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Conversión de señales de audio

Siempre que hacemos una grabación ya sea desde un estudio profesional hasta grabar algo con nuestro celular, tenemos que hacer una conversión de señales, de una analógica a una digital para ser precisos, esto para que nuestro dispositivo o computadora entienda en su lenguaje lo que nosotros entendemos en el nuestro.

Para comprender todo este fenómeno vamos a puntualizar ciertos conceptos:

Señal analógica: Es un tipo de señal generada por algún fenómeno electromagnético y que se puede representar por una función matemática continua y de la cual su amplitud y periodo vería en función del tiempo.

Señal digital: Tipo de señal en que cada signo que codifica de la misma puede ser analizado en términos de algunas magnitudes que representan valores discretos, como 1's y 0's del código binario.

En estudio se suele tener esta cadena para el flujo de señal, empezando con la fuente, el micrófono, preamplificador, consola, interfaz, computador y altavoces.
La conversión de señal sucede en la interfaz ya que tenemos el nivel deseado de señal, se convierte en una señal de valores dircetos que puede manipular el computador, pero antes de que sea convertida requiere de 2 variables a considerar para crear la nueva señal: La frecuencia de muestreo y la profundidad de bits.

Frecuencia de muestreo: Numero de muestras que tomará la computadora de una señal continua, con respecto a la frecuencia, para convertirla en discreta en una unidad de tiempo.

Generalmente se usa una frecuencia de 44100 Hz para sesiones de audio, esto nos indica que la computadora va a tomar el valor de la señal 44,100 veces por segundo para generar una onda discreta de 44,100 valores.



Teorema de Nyquist-Shannon: Harry Nyquist y Claude Shannon establecen que: "Para poder replicar una señal con exactitud (matemáticamente revesible en su totalidad) es necesario que la frecuencia de muestreo sea superior al doble de frecuencias leídas. Por tanto el estandar mínimo es 44.1kHz ya que es el poco mayor al doble de 20kHz, por tanto si nuestro oído humano percibe de 20 a 20kHz y considerando una frecuencia crítica de 22.05kHz, el minimo para conversión de señales analógicas a digitales debe ser mínimo a 44.1kHz

El valor 44,100 Hz se obtiene de la factorización de sus valores: 
(2^2)*(3^2)*(5^2)*(7^2) = 44100
Un valor que con base a multiplicaciones es mejor ejecutada por un computador.


En esta tabla se muestran los distintos Sample Rates y sus aplicaciones reales.

Profundidad de bits: Es la resolución de captura de una señal analógica con respecto a la amplitud y determina el rango dinámico de la grabación, es decir el punto mínimo y máximo de decibeles de la señal.

Aquí se muestra una señal de 4 bits (4^2 =16 valores que puede tomar la señal, 8 valores en espectro positivo y 8 en negativo)

Se mide en bits, sabiendo que es la unidad mínima de información digital, que 1 bit = 1 Byte y que para representar sonido ≤ 4 bits ≥ 32 bits:

Ya con estas 2 variables podemos calcular el Bit Rate, que es el número de bits que hay en un 1 segundo de señal digital convertida, es decir cuánta información se crea en 1 segundo:

Bit Rate = (Bit Depth)*(Sample Rate)*(Número de canales)

Ejemplo: Bit rate = (24 bits)(44.1kHz)(mono) = 132.3 kBytes por segundo.

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