Compresión de audio

El sonido es una onda continua que se propaga a través del aire u otros medios, formada por diferencias de presión, de forma que puede detectarse por la medida del nivel de presión en un punto. Las ondas sonoras poseen las características propias y estudiables de las ondas en general, tales como reflexión, refracción y difracción. Al tratarse de una onda continua, se requiere un proceso de digitalización para representarla como una serie de números. Actualmente, la mayoría de las operaciones realizadas sobre señales de sonido son digitales, pues tanto el almacenamiento como el procesado y transmisión de la señal en forma digital ofrece ventajas muy significativas sobre los métodos analógicos.

La tecnología digital es más avanzada y ofrece mayores posibilidades, menor sensibilidad al ruido en la transmisión y capacidad de incluir códigos de protección frente a errores, así como encriptación. Con los mecanismos de decodificación adecuados, además, se pueden tratar simultáneamente señales de diferentes tipos transmitidas por un mismo canal. La desventaja principal de la señal digital es que requiere un ancho de banda mucho mayor que el de la señal analógica, de ahí que se realice un exhaustivo estudio en lo referente a la compresión de datos, algunas de cuyas técnicas serán el centro de nuestro estudio.

El proceso de digitalización se compone de dos fases: muestreo y cuantización.

En el muestreo se divide el eje del tiempo en segmentos discretos: la frecuencia de muestreo será la inversa del tiempo que medie entre una medida y la siguiente. En estos momentos se realiza la cuantización, que, en su forma más sencilla, consiste simplemente en medir el valor de la señal en amplitud y guardarlo. El teorema de Nyquist garantiza que la frecuencia necesaria para muestrear una señal que tiene sus componentes más altas a una frecuencia dada f es como mínimo 2f. Por tanto, siendo el rango superior de la audición humana en torno a los 20 Khz, la frecuencia que garantiza un muestreo adecuado para cualquier sonido audible será de unos 40 Khz.

Concretamente, para obtener sonido de alta calidad se utilizan frecuencias de 44’1 Khz, en el caso del CD, por ejemplo, y hasta 48 Khz, en el caso del DAT. Otros valores típicos son submúltiplos de la primera, 22 y 11 Khz. Según la naturaleza de la aplicación, por supuesto, las frecuencias adecuadas pueden ser muy inferiores, de tal manera que el proceso de la voz acostumbra a realizarse a una frecuencia de entre 6 y 20 Khz. o incluso menos. En lo referente a la cuantización, es evidente que cuantos más bits se utilicen para la división del eje de la amplitud, más “fina” será la partición y por tanto menor el error al atribuir una amplitud concreta al sonido en cada instante.

Por ejemplo, 8 bits ofrecen 256 niveles de cuantización y 16, 65536. El margen dinámico de la audición humana es de unos 100 dB. La división del eje se puede realizar a intervalos iguales o según una determinada función de densidad, buscando más resolución en ciertos tramos si la señal que se trata tiene más componentes en cierta zona de intensidad, como veremos en las técnicas de codificación.

El proceso completo se denomina habitualmente PCM (Pulse Code Modulation) y así nos referiremos a el en lo sucesivo. Se ha descrito de forma sumamente simplista, principalmente porque está ampliamente tratado y es sobradamente conocido, siendo otro el campo de estudio de este trabajo. Sin embargo, entraremos en detalle en todo momento que sea necesario para el desarrollo de la exposición.

Fuente: Apunte Técnicas de Multimedia y Audiovisuales de la U de Londres

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