Audio digital

El audio digital es la codificación digital de una señal eléctrica que representa una onda sonora. Consiste en una secuencia de valores enteros y se obtienen de dos procesos: el muestreo y la cuantificación digital de la señal eléctrica.

Muestreo digital de una señal de audio.

El muestreo consiste en fijar la amplitud de la señal eléctrica a intervalos regulares de tiempo ( 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 tendría un ancho de banda similar al de la radio FM o una cinta de casete, es decir, permite registrar componentes de hasta 15 kHz, aproximadamente.fi

Para reproducir un determinado intervalo de frecuencias se necesita una tasa de muestreo de poco más del doble ( Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon). Por ejemplo en los CD, que reproducen hasta 20 kHz, emplean una tasa de muestreo de 44,1 kHz (frecuencia Nyquist de 22,05 kHz).

La cuantificación consiste en convertir el nivel de las muestra fijadas en el proceso de muestreo, normalmente, un nivel de tensión, en un valor entero de rango finito y predeterminado. Por ejemplo, utilizando cuantificación lineal, una codificación lineal de 8 bits discriminará entre 256 niveles de señal equidistantes (28). También se pueden hacer cuantificaciones no lineales, como es el caso de cuantificadores logarítmicos como la Ley Mu o la Ley A, que, a modo de ejemplo, aún usando 8 bits funcionan perceptualmente como 10 bits lineales para señales de baja amplitud en promedio, como la voz humana por ejemplo.

El formato más usado de audio digital PCM lineal es el del CD de audio: 44,1 kHz de tasa de muestreo y cuantificación lineal de 16 bits (que mide 65536 niveles de señal diferentes) y que, en la práctica, permite registrar x analógicas con componentes hasta los 20 kHz y con relaciones señal a ruido de más de 90 dB.

Tasa de muestreo

Ejemplo de reconstrucción de una señal de 14,7 kHz (línea gris discontinua) con sólo cinco muestras. Cada ciclo se compone de sólo 3 muestras a 44100 muestras por segundo. La reconstrucción teórica resulta de la suma ponderada de la función de interpolación g(t) y sus versiones correspondientes desplazadas en el tiempo g(t-nT) con , donde los coeficientes de ponderación son las muestras x(n). En esta imagen cada función de interpolación está representada con un color (en total, cinco) y están ponderadas al valor de su correspondiente muestra (el máximo de cada función pasa por un punto azul que representa la muestra).

De acuerdo con el Teorema de muestreo de Nyquist, la tasa de muestreo, esto es, el número de muestras con las que se realiza el proceso de muestreo en una unidad de tiempo, determina exclusivamente la frecuencia máxima de los componentes armónicos que pueden formar parte del material a digitalizar.[3]

Aliasing

Con objeto de evitar el fenómeno conocido como aliasing, es necesario eliminar todos los componentes de frecuencias que exceden la mitad de la tasa de muestreo, es decir, del límite de Nyquist, antes del proceso de digitalización ( conversión A/D). En la práctica, estos componentes se atenúan fuertemente mediante un filtro activo analógico paso-bajo que se aplica a la señal analógica de interés antes de su digitalización y que para este objetivo se denomina filtro antialiasing. En el proceso de reconstrucción posterior ( conversión D/A) de la reproducción se deberá aplicar en esencia el mismo filtrado analógico mediante un filtro que, empleado en este proceso, se denomina de reconstrucción.

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