Fundamentos de la Señal Analógica y Digital

La comparación analógica-digital se refiere a los procesos tecnológicos mediante los cuales se transmite cualquier señal eléctrica, la cual generalmente se transforma en audio o vídeo. La información se traduce en diferentes tipos de señales.

• Formato Analógico: La traducción de los datos se realiza en forma de impulsos eléctricos, donde la variación reside en la amplitud.
• Formato Digital: La traducción se hace al sistema binario de ceros y unos, donde las diferentes amplitudes representan los valores 0 y 1.

La tecnología analógica es más antigua y se ha utilizado durante décadas. Aunque es más económica, presenta limitaciones en la cantidad de datos que se pueden transmitir. En contraste, la tecnología digital convierte las señales analógicas en digitales, permitiendo la transmisión del código binario, que luego es reconstruido mediante el software oportuno. Esta característica hace que la tecnología digital sea superior, ya que es capaz de transmitir cualquier tipo de información sin las pérdidas o variaciones de amplitud que acarreaba la tecnología analógica, resultando siempre más precisa y clara.

Conversión Analógica a Digital (CAD)

La Conversión A/D (CAD) o digitalización consiste en la transcripción de señales analógicas en señales digitales, con el propósito de facilitar su procesamiento (codificación, compresión, etc.) y hacer que la señal resultante (la digital) sea más inmune al ruido y otras interferencias a las que son más sensibles las señales analógicas.

Muestreo

Consiste en fijar la amplitud de la señal eléctrica a intervalos regulares de tiempo, lo que se conoce como tasa de muestreo. Para cubrir el espectro audible (20 a 20000 Hz), suele bastar con tasas de muestreo de algo más de 40000 Hz. El estándar CD-Audio emplea una tasa un 10% mayor con objeto de contemplar el uso de filtros no ideales. Con 32000 muestras por segundo se obtendría un ancho de banda similar al de la radio FM o una cinta de casete, lo que permite registrar componentes de hasta 15 kHz, aproximadamente.

Cuantificación

Consiste en convertir el nivel de las muestras fijadas en el proceso de muestreo (normalmente, un nivel de tensión) en un valor entero de rango finito y predeterminado.

Sobremuestreo (A/D)

Consiste en aplicar un filtro digital que actúa sobre el tiempo (dominio de frecuencia), cambiando de lugar las muestras, de forma que, al superponerlas, se creen muestreos simultáneos virtuales. Estos muestreos simultáneos no son reales, sino simulaciones generadas por el propio filtro. Las muestras obtenidas se superponen con los datos originales y los conversores A/D los promedian, obteniendo una única muestra ponderada.

Conversión Digital a Analógica (CDA)

Conversión D/A

Las palabras binarias que representan a cada una de las muestras se vuelven a convertir en una señal de tensión que tiene forma de escalera, y cuyos valores se corresponden con cada valor de la muestra. Esto se consigue en los conversores más simples utilizando los estados de los bits para encender y apagar unas fuentes de corriente, reconstruyendo la amplitud requerida del pulso con la combinación de las salidas de cada una de esas fuentes.

Convertidor D/A Básico

El conversor D/A asocia a cada valor binario un nivel de tensión previamente establecido, y genera muestras de tensión utilizando dichos niveles, aplicando un intervalo de tiempo constante entre muestras. Para ello, se debe unir cada muestra con la que le sucede. Dicha unión es necesaria para hacer que la señal vuelva a ser continua en el tiempo. Existen muchas técnicas que hacen esto posible. La más sencilla consiste en mantener el nivel de tensión de una muestra hasta que llegue la muestra siguiente. Otras técnicas más complejas emplean la muestra actual y las muestras anteriores para predecir la siguiente muestra. Después de este proceso, la señal aún presenta cierto grado de distorsión. Por ello, se suele aplicar un proceso de filtrado que suaviza la señal. Si la frecuencia de muestreo y la resolución han sido apropiadas, la señal resultante será una buena reconstrucción de la señal original.

Sobremuestreo en la Conversión D/A

Se deben crear muestras adicionales entre las muestras que resultaron de muestrear según el criterio de Nyquist, para que dicha conversión se pueda realizar a una frecuencia mayor.

Procesamiento y Codificación de la Señal Digital

DSD (Direct Stream Digital)

DSD es una marca registrada por Sony para sus sistemas de codificación de 1 bit que utiliza una frecuencia de muestreo muy alta. Este sistema se utiliza para representar el audio en el Super Audio CD (SACD), así como en varios equipos profesionales. Las señales DSD son el resultado de una conversión sigma-delta de la señal analógica, una técnica utilizada en algunos conversores con sobremuestreo.

Procesado de la Señal Digital

Implica la manipulación a gran velocidad de los datos binarios que representan a las muestras de audio. Ello supone cambiar los valores y el orden de las muestras, o combinar dos o más secuencias de datos procedentes de distintas señales de audio. El procedimiento digital de audio puede afectar a la calidad sonora del audio digital, añadiendo ruido y distorsión.

Codificaciones

Consiste en la traducción de los valores de tensión eléctrica analógicos que ya han sido cuantificados (ponderados) al sistema binario, mediante códigos preestablecidos.

Almacenamiento y Detección de Errores

Grabación Digital en Cinta

Existen dos mecanismos fundamentales para la grabación digital en cinta:

1. Sistema de Barrido Transversal: Utiliza una velocidad lineal de cinta relativamente baja y un cabezal rotatorio girando a alta velocidad.
2. Sistema de Barrido Helicoidal: Emplea velocidad de cinta alta y un cabezal estacionario. Estos cabezales permiten diseñar magnetófonos que son muy parecidos a los analógicos.

Detección y Corrección de Errores

En primer lugar, el error debe ser detectado y, a continuación, debe ser corregido. Si no puede corregirse, debe ocultarse. Para que el error pueda ser detectado, es necesario diseñar una serie de mecanismos de protección.

Tipos de Errores

• Errores de Ráfaga: Producen pérdidas de varias muestras sucesivas. Suelen deberse a una ausencia temporal de la señal o por una interferencia producida por un pico de tensión o suciedad en la superficie del CD.
• Errores Aleatorios: Producen pérdidas de muestras aisladas y suelen ser consecuencia del ruido o la baja calidad de la señal.

Formatos de Archivo de Audio Digital

A continuación, se describen algunos de los formatos de audio más comunes utilizados en el procesamiento digital:

Sound Designer 1 (SD1)

Es un formato para archivos mono, recomendado para sonidos cortos. Los datos de audio son normalmente tanto de 8 como de 16 bits.

Formato SD2

Es el más utilizado en las estaciones de trabajo de audio. Se origina como un archivo MAC y, a diferencia del SD1, tiene una bifurcación de recurso separada que contiene información vital de audio.

AIFF y AIFF-C

AIFF es el formato de audio estándar de Apple. La información del audio se puede almacenar a varias resoluciones y para cualquier número de canales. El AIFF-C está muy relacionado con el anterior, pero permite la compresión de datos de audio. Consiste solo en una estructura de datos, sin bifurcación de recursos, lo que facilita su transporte a otras plataformas. El más simple tiene un chunk común y otro chunk de dato de sonido.

RIFF WAVE (WAV)

Es el equivalente de Microsoft al AIFF de Apple. Tiene una estructura similar y es posible incluir información acerca del número de puntos de referencia, y una lista de reproducción indicando el orden en el que esos puntos de referencia deben ser puestos. Sus principales chunks son: FORMAT, RIFF y DATA.

MPEG

Los archivos MPEG se pueden almacenar en archivos AIFF-C o WAVE, con la anotación apropiada sobre el tipo de compresión en el campo adecuado de la cabecera.

DSDIFF

Basado en la estructura de los archivos IFF, con la excepción de que se ha modificado un poco para permitir archivos de gran tamaño.

EDL (Edit Decision List)

Generalmente, los EDL han sido exclusivos de la estación de trabajo en la que han sido creados, pero la necesidad de un intercambio totalmente abierto ha influido en la creación de EDL portables entre distintos paquetes. Existe un formato que se ha utilizado durante mucho tiempo en el ámbito del vídeo que se conoce como formato compatible-CMX. Este tipo se puede utilizar para propósitos básicos de audio; de hecho, hay varias estaciones de trabajo que leen archivos EDL CMX con el fin de conformar automáticamente ediciones de audio a ediciones de vídeo realizadas en un sistema separado.

MFX

Medio de intercambio de datos de audio, vídeo y metadatos entre dispositivos. Se suele utilizar en el trabajo de televisión.

AAF (Advanced Authoring Format)

Formato orientado a objetos que combina la esencia y los metadatos en una estructura contenedor.

Interfaces y Percepción Auditiva

Interfaces de Audio

Un interface de audio es un dispositivo hardware que se conecta al ordenador y gestiona las entradas, las salidas y el procesamiento del sonido. Existen dos tipos básicos:

• Tarjetas PCI: Conocidas comúnmente como tarjetas de sonido, que se instalan dentro del ordenador.
• Cajas hardware externas: Conocidas comúnmente como interfaces, que se conectan al ordenador por un cable USB o FireWire.

Estas etapas se conocen como conversiones A/D y D/A respectivamente, y cuanto mejores sean los convertidores, mejor será la calidad de sonido.

La Escucha Estereofónica

Generalmente, se llama sonido estereofónico o estéreo al grabado y reproducido en dos canales (disposición 2.0). El sonido estereofónico se basa en aprovechar el funcionamiento de nuestro aparato auditivo para transmitirnos la sensación de espacio utilizando solo dos fuentes sonoras (altavoces o cascos).

La Escucha Biaural

El cerebro humano, para interpretar un sonido, debe conjugar la información que le llega de ambos oídos. La información que el cerebro recibe de cada uno de los oídos es diferente, porque ambos oídos están físicamente separados entre sí por la cabeza. Esta diferencia en la situación de los oídos es la que le permite al cerebro localizar la fuente sonora. En el sistema auditivo, la sensación tridimensional está relacionada con la diferencia de la amplitud y el tiempo que recibe cada oído. Es decir, la localización de los sonidos en el espacio se consigue con el procesamiento por separado de la información de cada oreja y con la posterior comparación de fase y nivel entre ambas señales.

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