Audio Digital Explicado: Cuantizacion,PCM,Bits y Hertz

Audio Digital

El audio digital es una de las tecnologías modernas prevalecientes, quizás solo se le resiste el radio AF/FM y las personas que aun gozan de escuchar su música en discos de vinyl. Pero como es que se convierte una señal de audio análoga en una digital?, y que quieren decir valores como 16 y 24 bits o 44,48 o 49khz cuando hablamos de audio?  Vamos a averiguarlo:

Vamos a explicar cómo se codifica una señal de audio análogo en una señal digital, alla por 1937 el inglés Alec Reeves invento un método donde la señal analógica es muestreada regularmente en intervalos uniformes, y cada muestra es cuantizada, (En física, una cuantización es un procedimiento matemático para construir un modelo cuántico para un sistema físico a partir de su descripción clásica). (slide con la definición de Cuantizacion) al valor más cercano dentro de un rango de pasos digitales, a esto se le llamo PCM o Pulse Code Modulation  y desde entonces se ha convertido en el estándar para el manejo de audio digital en casi todos los casos.

Okeeeeey?!?!?

Ok, vamos a explicar cómo funciona….

Cuantización PCM

Tomaremos esta onda de audio que asumiremos dura un segundo y vamos a situarla en una gráfica, donde el eje vertical es la amplitud de la onda, mientras que el eje horizontal es el tiempo

Nuestra onda de muestra.

Ahora bien, cuando hablamos de Audio digital y nos referimos a 8,16 o 24 bits estamos especificando la resolución o pasos que tendremos en el eje de la amplitud de la onda, por ejemplo supongamos que vamos a codificar nuestra onda de audio usando 4 bits, dado que cada bit puede tener 2 valores posibles (0 y 1), al tener 4 bits obtenemos 16 posiciones posibles (2x2x2x2), aquí representados en esta tabla.

4 bits = 16 valores.

Mientras que cuando hablamos de 44,48 o 96 khz nos referimos a la cantidad de muestras por segundo en las que se registrara la posición de la onda, a esto normalmente se le conoce como velocidad de muestreo. Así que para nuestro ejemplo vamos a suponer que nuestra onda la vamos a registrar 26 veces por segundo, así que los representaremos en la gráfica junto con las 16 posiciones de la amplitud. (por cierto como la cantidad de registros se mantiene constante a este tipo de codificación se le conoce como LPCM, la L significa Linear).

Si ponemos algunas líneas de apoyo nos daremos cuenta que tenemos una cantidad finita de intersecciones donde podemos definir valores y que además estos no siempre coinciden exactamente con la amplitud de nuestra onda al momento de tomar la muestra, aquí es donde el proceso de cuantizado se encarga de colocar el registro de la muestra en el paso más cercano en el eje de la amplitud, así nuestra onda quedara registrada de esta manera.

Nuestra onda codificada a 4bits x 16herts.

Aunque muy similar no es perfectamente igual a nuestra onda original….

Y que hacemos si queremos mejorar nuestra codificación para hacerla aún más parecida?

Mejorando la Codificación

Pues introducir más bits para mejorar la resolución de la amplitud y aumentar la cantidad de muestras por segundo de nuestra onda,  por cada bit que agregamos para mejorar la resolución se duplica la cantidad de posiciones disponibles en el eje de la amplitud, así:

Bits vs Posiciones disponibles.

Es importante notar que por ejemplo, al pasar de 4 a 16 bits necesitamos 4 veces más bits, pero esto mejora la resolución más de 4,000 mil veces.

En cuanto a la velocidad de muestreo esto es mucho más simple ya que por cada muestra que necesitemos estaremos usando la cantidad de bits de resolución que hayamos definido para la amplitud.

Así en nuestro ejemplo, estábamos usando 4 bits a una velocidad de 26 muestras por segundo, es decir:

4 bits x 26 mps = 106 bps.

Si decidiéramos duplicar la resolución utilizando 5 bits así como duplicar la velocidad de muestreo para nuestra onda tendríamos:}

5bits x 52 mps = 260 bps.

Aplicando estos valores a nuestra gráfica se vería así, podemos ver que ahora tenemos muchas más posiciones disponibles para colocar valores.

Nuestra onda cuantizada a 5 bits x 52 hertz.

Como consecuencia, el proceso de cuantizacion tiene la posibilidad de crear una serie de registros que son más cercanos a la posición de nuestra onda de muestra. Esto quiere decir que tenemos una representación digital más cercana al audio análogo original.

Vamos a desfasar las ondas para que podamos ver cuán similares o diferentes son entre sí: En Azul tenemos nuestra onda análoga Original, en verde nuestra onda cuantizada a 4 bits y 26 Hz o muestras por segundo, finalmente en rojo nuestra onda cuantizada a 8 bits y 52 hz.

Comparación entre la onda original y las cuantizadas.

Si deseáramos seguir incrementando la calidad de nuestra onda, simplemente agregaríamos más bits a nuestra resolución, así como aumentar la velocidad de muestreo.

Y los CD Audio?

Bueno ahora que ya sabemos cómo se codifica una señal de audio. Vamos a ver qué resolución y que velocidad de muestreo usa el CD, que es el standard en cuanto a formatos de alta definición musical.

CD – 16/44 KHz, (16×44,000×2 canales) = 1,408,000 bps convirtiéndolo a Bits nos damos cuenta que requerimos 10.56 MBpm.

Valores de codificación de un CD.

Pero la realidad es que actualmente ya es muy raro que escuchemos música en formato de CD puro. Esto es debido a que servicios como Spotify, Google Music u Apple Music utilizan compresión de audio para ahorrar espacio.

Esa explicación queda para otro capítulo, no te olvides suscribirte nuestras redes sociales, especialmente a nuestro canal de Youtube.  Muchas gracias y nos vemos en la próxima!!!!