Conversión AD/DA, Procesamiento Dinámico y Multiplexación de Datos en Audio

Conversión Analógico-Digital (AD) y Digital-Analógico (DA)

Conversión AD

La señal analógica se muestrea periódicamente según el teorema de Nyquist. Cada muestra se digitaliza en números binarios. El muestreo de una señal limitada en banda no elimina información ni genera ruido, pero en la cuantificación sí se puede perder información de las señales más débiles, ya que el límite inferior de resolución del cuantificador puede provocar distorsión de la señal.

Sistema de Conversión AD

1. Filtro Bajo Anti-Alias: Limita en banda la señal de entrada (fn) al sistema. Según Nyquist, debemos muestrear dicha señal a una velocidad de al menos 2fn muestras/segundo para que sea posteriormente recuperable.
2. Circuito de Muestreo y Retención (Sample and Hold): Mantiene el valor constante de una muestra mientras dura la conversión AD para que su valor no baje más de una fracción del bit menos significativo (LSB) y evitar que la palabra reciba un peso erróneo. El timing jitter es la incertidumbre en la periodicidad del muestreo por la imposibilidad de mantener sin error la señal en cada toma de muestra.
3. Convertidor AD: Cuantifica, codifica y asigna un valor discreto a cada muestra entregada por el muestreador. Lo habitual es la cuantificación uniforme, que cuantifica la señal en pasos de igual amplitud. La señal analógica tiene un número infinito de niveles y la palabra digital un número finito de estados, por lo que aparece un error de cuantificación. Lo que en sistemas analógicos conocemos como relación señal/ruido (SNR), en el sistema digital es señal de error (SE) = 6.02n + 1.76 dB. Este error se disminuye con el ruido blanco de amplitud Q/2 (dither).

Frecuencias de Muestreo Estándar

• 48 kHz
• 44.1 kHz
• 32 kHz

Conversión DA

1. Convertidor DA: Genera una tensión cuyo nivel es determinado por la palabra digital a su entrada.
2. Circuito de Muestreo y Retención: Muestrea a la salida del convertidor DA a intervalos discretos de tiempo.
3. Deglitcher: Corrige las salidas erróneas generadas por el convertidor durante las transiciones de una palabra a la siguiente, eliminando estas transiciones y permitiendo el paso de la señal de salida únicamente cuando es estable.
4. Filtro Bajo Recuperador: Filtro anti-imagen que elimina las frecuencias por encima de 20 kHz para que no provoquen alteraciones al usar el equipo en conjunto con otros de audio.

Sobremuestreo

El sobremuestreo consiste en usar una velocidad mayor que la de Nyquist, ya que esta requiere mucha precisión en los componentes al implementar un convertidor. Las ventajas del sobremuestreo crecen si se trabaja con moldeado de ruido en cuantificadores y recuantificadores, en los que su función se ve afectada por el error de cuantificación. El sobremuestreo permite llegar a una calidad de señal que no necesita tanta precisión, ya que los errores que surjan en la cuantificación quedarán fuera de la banda audible (20 kHz). La velocidad relativamente por encima de Nyquist permite aplicar al filtro anti-aliasing una pendiente de corte mucho más suave, con lo que se evitan problemas de linealidad de fase y rizado de la banda de paso de audio. Para una señal analógica, hablamos de ancho de banda y SNR; su análogo en digital sería el muestreo y la función de la longitud de la palabra. Por lo tanto, incrementando la velocidad de muestreo, reducimos la longitud de las palabras sin pérdida de información. El sobremuestreo permite el uso de convertidores flash, que obtienen elevados factores de sobremuestreo y una mejor resolución por su capacidad de trabajo a muy altas frecuencias.

Procesamiento Dinámico

Dispositivos destinados a alterar los rangos dinámicos de la señal de audio para adaptarla a necesidades concretas.

Compresor

Reduce el margen dinámico manteniendo la sonoridad de todas las fuentes sonoras y sin afectar el equilibrio sonoro del conjunto. Adapta una señal de dinámica elevada.

Tipos de Compresores

1. Compresor Lineal: Amplifican señales inferiores a un nivel de referencia y atenúan las superiores. El punto de rotación (PR) es el nivel para el cual el sistema actúa con ganancia unidad. La selección manual de este parámetro permite indicar desde qué punto se pasará de atenuar a amplificar la señal. Su pendiente de relajación indica la variación en dB que se tiene que dar en la señal de entrada para obtener la de salida. Valores típicos: 2:1 a 8:1.
2. Compresor de Ganancia Constante: Se caracterizan por la curva de transferencia, en la que se distinguen la zona de procesado superior a un nivel de umbral de compresión y la zona de procesado inferior al umbral, que son amplificadas con ganancia unidad.
3. Compresor Limitador: Atenúa señales de nivel superior al umbral aplicando una relación de compresión (RC) y permitiendo el paso de la señal que está por debajo del umbral sin alterarla. La RC varía desde 1:1 (ganancia unidad) hasta infinito:1. Si la RC es muy elevada (más de 10:1), el sistema funciona como limitador y sus variaciones de amplitud en la salida son mínimas aunque en la entrada sean desproporcionadas. Seleccionar el umbral aporta a estos sistemas mucha flexibilidad. En la práctica, primero se ajusta la sensibilidad del equipo para esa señal y después se actúa sobre su margen dinámico.

Parámetros de Compresión

1. Ataque: Tiempo en que el compresor disminuye la ganancia cuando recibe una señal de elevado nivel. Para tiempos de ataque largos, cuando la transición de la señal es de nivel bajo a nivel alto, el compresor amplificará cuando debe atenuar y aparecerán sobreimpulsos que saturarán el canal. El valor de ataque debe ser lo más corto posible para evitar distorsión y adecuar rápidamente la ganancia del pico de señal, de manera que a su salida los incrementos de sonoridad más elevados se asocien al valor medio de la señal tratada y no a sus valores de pico. Un tiempo de ataque demasiado bajo deja el sonido plano, falto de dinámica. Valores adecuados: 1 a 10 ms. Entre estos valores, los sobreimpulsos de poca duración son enmascarados por las componentes de mayor frecuencia, por lo que no son molestos al oído.
2. Caída (Release): Tiempo que debe transcurrir para que el compresor aumente su ganancia cuando el nivel de la señal disminuye rápidamente. Si el tiempo de caída es elevado, seguirá atenuando la señal cuando debería amplificarla, por lo tanto, la estrangula audiblemente, aunque en señales de gran dinámica puede ser beneficioso, ya que el oído enmascara de 100 a 150 ms los niveles bajos que siguen a un transitorio de alto nivel. Si el tiempo de caída es corto, el compresor trata de recuperar cuanto antes el nivel de la señal que va en disminución, pero hay que tener cuidado porque el ruido de fondo cobrará bastante presencia, principalmente al final de cada palabra o sonido, para estos tramos en los que el nivel de señal es bajo y en decadencia. Valores adecuados: 50 a 200 ms.

Ecualizadores (EQs)

Dispositivos electrónicos capaces de modificar la respuesta en frecuencia de un sistema.

Tipos de Ecualizadores

1. Gráficos: Serie de filtros paso banda cuya frecuencia de sintonía es fija. La alteración que provocará en la respuesta del sistema se puede apreciar prácticamente en el frontal del equipo con la curva que le proporcionemos. 1 octava: 10 bandas, ½ octava: 20 bandas, 1/3 octava: 31 bandas. Permiten variaciones de 12 dB por filtro y tienen filtros de alta y baja frecuencia con caídas seleccionables entre 6 y 12 dB por octava. Su uso suele ser ecualizar recintos y evitar realimentación acústica en directo.
2. Paramétricos: Permiten no ser tan precisos sobre la frecuencia en la que se actúa, ampliando el margen sobre las frecuencias adyacentes para proporcionarle otro tipo de curva con un ancho de banda más amplio. Mediante potenciómetros, elegimos ganancia/atenuación, frecuencia sobre la que actuamos y ancho de banda (Q) de trabajo.
3. Semiparamétricos: Igual que los paramétricos, pero sin control de Q.

Multiplexación de Datos

Proceso por el cual se transmite desde una sola línea información de varias fuentes y a varios destinos. Requiere dos señales de sincronismo: sincronismo de bit (indica dónde debe muestrearse cada bit) y reloj de palabra (wc), que indica dónde comienza cada muestra, por lo tanto, sincroniza la frecuencia de muestreo. Es muy importante cuando se trabaja con varios equipos digitales que todos se sincronicen a esta frecuencia de muestreo estable para evitar desviación y falta de sincronismo.

Expansor

Amplifica la señal de nivel superior al umbral seleccionado. Los lineales actúan atenuando por debajo del umbral y amplificando por encima con una magnitud que definirá el nivel y la relación de compresión (RC). Los de ganancia constante quedan definidos por el PR y el factor de expansión, que es la máxima atenuación capaz de dar el sistema para un valor por debajo del umbral. El ataque es el tiempo para que aumente su ganancia al 90% del valor final. La caída es el mismo concepto para la atenuación.

Puerta de Ruido (Noise Gate)

Permite el paso de señales cuyo nivel supera el umbral seleccionado con ganancia unidad y atenúa las inferiores con una relación de expansión (RE) muy elevada, lo que provoca una sensación de aumento de dinámica, ya que el ruido de fondo baja a un nivel no audible. Puesto que trabaja a niveles muy bajos, la puerta debe recuperar rápidamente su ganancia unidad cuando el nivel supere el umbral, por lo tanto, el ataque es muy bajo y la recuperación (release) larga.