Audio analógico y digital

El audio es una señal eléctrica, que representa el sonido, que son ondas de presión longitudinales que se propagan por un medio como el aire, y se puede clasificar en dos tipos, señal analógica y señal digital.

Señal analógica

Es una señal eléctrica que es cotinua en el tiempo y representa una cantidad análoga a otra cantidad, que en este caso es la representación de las ondas de presion del sonido en forma de voltaje de la corriente eléctrica.

Señal digital

Es una señal eléctrica que mediante pulsos eléctricos, representa información codificada en bits de una cantidad en valores discretos para cada instante de tiempo, que en este caso es el voltaje variable de una señal analógica.

Para entender ambas señales, se van a describir dos sistemas electrónicos que son fundamentales para la grabación y reproducción de audio, tanto digital como analógico, que son el Convertidor analógico-digital y el Convertidor digital-analógico, o ADC y DAC por sus siglas en inglés.

Pero antes de continuar, se van a introducir varios conceptos que se irán repitiendo durante las descripciones de dichos sistemas electrónicos.

• Ruido: Es el conjunto de perturbaciones eléctricas que interfieren sobre la señal transmitada o procesada.
• Distorsión: Es la alteración de la forma o características de la señal original procesada.
• Cuantificación: Es el proceso de conversión de valores de un conjunto a otro conjunto de valores más pequeño, que a menudo tiene un tamaño finito de número de elementos, como pueden ser los procesos de redondeo y truncamiento en matemáticas.
• Muestra: Es el valor cuantificado de una señal analógica en un instante de tiempo determinado.
• Muestreo: Es el proceso de reducción de una señal analógica a una señal digital, escogiendo los valores del voltaje de la señal periódicamente.
• Frecuencia: Es la magnitud física que mide las veces por unidad de tiempo en que se repite un ciclo de una señal periódica.
• Ancho de banda: Es la longitud de la extensión de frecuencias, en la que se concentra la mayor potencia de una señal analógica.
• Frecuencia de muestreo: Es el número de muestras por segundo escogido de una señal analógica para crear una señal digital.
• Resolución: Es el número de bits de información utilizado para cada muestra, que también se le conoce como profundidad de bits.
• Rango dinámico: Es la relación entre el mayor y menor de los valores medibles de la cantidad representada en una señal eléctrica.
• Tramado: Es el proceso de eliminación de la distorsión producida por los errores de cuantificación de una señal analógica, que son reemplazados por ruido aleatorio, fijo y constante.
• Solapamiento: Es el fenómeno ocurrido en el muestreo de una señal analógica, donde la señal digital resultante, es indistinguible de la señal digital que produciría el muestreo de una señal analógica con una frecuencia más baja.
• Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon: Es un teorema fundamental en la teoría de la información, que relaciona el rango de frecuencias de una señal y la frecuencia de muestreo requerida para evitar el solapamiento, y establece que la frecuencia de muestreo tiene que ser al menos el doble de la frecuencia más alta de la señal.
• Señal de reloj: Es una señal eléctrónica que oscila entre un estado alto y uno bajo a una frecuencia constante, y se utiliza para sincronizar acciones de circuitos electrónicos digitales.
• Fluctuacion de retardo: Es la desviación de la periodicidad real de una señal presumiblemente periódica, a menudo en relación con una señal de reloj de referencia.

Convertidor analógico-digital

Es un sistema electrónico que convierte una señal analógica en una señal digital.

Esta conversión implica la cuantificación o quantization en inglés, de los valores del voltaje, que necesariamente introduce una pequeña cantidad de errores, que se manifiesta como ruido de baja frecuencia, y que es eliminado mediante el tramado o dithering en inglés. Además, esta conversión se hace a través del muestreo o sampling en inglés, de la señal, que da a lugar al conjunto de muestras o samples en inglés, que conforman la señal digital.

La calidad de la señal digital resultante viene caracterizada principalmente por el ancho de banda, la frecuencia de muestreo o sample rate_ en inglés, y la resolución. Durante el proceso de conversión, pueden aparecer problemas como la fluctuación de retardo o jitter en inglés, el ruido y el solapamiento o aliasing en inglés, y este último ocurre cuando la frecuencia de muestreo es menor que la que establece el Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon.

Convertidor digital-analógico

Es un sistema electrónico que convierte una señal digital en una señal analógica.

Esta conversión sigue el proceso inverso al descrito anteriormente para el Convertidor analógico-digital, y siempre que el ancho de banda de la señal analógica cumpla con el Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, y el muestreo se haya hecho con una resolución adecuada, la señal analógica original se puede reconstruir a partir de las muestras. Sin embargo, la señal analógica resultante no será idéntica a la señal analógica original, debido a los errores de cuantificación, el solapamiento, ruido etc.

Ambos sistemas electrónicos de conversión de señales se implementan comúnmente mediante circuitos integrados de señal mixta, que son circuitos electrónicos que combinan circuitos analógicos y digitales utilizando semiconductores como el transistor de efecto de campo metal-óxido o MOSFET por sus siglas en inglés.

Estos sistemas electrónicos se pueden encontrar integrados en dispositivos como micrófonos, auriculares, altavoces, tarjetas de sonido, interfaces de audio, sintetizadores y un largo etcétera.