Bases del Audio 2. (A/D D/A, Frecuencia de muestreo,Dither)

   ATENCIÓN LEER PRIMERO  Bases del Audio 1. (Frecuencia, Amplitud y Timbre)

LA FRECUENCIA DE MUESTREO
El proceso que se sigue para grabar un sonido y hacerlo digital se llama “Muestreo” o “Sampling” en inglés. Este proceso de codificación del sonido a 0 y 1 se lo debe hacer en “tiempo real”, es decir, mientras se reproduce la señal de audio. Para poder hacer esta conversión existe, tanto en los sistemas digitales de grabación como en las tarjetas de sonido, un componente muy importante llamado “convertidor A/D (análogo a digital)”. Este componente es el que transforma las señales eléctricas en información binaria; esto se conoce como muestra o sample. El proceso inverso para la reproducción del audio emplea un “convertidor D/A (digital a analógico)”. Este convertidor transforma la información binaria en señales eléctricas que pueden ser amplificadas y escuchadas a través de los altavoces
Mientras más muestras se tomen de una señal de audio, el sonido será de mayor calidad. Esta es la Frecuencia de Muestreo. Existe una relación matemática que relaciona la frecuencia máxima registrable (la mayor frecuencia que vamos a grabar) en función de la frecuencia de muestreo.

El teorema del matemático Nyquist dice que “si queremos grabar una señal de audio que llega hasta ‘x’ frecuencia, debemos utilizar una frecuencia de muestreo mínima de ‘2x’, es decir el doble de la frecuencia más alta originada en la señal que deseamos grabar”. Por ejemplo, si queremos grabar una señal de audio  ue llega hasta los 20 KHz necesitaremos una frecuencia igual o mayor que 40 KHz. Actualmente los CD tienen una frecuencia de muestreo de 44100 muestras por segundo (44.1 KHz), es decir que pueden reproducir señales de audio de hasta 22050 Hz. La radio digital ermplea 32 KHz (o sea que reproduce hasta los 16000 Hz) y el DVD emplea 96 KHz (frecuencias de hasta 48000 Hz). Por lo tanto, la frecuencia de muestreo debe ser el doble de la frecuencia máxima de la señal que se vaya a grabar





LA RESOLUCIÓN
La resolución en audio digital viene dada en bits. La cantidad de bits que se utilizan para representar la muestra del audio es la resolución de la muestra. Mientras más bits tenga una muestra la calidad de la grabación será mucho mejor ya que la resolución tiene una incidencia directa con el rango dinámico o relación señal-ruido (S/R o S/N en inglés). Existe una relación que indica que esta relación S/N es igual al resultado de multiplicar la resolución de bits por 6 db. Por ejemplo, si tenemos una grabación con una resolución de 8 bits contaremos con un rango dinámico de 48 db (8 bits x 6 db 48), 96 db a 16 bits y 144 db a 24 bits; todos estos valores son teóricos ya que dependen mucho de los componentes analógicos de captura y reproducción del sonido. Ilustración Fórmula

EL RANGO DINÁMICO / RELACIÓN SEÑAL-RUIDO
La relación señal-ruido nos indica la diferencia entre una señal de audio útil, sea esta música, sonido, etc. y el nivel de ruido provocado por un aparato electrónico. Este nivel de ruido se mide sin ninguna señal de entrada en el equipo electrónico. Mientras más grande sea esta diferencia, el sonido será más limpio y de mejor calidad.



RUIDO DE CUANTIZACIÓN, ALIASING Y DITHERING
Cuando una señal es convertida de analógica a digital, el hardware que se usa para esta conversión no siempre es perfecto y puede afectar o alterar ligeramente el resultado de la misma. A esta distorsión se la conoce como ruido de cuantización. Nuestra limitación como seres humanos no nos permite escuchar frecuencias más allá de los 20000 Hz ya que al alcanzar esta frecuencia el silencio penetra en nuestros oídos; pero, ¿qué pasa si un sonido genera una señal de, por ejemplo, 29000 Hz?

El problema es muy claro. Si estamos grabando con una frecuencia de muestreo de 44100 Hz, es decir que grabamos frecuencias de hasta 22050 Hz, y aparece una frecuencia no audible para nosotros de 29000 Hz, al reproducir la grabación aparecerá un ruido de 15.1 KHz (resultado de 44100 – 29000 = 15100), algo que no existía en el original. A estas frecuencias fantasmas se las conoce como “alias”, dando una distorsión conocida como “aliasing”. Para evitar esto en las tarjetas de sonido y en los programas debe existir un filtro llamado “anti-aliasing”, el cual no permitirá la entrada de frecuencias superiores a la mitad de la frecuencia de
muestreo.

DITHERING
Se conoce como Dithering a la reducción de bits de una muestra de audio. Si por ejemplo hemos grabado con una resolución de 24 bits, para poder entregar nuestro trabajo en un CD debemos reducir la resolución a 16 bits. Esto provocaría un ruido indeseable en la grabación. Para eso el dithering añade algo de ruido blanco a la señal. Usando un proceso llamado “noise shaping” este ruido es usualmente puesto en áreas del espectro de audio en las cuales nuestros oídos son menos sensitivos, típicamente por arriba de los 10 KHz. Esto hará que nuestro trabajo quede en el CD tal como lo escuchábamos cuando lo hicimos a 24 bits.