El sonido siempre ha formado parte importante de la tecnología. Desde el siglo XIX, gracias a la invención del fonógrafo, el cual era capaz de grabar y reproducir sonido, y más adelante, se creó un dispositivo de telecomunicación diseñado para trasmitir conversaciones por medio de señales eléctricas llamado teléfono, formalmente inventado por Antonio Meucci en el año 1860.

La evolución tecnológica

Posteriormente, en el siglo XX hubo grandes avances, como el invento de la televisión, el sonido estéreo y las grabaciones de audio en diferentes formatos; la era digital fue un gran progreso que trajo grandes cambios radicales para el registro del sonido. Fue una revolución que ofreció grandes ventajas frente al procesamiento analógico: gran inmunidad al fluido y la distorsión, mayor flexibilidad y modularidad, mayores requerimientos de computación e hizo más sencilla la grabación y reproducción del sonido, además de que su almacenamiento ha sido cada vez más fácil, tiene mayor durabilidad y mejor calidad, entre otras cosas. Por otro lado, reduce drásticamente la complejidad de los sistemas, lo que hace posible la aplicación de complicadas técnicas de procesamiento, muy difíciles o inviables de implementar en el dominio analógico.

En la actualidad estamos mayormente en contacto con equipos digitales que cada vez han ido mejorando en su calidad y funcionalidad, pero es una realidad que siguen existiendo componentes analógicos; entonces, para que una señal digital y analógica puedan coexistir, necesitamos convertir estas señales, por lo que requerimos la función de los convertidores analógico-digital ADC y digital-analógico DAC.

Los convertidores AD y DA tienen como función realizar el proceso de entrada-salida, el cual consiste en la conversión de señales analógicas a digitales (AD) o de señales digitales a analógicas (DA).

Un convertidor analógico-digital es un dispositivo electrónico que convierte una entrada analógica de voltaje a un número digital. La salida digital puede usar diferentes esquemas de codificación, como binario, aunque algunos dispositivos no eléctricos o parcialmente eléctricos pueden ser considerados como convertidores analógicos-digitales.

La resolución de un convertidor indica el número de valores discretos que éste puede producir sobre un rango de valores de voltaje y generalmente es expresado en bits. Por ejemplo, un convertidor que codifica una entrada analógica de 1 a 256 valores discretos (0.255), tiene una resolución de 8 bits: o sea, 2 elevado a 8. La resolución puede también ser definida eléctricamente y expresarse en volts.

Sistema analógico y sistema digital

Los circuitos electrónicos se pueden dividir en dos amplias categorías: digitales y analógicos. La electrónica digital utiliza magnitudes con valores discretos, mientras que la electrónica analógica emplea magnitudes con valores continuos.

Un sistema digital es cualquier dispositivo destinado a la generación, transmisión, procesamiento o almacenamiento de señales digitales. Así, el sistema digital es una combinación de dispositivos diseñado para manipular cantidades físicas o información que estén representadas en forma digital; es decir, que sólo puedan tomar valores discretos.

Para la implementación de los circuitos digitales se utilizan puertas lógicas (AND, OR y NOT) y transistores; estas puertas siguen el comportamiento de algunas funciones.

Un sistema es analógico cuando las magnitudes de la señal se representan mediante variables continuas, esto es análogas a las magnitudes que dan lugar a la generación de esta señal;  además, en un sistema analógico hay dispositivos que manipulan cantidades físicas representadas en forma analógica. Así, una magnitud analógica es aquella que toma valores continuos, mientras que una magnitud digital es aquella que toma un conjunto de valores discretos.

Por otra parte, en una señal analógica existe un voltaje o corriente que varía suave y continuamente, mientras que una onda senoidal es una señal analógica de una sola frecuencia. Los voltajes de la voz y del video también son señales analógicas que varían de acuerdo con el sonido o variaciones de la luz que corresponden a la información que se está transmitiendo.

Las señales digitales, en contraste con las señales analógicas, no varían en forma continua, sino que cambian en pasos o incrementos discretos, como lo mencionamos anteriormente.

Ventajas de los circuitos digitales

  • Capacidad de reproducir resultados – Constancia
  • Facilidad de diseño
  • Flexibilidad y funcionalidad
  • Programabilidad
  • Velocidad
  • Economía
  • Avance tecnológico constante

El método de proceso digital de señales también posibilita la implementación de algoritmos de los mismos y son más sofisticados. Generalmente es muy difícil realizar operaciones matemáticas precisas sobre señales en formato analógico, pero esas mismas operaciones pueden efectuarse de modo rutinario sobre un ordenador digital utilizando software.

Procesos de un ADC y CAD

El convertidor ADC (Analog-to-Digital Converter) tiene que efectuar los siguientes procesos:

1. Muestreo de la señal analógica

2. Cuantización de la propia señal

3. Codificación del resultado de la cuantización, en código binario

El parámetro con mayor importancia a explicar en esta fase es el periodo de muestreo (Ts) o frecuencia de muestreo o (fs= 1/ Ts). El periodo de muestreo se define como el tiempo trascurrido entre dos muestras consecutivas de la señal.

Durante la fase de muestreo se discretiza la señal en el eje temporal; es decir, la señal pasa de ser de tiempo-continuo a ser de tiempo-discreto, o lo que es igual, pasa de tener una amplitud de la señal para un conjunto infinito de valores temporales, rango de tiempo continuo, a tener una amplitud de la señal sólo para ciertos instantes de tiempo, conjunto discreto de valores temporales.

La representación gráfica de medio ciclo positivo (+) , correspondiente a una señal eléctrica analógica de sonido, con sus correspondientes armónicos. Como se podrá observar, los valores de variación de la tensión o voltaje en esta sinusoide pueden variar en una escala.

Para convertir una señal analógica en digital, como se dijo anteriormente, es necesario realizar un muestreo (sampling) de ésta, o lo que es igual, tomar diferentes muestras de tensiones o voltajes en diferentes puntos de la onda senoidal. La frecuencia a la que se realiza el muestreo se denomina razón, tasa o también frecuencia de muestreo y se mide en kilohertz (kHz). En el caso de una grabación digital de audio, a mayor cantidad de muestras tomadas, mayor calidad y fidelidad tendrá la señal digital resultante.

Durante el proceso de muestreo se asignan valores numéricos equivalentes a la tensión o voltaje existente en diferentes puntos de la sinusoide, con la finalidad de realizar a continuación el proceso de cuantización.

Las tasas o frecuencias de muestreo más utilizadas para audio digital son las siguientes:

  • 24, 000 muestras por segundo (24 kHz)
  • 30, 000 muestras por segundo (30 kHz)
  • 44, 100 muestras por segundo (44,1 kHz) (calidad de CD)
  • 48, 000 muestras por segundo (48 kHz)

Por lo tanto, una señal cuyo muestreo se realice a 24 kHz, tendrá menos calidad y fidelidad que otra realizada a 48 kHz. Sin embargo, mientras mayor sea el número de muestras tomadas, mayor será también el ancho de banda necesario para transmitir una señal digital, requiriendo también un espacio mucho mayor para almacenarla.

Cuantización de la señal analógica

Esta fase es la que se encarga de discretizar la señal en amplitud. Después de la fase de muestreo, se tiene una señal discreta en el dominio temporal, pero con unos valores de amplitud continuos; con la cuantización se consigue discretizar la amplitud de la señal y que ésta pase de variar dentro de un rango de valores continuos a variar en un conjunto de valores discretos.

El rango dinámico de la señal de entrada se divide en un conjunto discreto de intervalos, los que se conocen como intervalos de cuantización (Qk). Cada intervalo de cuantificación pasa a ser representado por un único valor, que normalmente corresponde con el número intermedio del intervalo; de esta forma, la señal queda discretizada en amplitud.

En otras palabras, la cuantización representa el componente de muestreo de las variaciones de valores de tensiones o voltajes tomados en diferentes puntos de la onda sinusoidal, que permite medirlos y asignarles sus correspondientes valores en el sistema numérico decimal, antes de convertir esos valores en sistema numérico binario.

Codificación de la señal en código binario

Después de realizada la cuantización, los valores de las tomas de voltajes se representan numéricamente por medio de códigos y estándares previamente establecidos. Lo más común es codificar la señal digital en código numérico binario.

Un ejemplo de sistema electrónico analógico es el altavoz, que se emplea para amplificar el sonido de forma que éste sea escuchadoo por una gran audiencia. Las ondas de sonido que son analógicas en su origen son capturadas por un micrófono y convertidas en una pequeña variación analógica de tensión denominada señal de audio. Esta tensión varía de manera continua a medida que cambia el volumen y la frecuencia del sonido y se aplica a la entrada de un amplificador lineal.

La salida del amplificador, que es la tensión de entrada amplificada, se introduce en el altavoz. Éste convierte, de nuevo, la señal de audio amplificada en ondas sonoras con un volumen mucho mayor que el sonido original captado por el micrófono.

Por último, existen sistemas que utilizan métodos digitales y analógicos; uno de ellos es el reproductor de disco compacto (CD). La música en forma digital se almacena en el CD, un sistema óptico de diodos láser lee los datos digitales del disco cuando éste gira y los transfiere al convertidor digital-analógico o DAC (Digital-to-Analog Converter), que transforma los datos digitales en una señal analógica que es la reproducción eléctrica de la música original. Esta señal se amplifica y se envía al altavoz.

Cuando la música se grabó en el CD se utilizó un proceso que, esencialmente, era el inverso al descrito, usando un convertidor analógico digital ADC.

Los invito a que demos un repaso a estas tecnologías que han hecho evolucionar al audio profesional en las siguientes colaboraciones. ¡Hasta la próxima!

Ingeniera de sonido, sistemas de audio en sala y monitores con más de quince años de experiencia; ha colaborado con artistas y producciones distinguidos en más de veinte tours a nivel nacional e internacional. Ha mezclado para artistas como Kool & The Gang, Gloria Gaynor, Natalia Lafourcade, Mon Laferte y León Larregui. Actualmente se encuentra realizando mezclas en formatos de sonido inmersivo. Es cofundadora de la empresa 3BH, que desarrolla proyectos de integración tecnológica para estudios de post-producción y música en México y Latinoamérica y a partir del 2016 comenzó a representar a la organización Soundgirls.org en México, apoyando a las mujeres a profesionalizarse en la industria del espectáculo.

Por Carolina Anton*