Principios del Audio Digital
Introducción El principio del audio digital consiste en discretizar las señales sonoras (señales contínuas) para convertirlas en secuencias de números La discretización de una señal sonora se realiza en términos de su amplitud y su evolución temporal Para comprender en términos sencillos como se realiza la digitalización de una señal sonora veamos el siguiente ejemplo:
Forma de onda arbitraria
Una forma de discretizar esta onda es tomar muestras del valor de su amplitud a intervalos regulares de tiempo. Al proceso de tomar muestras de una onda se le conoce con la palabra sample ( que significa muestra). La amplitud de una forma de onda arbitraria puede ser sampleada de una forma sistemática Los resultados de este procedimiento pueden ser tabulados como se muestra en la tabla:
En la tabla se observa la amplitud como una función del número del sample. Estos valores de amplitud (13, 14, 13, 11, 9...) no pueden ser usados por un computador.
Números binarios Los computadores manejan la información que viene dada en forma binaria ( en dígitos 0 y 1), por lo que los valores dados deben ser convertidos a número binarios. El sistema decimal tiene 10 dígitos ( del 0 al 9) y estos números están basados sobre potencias de 10. Ej. 142 = 100 + 40 + 2 = 1x10 2 + 4 x 10 1 + 2 x 10 0
Los números binarios contienen sólo dos números, 0 y 1. Los números binarios se expresan en potencias de 2. El número 142 expresado en números binarios de 8 bits es: 10001110 10001110 = 1x 27 + 0 x 2 6 + 0 x 2 5 + 0 x 2 4 + 1 x 2 3 + 1 x 2 2 + 1 x 2 1 + 0 x 2 0 142 = 128 + 0 + 0 + 0 + 8 + 4 + 2 + 0
Algunos números decimales estan representados en forma binaria ( 5 bit) en la tabla. Cualquier número entre 0 (00000) y 31 (11111) puede ser expresado. Número mas grandes requieren más bits. Ahora se pueden tranformar los valores de amplitud para los diferentes samples secuenciales de la onda del ejemplo, a valores binarios.
Números binarios correspondientes a los números decimales
Forma binaria para los valores de los primeros 6 samples de la onda. La información análoga se ha transformado a forma digital, y así es como esta información puede ser almacenada y manipulada por un computador.
Cada 0 y 1 es un bit de información. A mayor cantidad de bits, más información Si un sistema de 5 bits es usado para codificar la información, el máximo rango dinámico será de 30 db. Cada bit aumenta en 6 db el rango dinámico de la señal. Un sistema de 10 bits podría dar un rango dinámico de 60 db (es el rango aceptado para el audio analógico)
Los discos compactos estan codificados a 16 bits, lo que da un rango dinámico de 96 db. Con un sitema de 16 bits 65.536 (216 ) valores diferentes de amplitud pueden ser expresados. Si se desea samplear todo el rango de frecuencias audibles ( 20 Hz a 20.000 Hz), cada longitud de onda debe se sampleada al menos dos veces. Para una onda de 20.000 Hz hay 20.000 longitudes de onda por segundo y para samplear esa onda se deben tomar al menos 40.000 muestras por segundo.
A la cantidad de muestras que se toman por segundo se le conoce como Frecuencia de Sampleo o Sample Rate. Actualmente se utilizan frecuencias de sampleo de 44.100 Hz, osea los valores de amplitud de una onda musical es determinado 44.100 veces cada segundo. En cada segundo hay 44.100 x 16 = 705.600 bits de información almacenado. En los archivos estereofónicos hay el doble de bits almacenados.
Otro ejemplo de señal sampleada a intervalos regulares
La señal cuantizada es digitalizada, en este ejemplo utilizando un sistema simple de 3 bits
A cada sample se le asigna un valor de la amplitud (en números decimales)
Formatos del Audio Digital Todos los formatos indican la resolución, la frecuencia de muestreo y el número de canales. Formatos PCM (Pulse Code Modulation): Los formatos PCM contienen toda la información que salió del convertidor análogo-digital, sin ninguna omisión y por eso, tienen la mejor calidad. Dentro de esta categoría se encuentran los formatos WAV, AIFF, AU y RAW.
Formatos Comprimidos Para usar menos memoria que los archivos PCM existen formatos de sonido comprimidos, como por ejemplo el MP3, AAC y Ogg. Ciertos algoritmos de compresión descartan información que no es perceptible por el oído humano para lograr que el mismo fragmento de audio pueda ocupar en la memoria inclusive décima parte -o menosde lo que ocuparía de ser PCM.