o un disco, ese surco también tiene infinitos valores y detalles. 

Hace muchos años que no se graba el sonido poniendo a un cantante delante de un fonógrafo. A medida que la industria fue avanzando de “electrificó” el proceso. Ahora el cantante o el instrumento generaban sus ondas ante un micrófono, que convertía esas vibraciones del aire en una onda eléctrica, que viajaba por un cable hasta llegar a un equipo de audio, donde amplificaba, filtraba, mezclaba con el sonido de otros micrófonos… y al final viajaba (de forma eléctrica) hasta una grabadora, por ejemplo de disco, y generaba un surco que recogía esa vibración. 

Surcos de un disco de vinilo vistos con un microscopio por Alexander Klepnev, Wikipedia

El sonido analógico no sólo se almacenó en surcos. También se popularizó el uso de cintas magnéticas, que al mercado doméstico llegaron como “casetes”. Aquí, en lugar de un surco, teníamos una cinta con partículas magnéticas que se orientaban según un imán (cabezal) les indicaba.  Luego, para escuchar esa música bastaba que el imán (cabezal) hiciese el proceso contrario, se dejase orientar por el campo magnético de las partículas de la cinta.

Y también se utilizó para trasmitir sonido por cable (teléfono) o por la radio, primero la AM y posteriormente, más sofisticada, la FM que se sigue usando habitualmente a día de hoy. 

Problema del sonido analógico

Al igual que el sonido analógico es capaz de recoger infinitos valores y detalles, también es infinitamente alterable por cualquier elemento externo.

Así, cuando el sonido viaja en forma de señal eléctrica por el cable, desde el micrófono que lo recogió, es alterado por las interferencias electromagnéticas que hay en la sala, que generan los demás aparatos (amplificadores, luces, cables eléctricos…) además de por la resistencia eléctrica del propio cable. 

Cuando llega al dispositivo receptor que lo procesa, también es alterado por las mismas interferencias y por el propio equipo. 

Cuando se graba haciendo un surco, es alterado por el material y su resistencia, por el material de la aguja, por su uso anterior, etc. Una vez se tiene el disco grabado se altera por tocarlo con las manos, por reproducirlo, por el roce de la aguja, por el ambiente, la humedad, el calor… todo va alterando esa grabación y por lo tanto ese sonido.

Si hablamos de cintas magnéticas, la alteración de la información es muy sencilla: los campos magnéticos de los altavoces, cables, o la luz del sol, hacen que la información se altere, así como la humedad del ambiente donde se almacena. 

En caso de transmisión por radio, la exposición a cualquier interferencia y modificación del sonido es mucho mayor, por eso es el medio que menos calidad ofrece y que más sensible es. 

Sin hablar de la última fase de la cadena: del equipo de lo lee, lo amplifica, lo envía a los altavoces y los propios altavoces. 

Por ello, la música analógica de calidad, requiere equipamiento muy caro y de mucha calidad para intentar minimizar (sólo minimizar, no eliminar) todos estos efectos adversos. Por ejemplo, cables apantallados para intentar reducir las interferencias eléctricas, conectores bañados en oro o cables especiales para reducir la resistencia, materiales muy caros y de mucha calidad…

El otro gran problema son las copias: si copias un contenido, el contenido copiado ya no es igual al original, se ha deteriorado en parte. Si a esa copia se le hace otra copia, se deteriora más, y más. Esto se veía muy fácilmente cuando se copiaban cintas VHS.

El sonido digital: la resolución

El el mundo digital no hay infinidad de grises, sólo hay blanco y negro, sí o no, 1 o 0, sin posibilidades intermedias. A esta unidad mínima de información se le conoce como el bit [b]. Esto supone una serie de problemas y una serie de ventajas. 

Puesto que el mundo real tiene mas de 2 sonidos, de dos colores, de dos letras… es necesario juntar varios bits y así representar más posibilidades. 

Si tenemos 2 bits podemos almacenar 4 valores:

  • 00 (0)
  • 01 (1)
  • 10 (2)
  • 11 (3)

Si tenemos 3 bits serían 8 valores, 4 bits 16 valores… y así sucesivamente. Lo habitual es utilizar grupos de 8 bits, que se denominan bytes [B].

Cuando se digitaliza una señal de sonido, se muestrea la onda para ver su valor en un instante concreto y ese valor se convierte en un número (el número más cercano). Lugo se vuelve a muestrear y se almacena el siguiente valor, y así sucesivamente. Esa función la hace un dispositivo que se conoce como conversor analógico digital (ADC en inglés). 

Dependiendo del número de bits que tengamos, obtendremos una menor o mayor resolución en la digitalización. Por ejemplo, si usamos 2 bits podríamos registrar 3 niveles distintos (del 0 al 3). Cuantos más bits tengamos más niveles distintos podremos tener y más fiel será a la realidad. 

Supongamos una onda de sonido analógica que dura 1 segundo.

Esta onda la digitalizamos con una resolución de 2 bits y tomamos 11 muestras en un segundo. Eso hará que como mucho podamos usar 4 valores distintos. 

Digitalización

Esto se almacenará como una secuencia de 11 números (se han hecho 11 muestras) de 2 bits cada uno. 

Sonido digitalizado

Cuando volvamos a convertir esa información en una onda tendremos que trabajar con la información que tenemos almacenada. Como se puede ver, no se parece mucho a la original. 

DAC

Sin embargo, si repetimos el proceso digitalizando con 4 bits, cada muestra podrá tener un valor entre 16 posibles, con lo que la onda se parece más a la original.

Digitalización
Sonido digitalizado
DAC

El precio a pagar por este aumento de resolución es el espacio ocupado en el almacenamiento. Con 4 bits ocupamos el doble que con 2 bits. E irá aumentando a medida que añadamos más bits. 

El sonido digital: La frecuencia de muestreo.

El convertidor analógico digital toma una muestra de la onda en un instante concreto y lo convierte en un número. Pero almacenar la música es necesario ir tomando muestras de la onda a lo largo del tiempo. 

Al igual que con la resolución, si tomamos pocas muestras utilizaremos pocos datos pero la onda final será muy distinta a la original. Si tomamos muchas muestras la onda se parecerá más a la original pero ocupará más espacio.

El teorema de Shannon dice que tenemos que tomar, como mínimo, dos muestras en cada onda de la frecuencia más alta que queramos digitalizar. Si queremos digitalizar una frecuencia de 1.000 Hz, como mínimo tenemos que tomar muestras al doble, a 2.000 Hz (o 2 kHz). 

El sonido digital: ¿qué resolución y frecuencia escogemos?

Si queremos una calidad perfecta, es decir, que almacenemos un sonido idéntico a la curva analógica, puesto que la curva analógica tiene infinitos niveles distintos e infinitos detalles, es necesario que usemos una resolución infinita. Además, deberíamos tomar muestras infinitas veces en un segundo. Eso es imposible. Además, en todos los discos duros del planeta tierra no habría espacio suficiente para almacenar un segundo de sonido. 

Lo lógico sería buscar el valor suficiente, es decir, el mínimo valor de resolución y de frecuencia de muestreo que haga el que sonido sea lo suficientemente bueno para que el oido humano no sea capaz de distinguirlo. Poner más no aporta nada, solo ocupar espacio y ancho de banda en su transmisión.

A finales de los años 70 y principios de los 80 se definió el estándar del CD (disco compacto), el primer sistema de sonido digital de masas. En ese momento se estableció que la resolución adecuada para una calidad alta sería de 16 bits (65.536 valores distintos).  Sin embargo, en estudios y en algunos archivos digitales que se comercializan, podemos llegar a resoluciones de 24 o 32 bits. 

En cuanto a la frecuencia, se considera que el oido humano (de una persona joven que oye muy bien) es capaz de escucha desde los 20 Hz hasta los 20.000 Hz (20 kHz) de modo que deberíamos muestras al mínimo al doble de velocidad para cumplir. Cuando se definió del CD se acordó que lo correcto era muestrear a 44,1 kHz. Evidentemente se puede muestrear a más frecuencia, como 48 kHz, 96kHz, 192 kHz… 

Así pues, el estándar de un CD es tomar un valor entre 65.536 posibles (16 bits, fijaos que en ejemplo hemos usado 4 bits que suponen sólo 16 combinaciones) y 44.100 veces cada segundo.

Las ventajas del sonido digital

Aunque hemos visto que el sonido digital nunca puede tener la calidad teórica del sonido analógico, basta con que superemos el umbral de lo que es perceptible por el oido humano para poder tener una calidad igual en la práctica.

La gran ventaja del sonido digital es que, a diferencia del analógico, no es sensible a las condiciones del entorno y no se deteriora. El 0 no se puede convertir en 1 ni el 1 en un 0 a no ser que nos encontremos con una interferencia enorme. Además, los sistemas digitales suelen tener medidas de detección de errores, de modo que si el lector detecta que ha llegado mal un sonido puede pedir que se vuelva a leer. 

Así, la información puede viajar por un cable sin tener ninguna alteración con materiales más sencillos y baratos que en el caso del sonido analógico. No hacen falta conectores especiales, simplemente que el cable sea capaz de trasmitir el volumen de datos que se espera. 

Por otro lado, se puede sacar una copia exactamente igual al original. Es decir, si el original dice 0011010 y la copia dice 0011010, la copia y el original son perfectamente iguales. Y así se pueden copiar desde la copia de la copia de la copia hasta el infinito sin perder absolutamente ninguna calidad. 

Así, las ventajas del sonido digital son la inalterabilidad de la información y la capacidad de copia sin pérdida. Evidentemente, si partimos un CD por la mitad, lo rayamos, o le crece una capa de moho, no se podrá leer, ni ceros ni unos, pero siempre será mucho más inalterable que la información analógica. 

Uno de los puntos donde se obtiene una mayor diferencia es en la transmisión por el aire (radio) que permite enviar información con ninguna alteración, a diferencia de los medios analógicos. 

Alguno dirá: pero en la TDT (televisión digital), por ejemplo, a veces hay desperfectos o en la imagen. Eso es así porque en la TDT no se puede pedir al emisor que te vuelva a enviar la información que ha llegado incorrecta y por lo tanto hay que usarla aunque sea incorrecta. Pero si se llega a un mínimo de transmisión correcta, la imagen es igual a como se envió con ninguna alteración. 

Deja una respuesta