Proceso de Conversión Analógico-Digital (ADC)
La digitalización es el proceso fundamental para transformar una señal analógica continua en una secuencia discreta de datos binarios.
Fases de la Digitalización
Muestreo
Las señales digitales consisten en muestras de la señal analógica tomadas en momentos determinados de tiempo. Para que la señal digital sea una representación fiel de la señal analógica, la frecuencia con la que se toman muestras debe ser lo suficientemente elevada (cumpliendo el Teorema de Nyquist).
Filtro Antialiasing
Se hace pasar dicha señal por un filtro paso bajo que elimine todos los componentes de frecuencia que puedan existir por encima de la frecuencia máxima que se permite digitalizar, según la frecuencia de muestreo elegida.
Circuito de Muestreo y Retención (Sample and Hold)
Circuito analógico que captura la tensión eléctrica de un voltaje variable en momentos de tiempo determinados por la frecuencia de muestreo.
Cuantificación
Consiste en limitar la cantidad de valores de tensión eléctrica que pueden tomar las muestras. Para ello, cada muestra se aproxima a su valor o nivel de cuantificación más cercano.
Codificación
Consiste en asignar a cada muestra cuantificada un código binario, de modo que el conjunto de muestras pueda representarse como un flujo de bits.
Inconvenientes y Desafíos de la Digitalización
Errores en el Proceso de Conversión
Inframuestreo (Undersampling)
Una elección errónea de la frecuencia de muestreo provocará un recorte del ancho de banda y, por lo tanto, una pérdida de sonidos agudos. Esto se debe al filtrado antialiasing requerido, que recortará toda la frecuencia por encima de la mitad de la frecuencia de muestreo elegida.
Infracuantificación
La elección de una resolución de bits por muestra pobre afecta directamente a la relación señal-ruido. Una señal de audio digitalizada asignando un valor bajo se percibirá como una señal muy ruidosa debido al gran error de cuantificación que se habrá cometido en la mayoría de muestras.
Saturación
Es el exceso de nivel de tensión de la señal analógica a la entrada del conversor analógico-digital (ADC).
Estructura de la Señal Digital
Multiplexación
La señal de sonido digital, en especial la señal definitiva lista para la emisión o almacenamiento, consta de dos canales para producciones en estéreo y más canales para producciones cinematográficas con sonido envolvente.
Códecs de Audio Digital y Compresión
Códecs sin Compresión
Los algoritmos sin compresión no reducen la cantidad de datos de una señal de sonido digital y apenas modifican la señal que procede del conversor analógico-digital.
PCM, WAV y AIFF
Codificación PCM: Es la que se obtiene por digitalización directa con una frecuencia de muestreo y resolución de bits determinada, según se ha descrito en las fases de cualquier conversión analógico-digital.
Códecs con Compresión sin Pérdida (Lossless)
Estos formatos reducen el tamaño del archivo sin eliminar información audible, basándose en la redundancia de los datos.
Codificación Huffman
Produce una compresión sin pérdida de información. Esta aparente contradicción es posible gracias a conceptos como la redundancia y la entropía, de los que hacen uso los algoritmos de codificación.
FLAC
Formato abierto de audio digital con compresión sin pérdidas. Tiene una capacidad de reducción de datos próxima al 60% y permite la compresión multicanal y el streaming.
Monkey’s Audio
Formato propietario de compresión de audio digital sin pérdidas que utiliza la extensión .APE.
Códecs con Compresión con Pérdidas (Lossy)
Estos formatos eliminan información considerada inaudible basándose en modelos psicoacústicos para lograr altas tasas de compresión.
Modelos Psicoacústicos
Enmascaramiento Temporal
Un sonido de alta intensidad puede enmascarar a sonidos más débiles que ocurran inmediatamente antes o después del más elevado.
Enmascaramiento Frecuencial
Un sonido de baja frecuencia puede enmascarar a un sonido de alta frecuencia y viceversa. A un mismo nivel, un sonido de baja frecuencia enmascara un sonido de alta frecuencia con mayor facilidad que el sonido de alta frecuencia enmascararía a uno de baja frecuencia.
Tipos de Tasa de Bits
CBR (Constant Bit Rate)
La tasa de bits es constante independientemente de si la señal a codificar tiene mayor o menor complejidad. Esto permite un procesado más rápido de la señal, pero puede resultar en una peor calidad debido a que la tasa de bits no se ajusta a la complejidad del contenido.
VBR (Variable Bit Rate)
Permite que el codificador aumente y disminuya la tasa de bits de forma dinámica en función de la señal a codificar en cada momento, manteniendo una tasa de bits media constante.
Formatos Lossy Populares
MP3 (MPEG-1 Audio Layer III)
Es el formato propietario más extendido de compresión de audio lossy. El algoritmo utiliza un banco de filtros para dividir la señal en subbandas que se procesan por separado con un modelo psicoacústico.
AAC (Advanced Audio Coding)
Extensión del formato MPEG-2 para audio. Utiliza un algoritmo VBR rápido y eficaz que permite codificación multicanal. Es muy utilizado para la difusión de contenido en internet, transmisiones inalámbricas y radiodifusión digital.
OGG VORBIS
Algoritmo de código abierto y libre, similar a MP3, con una amplia gama de tasas de bits y calidades. A diferencia de MP3, este formato permite la codificación multicanal y parece ofrecer mejor calidad que MP3 a bajas tasas de bits.
WMA (Windows Media Audio)
Códec propietario de Microsoft para competir con MP3. Tiene también una versión lossless y una actualización Pro que soporta surround.
ATRAC (Adaptive Transform Acoustic Coding)
Algoritmo lossy de audio desarrollado por Sony, para su formato de almacenamiento digital de sonido comprimido MD y en uso para otros sistemas de Sony como grabadores de CD específicos.
ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation)
Método que no utiliza un modelo psicoacústico, sino predicción lineal adaptativa. La señal se divide en dos subbandas y se codifica el residuo o diferencia con la muestra anterior.
Sistemas de Grabación y Almacenamiento
Sistemas de Grabación Magnética
La grabación magnética se basa en la polarización de partículas ferromagnéticas.
Soporte
Material de poliéster recubierto de plástico que sirve de sustento para el material ferromagnético.
Capa Ferromagnética
Contiene un material aglutinante y partículas magnetizables que son responsables de almacenar la información en función de la polarización.
Grabación
Al grabar una corriente eléctrica variable sobre la bocina, esta genera un campo magnético proporcional a las variaciones eléctricas que se concentran en el núcleo ferromagnético.
Lectura
El efecto es el inverso a la grabación, pues las partículas magnetizadas de la cinta provocan una variación de campo magnético al deslizarse dicha cinta por el cabezal de lectura.
Formatos de Grabación Magnética Digital de Audio
DAT (Digital Audio Tape)
Consiste en un formato de grabación magnética de sonido digital sin compresión que graba en una cinta de 4 mm de ancho y 125 min de duración protegida por un cartucho. Permite grabar 2 pistas sin comprimir con una calidad de hasta 48000 Hz y 16 bits, y una pista de códigos de tiempo.
MDM (Modular Digital Multitrack)
Para grabar más de dos pistas digitales en soporte magnético, hay una serie de formatos que utilizan cintas magnéticas de vídeo para grabar sonido digital multipista con código de tiempo.
Formatos de Audio en Discos Ópticos
CDDA (Compact Disc Digital Audio)
Primer formato de grabación digital de audio. Utiliza una codificación de audio sin comprimir PCM que incorpora un sistema de corrección de errores y permite grabar hasta 80 min de audio estéreo.
SACD (Super Audio CD)
Ideado para la mejora del CD Audio para reproducir audio de alta definición, este formato se resiste a desaparecer.
DVD Audio
Formato de audio de alta definición. Utiliza una codificación PCM, pero admite mayores frecuencias de muestreo y su calidad de escucha es similar al SACD.
Sistemas de Grabación Informático (Almacenamiento Masivo)
Dispositivos de Almacenamiento
Discos Duros HDD (Hard Disk Drive)
Sistema de almacenamiento magnético de ficheros informáticos, formado por una pila de discos rígidos unidos en un mismo eje que giran a gran velocidad y sobre los que se desplazan varios cabezales magnéticos de lectura y escritura.
Memorias de Estado Sólido SSD (Solid State Drive)
Consisten en memorias basadas en circuitos integrados que pueden ser volátiles, como la memoria RAM de un PC, o no volátiles, como las memorias flash que conservan información grabada sin suministro eléctrico.
Configuraciones de Redundancia (RAID)
RAID (Redundant Array of Independent Disks): Agrupación de varios discos duros independientes que aparecen integrados como un solo disco duro de gran capacidad desde el punto de vista del sistema informático desde el que se acceden.
RAID 0 (Striping)
División de la información entre dos o más discos sin redundancia.
RAID 1 (Mirroring)
Crea una copia exacta de cada disco en otro disco de forma continua y automatizada.
RAID 2
Almacena redundancias basadas en paridad de datos y sistemas de corrección de errores en uno o varios discos diferentes a los discos de datos.
RAID 5 y 6
Utilizan versiones más sofisticadas de paridad y corrección de errores.