Capítulo 11: Tarjetas de sonido.

11.1. Definición de multimedia

Cuando decimos que un ordenador es de tipo Multimedia, estamos indicando que se encuentra preparado para reproducir y funcionar en muchos medios distintos: Sonido, películas digitales, CD-ROM, grabación de CD-ROM, MPEG, y DVD, etc.

Con esto no queremos decir que todos los aditamentos anteriormente reseñados sean necesarios para tener un ordenador multimedia; evidentemente, cuantos más mejor, pero no es así.  Podemos tener nuestro multimedia barato con una tarjeta de sonido y un buen CD-ROM.

Durante las siguientes páginas, vamos a estudiar dos de los elementos fundamentales para tener el equipo multimedia básico: La tarjeta de sonido y el CD-ROM.

11.2. Principios básicos del sonido

Cuando el ordenador PC se creó estaba pensado para trabajos de oficina, nunca se pensó que fuera a utilizarse en campos de audio y vídeo: Para eso estaban las estaciones de trabajo, los mainframes y los ordenadores Cray, que tuvimos ocasión de verlos en acción en la película TRON (1981), de estudios Disney.

Con el paso del tiempo, y cediendo a la presión de Apple y Commodore, los diseñadores de sistemas PC tuvieron que mejorar las prestaciones de los equipos.  En principio, mejorando las tarjetas gráficas y posteriormente con el sonido.

En este primer capítulo estudiaremos las generalidades de las tarjetas de sonido, pero antes debemos hacer un repaso importante a la manera en que puede tratarse desde el punto de vista electrónico.

Para empezar, sabemos que el sonido no es ni más ni menos que el movimiento del aire de una determinada forma y con una determinada frecuencia de repetición.  Este movimiento de aire puede ser captado por un micrófono y posteriormente grabado en cinta o en disco.  Mediante el micrófono lo que estamos haciendo es transformar las señales sonoras en señales eléctricas, de manera que puedan registrarse en algunos de los sistemas anteriormente reseñados.

Estos sistemas de grabación y almacenamiento son analógicos, o sea, son señales cuyo nivel o voltaje varía desde un mínimo hasta un máximo de manera continua en una serie de valores teóricamente infinitos.

Sin embargo, en un sistema informático nos estamos basando en señales digitales, cuyos niveles son cero y uno lógico.  Es por tanto necesario convertir las señales analógicas en otras digitales que el ordenador entienda.

Debido a la complejidad de las señales analógicas, no vamos a extendernos en ellas, puesto que sería tema de un curso de electrónica; que nos baste sólo con saber algunos conceptos básicos del sonido analógico:

Con estos conceptos, podemos entender algo más de la naturaleza del sonido.

11.3. Conversión de señales, muestreo y cuantificación

Sin embargo, el sonido que antes captamos por el micrófono no tiene validez para nosotros en el campo de la Informática; su voltaje varía dentro de unos límites que pueden ir desde cero voltios a la amplitud que sea.  En el ordenador utilizamos señales cero y uno.

Para poder utilizar las señales analógicas debemos antes convertirlas a digital, mediante una serie de procesos en los cuales puede perderse algo de la calidad si no se hace bien.  Este proceso se denomina digitalización, y consta de dos partes bien diferenciadas: muestreo y cuantificación.

Para empezar, el muestreo consiste en tomar muestras de la señal que va a digitalizarse.  Si pensamos un poco, nos daremos cuenta que no podemos tomar todas las muestras que queramos, puesto que no tendríamos memoria suficiente para almacenarlas todas, o bien el proceso se ralentizaría.

Está claro que cuantas más muestras tomemos del sonido, más parecido será al original, aunque existen determinadas fórmulas matemáticas que indican que pasado un determinado número de muestras por segundo, la calidad no aumenta. 

Las muestras se toman un número determinado de veces por segundo, y cada muestra debe durar el mismo tiempo y efectuarse en el mismo intervalo. 

Observemos el siguiente gráfico:

Como vemos,  estamos tomando  muestras de la señal.  Está claro que hay zonas y matices de la señal que no van a ser tenidas en cuenta, puesto que no han sido muestreadas.  Cuando reconstruyamos más adelante la señal, tendremos una pérdida de calidad. Así que en un principio, cuanto más muestras tomemos, mejor. Para tener una idea de cual es la frecuencia adecuada de muestreo, existe un teorema basado en observaciones empíricas que nos dice que la frecuencia de muestreo debe ser como mínimo el doble que la máxima frecuencia a muestrear:

Frec. Muestreo = 2 x Frec. Máxima de entrada

Está claro que si la máxima frecuencia que el oído puede captar es de 20.000Hz, la frecuencia de muestreo debe ser de 40.000Hz.  Tomando esto en cuenta, la frecuencia de muestreo para señales de audio se ha estandarizado en 44.100Hz, o sea 44,1KHz.

Con muestreos de 44,1KHz se consigue calidad suficiente en el rango de señales de audio.  De hecho, se toman 2,2 muestras de una señal de 20.000Hz, de manera que se considera suficiente para decir que tendrá calidad en la reproducción.  Si la señal fuera de 2.000Hz se habrían tomado 22,2 muestras de ella.

Como vemos, las frecuencias más bajas se muestrean mejor que las altas, lo que implica una frecuencia de muestreo mayor.  De todas formas, el criterio de Niquist es correcto, la prueba son los CD´s de audio.

 En las tarjetas de sonido se utiliza 44,1KHz, 22,05KHz y 11,025KHz.  Estas dos últimas provocan pérdidas, utilizándose en sistemas de baja calidad.  En sonido Pro se utilizan 48KHz y 96KHz.

Una vez realizado el proceso de muestreo, la señal sigue siendo analógica, aunque ya la está tomada a unos intervalos regulares.  Lo siguiente consiste en tomar cada muestra y asignarle un valor numérico que el ordenador entienda.  Este proceso se denomina cuantificación y es muy importante, pues junto con el muestreo definirá la calidad final de la señal cuando luego la recompongamos para poder oírla.

Para ello, lo que hacemos es determinar que número de Bits va a definirnos cada muestra.  Como ejemplo,  utilicemos números de 4Bits:

Tal como vemos en el gráfico, a cada muestra le corresponde un número de 4Bits, o sea, un número  en el rango de 0 a 15 en decimal. Sin embargo, vemos que hay muestras que no encajan en ningún número.  Evidentemente, 16 combinaciones son muy pocas para poder cuantificar una señal analógica, que puede tomar infinitos valores instantáneos, a pesar de haber sido ya muestreada.

Cuando la muestra no corresponde a ningún número, la tarjeta de sonido tomará el valor inferior.  Evidentemente, la señal ya tendrá una distorsión, y un ruido denominado de cuantificación que afecta a la calidad de la señal.

Evidentemente, la solución consiste en utilizar un número de bits más elevado para poder tener más zonas donde es posible que la muestra “encaje”, de manera que la distorsión sea menor.  Asimismo, el ruido de cuantificación disminuirá.

Durante mucho tiempo, se utilizó 8Bits debido a que las velocidades de proceso no eran suficientemente altas; hoy día, tanto en Informática como en el mundo del CD-Audio se utiliza una resolución de 16Bits (65.536 combinaciones). Para poder verlo más claro en un gráfico, podemos utilizar 8Bits (256 combinaciones), de manera que la cosa cambia:

Como vemos, aunque la señal utilizada y la frecuencia de muestreo es la misma, intuimos que el tramo entre la zona inferior (00000000) y la zona media (10000000) y entre esta y la superior (11111111) tiene más pasos intermedios (128 pasos desde la zona media a la superior o la inferior).  Hay más probabilidades de coincidir un número con una muestra, así que imaginarse con 65536 pasos.

Hay que hacer notar que en sonido profesional se utilizan 18, 20 y 24 bits de cuantificación.

Una vez que tenemos la señal muestreada y cuantificada, la secuencia de números se guarda en memoria del ordenador, o se graba como fichero con alguno de los formatos aceptados como  normalizados, como por ejemplo el formato WAVE, con extensión *.WAV.

Los ficheros WAV son los más utilizados, y pueden ser monos o estéreos, muestreados a 44.1, 22.05 ó 11,025KHz y con resoluciones de 8 ó 16Bits.  Es el formato utilizado por las tarjetas de sonido compatibles del mercado, aunque pueden existir otros formatos desarrollados por otras casas, con mayor o menor resultado.

Cuando reproducimos el sonido con la tarjeta de sonido, hacemos la operación inversa:  a intervalos regulares (la misma frecuencia del muestreo) leemos los valores cuantificados y un circuito especial los va transformando en señales analógicas, que son mandadas a los altavoces o al amplificador que tengamos conectado al PC.

Por supuesto, la calidad de la tarjeta de sonido tiene mucho que ver con lo que hemos explicado antes.