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Que es el sonido digital?

Seguramente conoces lo que es un MP3, correcto? MP3 es un formato DIGITAL de compresion de audio que usa lo que se conoce como 'algoritmo de perdida de datos' para disminuir el tamaño de un archivo de sonido.
Pero para comprender de mejor manera como funciona este sistema, deberemos primero entender lo que es la 'digitalizacion del sonido'.




Digitalizacion del Sonido

Como ya hemos visto en varias ocasiones, toda la informacion que las computadoras procesan esta en formato BINARIO, es decir 1's y 0's. Ese es el idioma o lenguage que tu PC entiende. Por ejemplo, cuando usas un sistema de reconocimento de voz, tu celular o tu computadora, para poder "entender" lo que dices, debe convertir el sonido de tu voz en una sucesion de 1's y 0's. Esto es lo que se conoce como Conversion Analogica a Digital. De la misma forma, cuando tu computadora, por ejemplo, reproduce una cancion MP3, debe primero convertir los 1's y 0's de dicha cancion en una onda de sonido que saldra por las bocinas/parlantes/speakers de tu PC para que TU puedas 'entender' la cancion. Esto es lo que se conoce como Conversion Digital a Analogica.



La digitalizacion del sonido consiste en tratar de crear una representacion digital (puros numeros) lo mas exacta posible a una onda de sonido, la cual es, por naturaleza, analogica.

Sampling

Sampling consiste en tomar 'muestras (como fotos sucesivas)' de una onda de sonido a distintos intervalos y asignarles un valor binario.

Si por ejemplo tomamos una grabacion de un sonido que dura 1 segundo y tomamos 16 muestras (samples) y a cada uno de esas muestras de sonidos le asignamos un valor binario, podemos luego 'reconstruir' la onda de sonido original (la cual es por naturaleza 'analogica') a partir de la informacion digital guardada en un archivo de sonido o en un CD.

El formato oficial del CD-Audio tiene una frequencia de muestreo (sampling) de 44.1 Khz. Esto significa que a la hora de digitalizar la cancion, se toman 44,100 muestras de sonido por segundo!

Ese numero no es arbitrario, su eleccion fue porque se supone que el ser humano no puede oir frequencias mayores de 22 Khz, exactamente la mitad de la frequencia de muestreo de un CD.

Como vemos, la frequencia de muestreo determina, en cierta forma, que tan agudos y que tan bajos, pueden ser los sonidos que han sido digitalizados. Una frequencia de muestreo mas alta permitira que aquellos sonidos cuya frequencia es por naturaleza aguda (como los cimbales), se escuchen con mayor fidelidad y claridad.

Sin embargo, esa 'limitacion' fisica de nuestros oidos no ha impedido la fabricacion de otros formatos de sonidos que usan incluso una frequencia de muestreo mucho mayor, como la usada por el estandar del DVD-Audio de 96 khz a 192 khz!


Profundidad del bit


Vimos como a la hora de digitalizar una muestra de sonido, se toman 'muestras' a ciertos intervalos, en el caso de un CD, son 44,100 muestras de sonido cada segundo. Tambien vimos como tambien parte del proceso de digitalizacion incluye asignarle una valor binario a cada uno de esas 44,100 muestras de sonido... Pero como se logra eso, exactamente?

El siguiente gráfico quizás pueda ayudar a entender el concepto:





Con un mayor numero de 'bits' por cada muestra de sonido, podemos reducir el 'efecto escalera' de la onda de sonido digitalizada, de esta manera, logramos un sonido mas parecido al 'real'.

Por ejemplo, con una profundidad de bit de 8-bit, cada sample puede tener no mas de 256 niveles distintos. Con una profundidad de 16-bit, cada sample o muestra de sonido  puede tener 65,533 niveles distintos!
Asi como la cantidad de muestras de sonido por segundo impacta cuan aguda o cuan grave la frequencia del sonido digital llegara a ser, la profundidad del bit esta mas relacionada con el 'rango dinamico' de una onda de sonido, esto es la diferencia entre el sonido mas bajo en intensidad y el sonido mas alto en intensidad. Cuanto mas alto sea la profundidad del bit, mayor sera la 'resolucion' de la onda de sonido digital, por lo tanto mas 'fiel' sera a la onda de sonido analógica original.

Actualmente, el estandar en sonido de alta resolucion mas popular es de 24-bit, en lugar de los 16-bit que se encuentran en un CD de musica... Puedes encontrar grabaciones con calidad de 24-bit/96Khz en los formatos del DVD-Audio, Super Audio CD y Bluray.

Si quieres escuchar la diferencia entre sonido digital grabado a 44.1 Khz y 16-bit de profundidad y otro a 96 Khz y a 24-bit de profundidad, puedes usar los siguientes enlaces:

16-bit/44.1 Khz
24-bit/96 Khz

*Cabe aclarar que la mayoria de las personas no van a notar mucha diferencia. Tambien depende de muchos factores como por ejemplo si tu tarjeta de sonido soporta esos valores de sampling y tambien la calidad de tus bocinas/parlantes/speakers. Si estas escuchando esto en una laptop, olvidate!

El Compact Disc como estándar de sonido digital

Un CD utiliza una frequencia de muestreo de 44.1 Khz (44 mil muestras de sonido por segundo) con una profundidad del bit (resolución) de 16-bit, es decir 65 mil valores de intensidad posibles para cada una de esas 44 mil muestras de sonido.
En general, esto es mas que suficiente para conseguir un sonido prácticamente igual al ofrecido en vivo en el estudio de grabacion, para los oidos de la gran 'mayoría' de las personas. Sin embargo para aquellos individuos autocatalogados como 'audiofilos', la calidad de sonido ofrecida por un CD no es 'suficiente'. Audiofilos son aquellas personas que buscan la perfeccion a la hora de escuchar una cancion grabada en algun formato, ya sea digital o analogico. Es por eso que se crearon otros estandares de audio de alta resolucion como el DVD-Audio y el Super Audio CD, ambos soportando frequencias de muestreo de 96 Khz hasta 192 Khz y una profundidad de bit estandar de 24-bit.


Cuantos bits hay en un CD?

Si en cada segundo de musica en un CD existen 44,100 muestras de sonido y cada una de esas muestras puede tener un valor binario de 16 bits, quiere decir que en cada segundo de sonido en un CD hay 705,600 bits (44,100 x 16). Ahora, no nos olvidemos que el CD ofrece sonido ESTEREO, es decir dos canales de audio simultaneos, por lo tanto tenemos que multiplicar ese numero por dos!


Es decir que en un segundo de audio de un CD-Audio existen 1,411,200 bits!

0001011010010111 0101011101010101 011111110111111 111111111111111 0101010111111011  etc...( 44,095 muestras de sonidos mas en cada segundo)


Cuando el CD es grabado, el LASER crea pequeñas depresiones o pozos en la superficie del disco que representan esos 1's y 0's. Por ejemplo, un pozo equivale a un 0 y un 'no pozo' equivale a un 1. Cuando el LASER lector lee la superficie del CD, los pozos y los 'no pozos' reflejan la luz de forma 'distinta'. Asi es como el sensor del aparato lector de tu reproductor de CD interpreta el reflejo del LASER como un patron de unos y ceros!

Otra manera de referirse a ese casi millon y medio de unos y ceros leidos cada segundo en un CD se llama Bit Rate. El CD tiene un bit rate de 1,411 Kbps ( mil cuatrocientos kilobits por segundo)

MP3

Ahora que entendemos mejor el concepto de digitalizacion del sonido, podemos comprender como funciona la tecnologia MP3. Cuando convertimos una cancion de un CD a un MP3, lo que el programa hace es 'analizar' la cancion usando una serie de algoritmos de compresion de datos y en base a los resultados obtenidos, comienza a BORRAR bits que considera innecesarios!
A grandes rasgos, un MP3 dice 'este sonido tiene una amplitud muy baja y el 98.7% de las personas no lo van a oir, mejor lo elimino para ahorrar espacio! 



Recuerdan esos 1,411,200 bits por segundo en un CD? Bueno, luego de que el algoritmo de compresion MP3 haya hecho su trabajo, dicho millon y medio de 1's y 0's seran reducidos a una miserable cadena de, por ejemplo, tan solo 128,000 bits por segundo, lo que tambien se puede expresar como 128 Kbps, el cual es el bitrate estandar de los MP3!


100101010100001010101010000011101010101010100001010101000100101011111001010100010100101


Y donde fueron a para los bits eliminados? A ningun lado! Ya no existen, y jamas podran ser recuperados! Es por este motivo que el MP3 es considerado un formato de compresion de datos con algortimo de 'perdida' (lossy)


Es por este motivo que una cancion de 5 minutos ocupa, en un CD de Audio, 52.9 MB. Mientras que la misma cancion en formato MP3 ocupa tan solo 4.8 MB!






Algoritmo de compresion de audio sin perdida de informacion

Si MP3 es el rey en los formatos de compresion de audio con perdida de informacion, FLAC (Free Lossless Audio Compression) es el rey de los formatos de compresion de audio SIN perdida de informacion.
Como vimos, al comprimir una cancion en formato MP3, se pierde una enorme cantidad de bits que NO podran ser jamas recuperados. Esta es la manera en la que el MP3 puede 'achicar' el tamaño de una cancion de un CD. La tecnologia FLAC trabaja usando un principio totalmente distinto ya que NO elimina o borra informacion. TODA la informacion original (bits) esta aun en el archivo, solo que ocupa un poco de menos espacio, gracias a un sistema de compresion muy similar al empleado por la tecnologia ZIP

Si bien el 'ratio' de compresion es mucho menor que el ofrecido por el MP3, la calidad final de un archivo FLAC es considerablemente mejor que la de un archivo MP3.

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