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Audio Digital Basico
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INTRODUCCIÓN A LA
GRABACIÓN DIGITAL
NOLDI VALLES
La digitalización es una aproximación, ya que se
reemplazan valores que varían en forma continua o
análoga por valores discretos o discontinuos (usualmente 0
y 1) y más tarde mediante un proceso de conversión
inversa lograr su reconstrucción.
Señal Analógica
Señal Digital
0 0 1 0 0 1 0 1 1 0
Proceso de la Digitalización
1.Muestreo
2.Cuantización
3.Codificación
4.Modulación
5.Buffering
1. Muestreo
Consiste en tomar muestras o puntos de diferente amplitud de la
señal analógica a intervalos de tiempo regulares y mediante un
proceso inverso lograr su reconstrucción.
La cantidad de muestras por segundo debe cumplir con una
condición llamada Teorema de Nyquist, la cual indica que la
frecuencia o velocidad a la que se debe de efectuar el muestreo debe
ser al menos dos veces mayor que la frecuencia mas alta a
muestrear o de lo contrario ocurrirían errores.
Fm > 2B
Por ejemplo, para el caso del audio de alta fidelidad, esto
corresponde a un máximo de 20 kHz. La tasa de muestreo debe
ser entonces mayor de 40 kHz, y por razones prácticas, se ha
adoptado una tasa de muestreo normalizada de 44,1 kHz.
Respuesta de Frecuencia del Oído
20Hz 20 KHz
Área adicional a muestrear
Como el rango de la audición humana varía desde los 20 Hz hasta los
20 KHz, nuestra frecuencia mínima de muestreo debería ser por lo
tanto 40 KHz.
Aunque teóricamente necesitamos realizar un corte exacto a partir de
los 20 KHz, en la práctica no es posible diseñar un filtro que realice
esto sin dejar pasar algunas frecuencias superiores al punto de corte,
por lo que al calcular la pendiente de la curva de atenuación de un
filtro real se decidió asumir como estándares dos valores de
frecuencias de muestreo, 44.1 KHz y 48 KHz.
Frecuencias estándares de muestreo:
44.1 KHz (CD)
48 KHz
88.2 KHz
96 KHz (DVD)
176.4 KHz
192 KHz
2.5 MHz (DSD)
2. Cuantización
El paso siguiente una vez que la señal ha sido muestreada es
asignarle valores de voltaje a cada muestra, habiendo tantos
valores como muestras de diferentes amplitudes existan.
22 mV
19 mV
17 mV
15 mV
11 mV
9 mV
7 mV
5 mV
4 mV
3 mV
2 mV
1 mV
Problemas principales de un sistema digital
1. Error de Cuantización
2. Si una muestra cae por debajo del menor nivel de cuantización
3. Si una muestra rebasa el último nivel de cuantización
22 mV
19 mV
17 mV
15 mV
11 mV
9 mV
7 mV
5 mV
4 mV
3 mV
2 mV
1 mV
LA MUESTRA CAE ENTRE DOS NIVELES Y EL EQUIPO NO
SABE A QUE NIVEL APROXIMAR
LA MUESTRA BAJO EL MENOR NIVEL
LA MUESTRA SOBRE EL ÚLTIMO NIVEL
Consiste en adicionar un piso o fondo de ruido (similar al
“hiss”) por debajo del menor nivel de cuantización, de forma
tal que si existiera una señal muy baja, al sumarse con este
ruido, podría ser detectada.
Este ruido normalmente se conoce como “dither” y en
muchos equipos existe la opción de conectar y desconectar el
“generador de “dither” de acuerdo al material con que se vaya
a trabajar.
Dithering (Dither)
Tanto este proceso como los anteriores ocurren dentrode lo que llamamos conversión análoga-digital.
Consiste en asociar a cada nivel de cuantización uncódigo o palabra representado por ceros y unos (bits).
22 mV
19 mV
17 mV
15 mV
11 mV
9 mV
7 mV
5 mV
4 mV
3 mV
2 mV
1 mV
1011
1010
1001
1000
0111
0110
0101
0100
0011
0010
0001
0000
3. Codificación
La cantidad de dígitos o “bits” que forman la palabra (longitud de la
palabra) determinan el número de combinaciones que puede generar el
conversor análogo-digital siendo estas últimas proporcionales a la
cantidad de niveles de cuantización . Este número de combinaciones es
por lo tanto un indicador de la resolución con que se puede obtener la
señal.
Por ejemplo, una palabra de 2 bits permite obtener 4 combinaciones de
números (00, 01, 10, 11) que sirven para representar a 4 niveles de
cuantización.
16 bits = 65536 niveles
24 bits = 16777216 niveles
Teóricamente con una longitud de palabra de 16 bits se puede
garantizar una respuesta de frecuencia entre 20 Hz y 20 KHz, pero en
la práctica esto puede variar, dependiendo de la calidad de las
componentes que forman los circuitos de los conversores y de los
propios diseños de los conversores, no llegando nunca a lograrse que
los valores prácticos se correspondan con los modelos teóricos. Es por
eso que a veces se hace necesario trabajar con sistemas a 18, 20 e
incluso 24 bits para poder reproducir toda la banda de frecuencias.
En dependencia de los códigos o palabras correspondientes a cada
nivel se transmiten pulsos de igual amplitud que varían en ancho.
Este método permite trabajar con palabras de cualquier tamaño y
se pueden multiplexar (enviar) dos canales de audio en una misma
línea si se usan frecuencias más elevadas de transmisión.
0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0
4. Modulación por Impulso Codificado (PCM)
Por lo general todos los sistemas digitales poseen controles de
velocidad muy precisos (en muchos casos de cuarzo) basados en las
frecuencias de muestreo, pero aún así existen imperfecciones. Para
mejorarlo se incorpora lo que se conoce como “buffer” o área de
almacenamiento.
El “buffer” es el encargado de almacenar la información digital antes de
que sea enviada al exterior , sin importarle cuan rápido o lento pueda ser
el proceso de lectura de la misma.
Por lo general todos los sistemas digitales leen mucho más rápido la
información en comparación a como la entregan. De esta forma el buffer
siempre se llena mucho más rápido, pero entrega la información siempre
a la misma velocidad.
5. Buffering
Ya tenemos lista la señal para transmitirla.
Es necesario que los equipos o el sistema tengan una señal única de
reloj para que cuando el transmisor empiece a transmitir el receptor
empiece a recibir a la vez, esto se conoce como “Sincronización”.
Otro punto importante es saber que bit se debe de transmitir primero.
Lo anterior dio origen a los diferentes formatos o protocolos
estandarizados para la transmisión digital.
AES/EBU
Audio Engineering Society/European Broadcasting Unión
Soporta señales de audio de hasta 24 bits.
La información de los canales de audio L y R y la información de
tiempo se envían simultáneamente usando un sólo cable de
audio balanceado. La velocidad a que se transmite la información
depende directamente de la frecuencia de muestreo a que
estemos trabajando.
La longitud de la palabra en el protocolo AES/EBU es de 32 bits y
es el equivalente a una subtrama (subframe), la cual contiene la
información de un canal de audio, por ejemplo el izquierdo.
Usualmente los equipos dotados con entradas y salidas AES/EBU
emplean conectores XLR de 3 pines, usando un conector hembra para
entrada de señal y uno macho para salida. Los valores de los niveles de
señal varían entre 3 y 10 volts.
Tierra 1 2 Señal
3 Señal
4 4 20 4
Sub-frame de 32 bits
Canal Izquierdo (L)Preamble Auxiliares Audio Datos/Reloj
AES/EBU
Desde el punto de vista cualitativo su resolución es menor que la del
formato AES/EBU puesto que sólo puede trabajar con señales de audio de
hasta 20 bits.
De manera similar al otro formato la información de audio (canales L y R) y
la información de tiempo se envían por el mismo cable, pero en este caso
se usa una línea des balanceada.
Por lo general los equipos con entradas y salidas SPDIF emplean
conectores RCA o terminales ópticos y los niveles de señal que pueden
manejar llegan hasta aproximadamente 0.5 – 1 volts.
SPDIF
Sony Philips Digital Interface
