8/14/2019 analogicodigital

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Captura y edicin de audio con software libre

1. Introduccin

De la seal analgica a la digital

Una seal es un flujo de informacin proveniente de una fuente, la cual puedetener una naturaleza diversa: mecnica, ptica, magntica, elctrica, acstica... Por logeneral, para poder ser procesadas, las seales se transforman en seales elctricasmediante transductores.

Para su anlisis, las seales habitualmente son modeladas como funcionesmatemticas.

La clasificacin ms bsica de las seales se produce en base a su representacinrespecto a las variables de las que dependen (tiempo, espacio, ...):

Seal analgica es aquella que representa una magnitud de maneracontinua. Pueden provenir de captadores como, por ejemplo, un micrfono(para captar sonidos y trasladarlos a seales elctricas), un termmetro(temperaturas), una sonda baromtrica (capta presiones), un velocmetro...

Seal digital es aquella que toma valores slo para una cantidad discreta depuntos, y adems sus valores son nicamente discretos [1]. Se puedenconsiderar ejemplos de seales digitales a un programa de ordenador, elcontenido de un CD, aunque tambin podra ser la informacin recibida de unsemforo, el cdigo Morse, etc.

De manera parecida a la seal digital, una seal discreta slo tiene valores enuna cantidad discreta de puntos. La diferencia est en que estos valorespueden tomar cualquier valor, es decir, no estn cuantificados. Estas sealesprovienen normalmente de conversores analgico-digitales, o lo que es lomismo, de la discretizacin de seales continuas. Cuando una seal discretaes cuantificada mediante un cuantificador se transforma en una seal digital.

[1] En el contexto informtico, discreto se refiere a la forma particular de codificacin que toma un smbolo o unpaquete de informacin. Por ejemplo, el valor discreto en binario para el carcter ASCII A, es 01000001.

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1.1. De la seal analgica a la digital

1. Muestreo

Frecuencia de muestreo

Un parmetro importante de seales digitales y discretas es la frecuencia demuestreo. La tasa o frecuencia de muestreo es el nmero de muestras por unidadde tiempo que se toman de una seal continua para producir una seal discreta,durante el proceso necesario para convertirla de analgica en digital. Como todas lasfrecuencias, generalmente se expresa en hercios (Hz, ciclos por segundo) o mltiplossuyos, como el kilohercio (kHz), aunque pueden utilizarse otras magnitudes.

Segn el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, para poder replicar con

exactitud la forma de una onda es necesario que la frecuencia de muestreo seasuperior al doble de la mxima frecuencia a muestrear. Por ejemplo, si la frecuenciamxima a muestrear es de 10 khz (10.000 hercios), debemos tomar ms de 20.000muestras por segundo. A esta frecuencia mnima se le llama FRECUENCIA CRTICA.

Es un error frecuente y extendido creer que una misma seal muestreada conuna tasa elevada se reconstruye mejor que una muestreada con una tasa inferior. Lareconstruccin de una seal de 10 kHz es idntica tanto si se obtiene de una tasa demuestreo de 25000 muestras por segundo como de una de 50000 muestras porsegundo. No aporta nada incrementar la tasa de muestreo una vez que esta cumple elcriterio de Nyquist. Tambin son errores frecuentes y extendidos, relacionados con loexpuesto en este prrafo, creer que los puntos que resultan del proceso de muestreose unen en la reconstruccin mediante rectas formando dientes de sierra o que existeun proceso de clculo que realiza la interpolacin de manera simulada. En resumen, elteorema de muestreo demuestra que toda la informacin de una seal contenida en elintervalo temporal entre dos muestras cualesquiera est descrita por la serie total demuestras siempre que la seal registrada sea de naturaleza peridica (como lo es elsonido) y no tenga componentes de frecuencia igual o superior a la mitad de la tasa demuestreo; no es necesario inventarla evolucin de la seal entre muestras.

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Frecuencias de muestreo para audio

En audio, la mxima audiofrecuencia perceptible para el odo humanojoven ysano est en torno a los 20 kHz, por lo que tericamente una frecuencia de muestreode 40000 sera suficiente para su muestreo; no obstante, el estndar introducido por elCD, se estableci en 44100 muestras por segundo. La frecuencia de muestreoligeramente superior permite compensar los filtros utilizados durante la conversinanalgica-digital.

Hay que tener en cuenta que no todas las fuentes sonoras se aproximan a los20 kHz que corresponden a esta frecuencia mxima; la mayora de los sonidos estmuy por debajo de sta. Por ejemplo, si se va a grabar la voz de una soprano, lamxima frecuencia que la cantante ser capaz de producir no tendr armnicos denivel significativo en la ltima octava (de 10 a 20 kHz), con lo que utilizar unafrecuencia de muestreo de 44100 muestras por segundo sera innecesario (se estaraempleando una capacidad de almacenamiento extra que se podra economizar).

Efecto aliasing

Si se utiliza una frecuencia menor a la establecida por el teorema de Nyquist,se produce una distorsin conocida como aliasing; algunos autores traducen estetrmino como solapamiento. El aliasing impide recuperar correctamente la sealcuando las muestras de sta se obtienen a intervalos de tiempo demasiado largos. Laforma de la onda recuperada presenta pendientes muy abruptas.

Una pendiente abrupta genera cierta dispersin de la seal. Esta dispersin es

la responsable de que se generen ecos (entendiendo por eco, no un sonido, sino undesfase o desplazamiento temporal de la seal). Para evitar este efecto se utilizantcnicas como el sobremuestreo y otros tipos de filtros digitales.

1.1.2. Cuantificacin y codificacin

Bsicamente, la cuantificacin lo que hace es convertir una sucesin de

muestras de amplitud contnua en una sucesin de valores discretos preestablecidossegn el cdigo utilizado. Durante el proceso de cuantificacin se mide el nivel detensin de cada una de las muestras, obtenidas en el proceso de muestreo, y se lesatribuye a un valor finito (discreto) de amplitud, seleccionado por aproximacin dentrode un margen de niveles previamente fijado.

En este momento, la seal analgica (que puede tomar cualquier valor) seconvierte en una seal digital, ya que los valores que estn preestablecidos, sonfinitos. No obstante, todava no se traduce al sistema binario. La seal ha quedadorepresentada por un valor finito que durante la codificacin (siguiente proceso de laconversin analgico digital) ser cuando se transforme en una sucesin de ceros yunos.

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As pues, la seal digital que resulta tras la cuantificacin es sensiblementediferente a la seal elctrica analgica que la origin, por lo que siempre va a existiruna cierta diferencia entre ambas que es lo que se conoce como error decuantificacin que se produce cuando el valor real de la muestra no equivale aninguno de los escalones disponibles para su aproximacin y la distancia entre el valorreal y el que se toma como aproximacin es muy grande. Un error de cuantificacin seconvierte en un ruido cuando se reproduzca la seal tras el proceso de decodificacindigital.

Codificacin

Un cdigo binario es cualquiercdigo formado por dos smbolos que puedenser combinados para codificar informacin. Por lo general, los dos smbolos

empleados son el 0 y el 1. A cada uno de los dgitos (dgitos binarios) que forman lascombinaciones del cdigo se los denomina bits. El codificador convierte la sealdiscreta, descrita por valores discretos, en seal digital, donde cada muestra estdefinida por una secuencia de 0 y 1 (por ejemplo, si codificamos en 16 bits, cadamuestra estar definida por 16 dgitos). La secuencia resultante de cdigos es lo que,al final del proceso, se acaba grabando sobre un CD.

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