Conceptos básicos de los archivos de audio digital

Si tiene más de 40 años o más, es probable que haya crecido con un tocadiscos o un reproductor de cintas en su hogar como una forma de escuchar música comprada en la tienda. Entre 1982 y 1983, el disco compacto entró en el mercado y cambió para siempre la forma en que se almacenaba y transportaba la música. En este artículo, veremos cómo funciona el audio digital y disiparemos algunos de los mitos en torno a la conversión entre los dominios analógico y digital.

¿Qué es el audio digital?

En los términos más simples, un archivo de audio digital es una representación de una señal analógica usando una serie de palabras digitales. En el dominio digital, es decir, una computadora, la información se puede almacenar como un 1 o un 0.

Las computadoras pueden combinar cadenas de 1 y 0 para representar caracteres en un documento de texto, colores en una fotografía, comandos en un programa o niveles de voltaje en un archivo de audio.

Durante décadas, el estándar para almacenar audio en el dominio digital ha sido el estándar Red Book Compact Disc Digital Audio (CD-DA) de una frecuencia de muestreo de 44,1 kHz con una profundidad de 16 bits.

La tasa de muestreo describe con qué frecuencia se mide y almacena un nivel de voltaje. Para capturar todo el espectro audible del sonido, el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon establece que la frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia más alta que desea grabar para que se recree con precisión.

La segunda consideración al convertir una señal analógica al dominio digital es la necesidad de almacenar una cantidad adecuada de resolución para representar correctamente la señal original. El estándar Red Book utiliza una longitud de palabra digital de 16 bits. Esto significa que hay una cadena de 16 1 y 0 que se puede usar para representar 65 536 niveles de voltaje. Si está convirtiendo la salida de un micrófono a digital y el voltaje máximo es de 1 voltio, entonces una resolución de 16 bits significa que la resolución es de 0.000015258789 voltios. Son muchos detalles.

Finalmente, el estándar Red Book establece que dos canales de audio se muestrearán simultáneamente para crear una grabación estéreo.

Algunos cálculos rápidos sobre audio con calidad de CD

Para aquellos interesados, es fácil calcular la tasa de bits efectiva de un archivo de audio con calidad de CD. Dado que muestreamos la señal de audio a 44 100 veces por segundo, y cada muestra tiene un nivel de voltaje representado por una palabra de 16 bits, y hacemos esto para dos canales, 44 100 veces 16 veces dos es 1 411 200 o 1,411 kilobits por segundo.

Para calcular cuánto espacio se necesitaría para almacenar una canción como "Bohemian Rhapsody" de Queen, simplemente puede multiplicar 1 411 200 por la cantidad de segundos de la canción (en este caso, 355 segundos) para un total de 500 976 000 bits, o aproximadamente 60 megas de datos.

¿Cómo se crean los archivos de audio digital?

Un dispositivo llamado convertidor de analógico a digital (ADC) es responsable de tomar la señal analógica y convertirla en un valor representado digitalmente. Estos dispositivos son comunes y se encuentran conectados al micrófono de su teléfono inteligente o al micrófono Bluetooth de su automóvil. Son increíblemente compactos y, en comparación con cuando se introdujeron por primera vez, económicos.

ADC funciona de varias maneras, pero describiremos los conceptos básicos. Imagine, si quiere, una serie de interruptores comparadores, cada uno apilado uno encima del otro y referenciado a un voltaje cada vez mayor. Mantendremos el ejemplo simple y diremos que tenemos ocho interruptores, cada uno de los cuales se activa en

incrementos de 0,125 voltios. Si alimentamos una señal analógica a nuestro árbol de interruptores del comparador con un nivel de 0,3 voltios, los dos interruptores inferiores se encenderán y obtendremos la palabra digital 0010 (que es 2). Si aumentamos el voltaje a 0,8 voltios, activamos todos menos los dos últimos interruptores y obtenemos la palabra 0110 (que es 6).

Contar en Digital

Contar en digital es fácil, una vez que entiendes cómo funciona. Cada espacio en una palabra digital representa un valor de 2 a la potencia de la ubicación. Entonces, el primer espacio es 2 elevado a 0, que es 1. El segundo espacio es 2 elevado a 1, que es 2, el siguiente espacio es 2 elevado a 2, que es 4, y así sucesivamente.

2^0 =1 2^1 =2 2^2 =4 2^3 =8

Para codificar un valor usando este formato, simplemente asignamos un 1 o un 0 a cada marcador de posición de modo que los valores de la suma representados por los marcadores de posición con un 1 representen el valor original.

0000 =0 0001 =1 0010 =2 0011 =3 0100 =4

0101 =5 0110 =6 0111 =7 1000 =8

En nuestro ejemplo anterior, estamos usando una resolución muy baja de 3 bits, lo que significa que solo podemos mostrar ocho niveles diferentes. Esta resolución limitada, por supuesto, introduce algún error, conocido como error de cuantización. Las matemáticas pueden volverse muy complicadas muy rápidamente. Baste decir que en nuestro ejemplo, nuestro digitalizador teórico no conoce la diferencia entre un voltaje de 0,63 y 0,73 voltios. Este es un gran error y no funcionaría en un intento de probar el audio. Por suerte, nuestra resolución de 16 bits nos ofrece 65.536 niveles entre los que elegir.

¿Qué pasa con esos locos gráficos de escalones?

Sin duda, ha visto imágenes de marketing que muestran una comparación de la resolución de audio con calidad de CD frente al audio de alta resolución de 96 kHz y 24 bits.

Si bien el concepto de tener una frecuencia de muestreo más alta y más resolución es preciso, no significa que la señal de audio con calidad de CD sufra de ninguna manera.

Para demostrar esto, creamos dos tonos de prueba de 20 kHz en Adobe Audition. La primera pista tiene una frecuencia de muestreo de 96 kHz y una resolución de 24 bits.

Como puede ver, la forma de onda se ve suave y detallada y muestra aproximadamente cinco muestras por ciclo.

La segunda pista es la misma onda sinusoidal de 20 kHz almacenada con una frecuencia de muestreo de 44,1 kHz y una resolución de 16 bits.

Como puede ver, no hay una diferencia significativa en la forma de las dos formas de onda. Más importante aún, ambos se ven como ondas sinusoidales y ninguno tiene pasos en ellos.

Comprensión del audio digital

El almacenamiento de la señal de audio en el dominio digital ofrece distintos beneficios de empaque y confiabilidad en comparación con los medios de almacenamiento analógicos, como los discos de vinilo y las cintas magnéticas. Por supuesto, los archivos digitales no se degradan con el tiempo. Los archivos digitales también son inmunes a los problemas de velocidad de reproducción. Si su tocadiscos o platina de casete se reproduce demasiado lento, la música no sonará bien.

En un artículo futuro, veremos las opciones de formato de archivo disponibles para almacenar archivos de audio digital. Hasta entonces, asegúrese de visitar a su distribuidor local especializado en mejoras móviles para ver las últimas actualizaciones de unidades fuente compatibles con medios digitales disponibles para su automóvil, camioneta o SUV.