La conversión analógico-digital en audio y vídeo

El paso del ámbito analógico a digital de los medios audiovisuales, la conversión analógico-digital ha supuesto un salto innegable de calidad visual y auditiva que acerca de forma extraordinaria el aspecto de las copias para uso doméstico a los másteres originales. Nadie duda de la calidad de imagen y sonido de un Blu-ray 4K y de la enorme diferencia que existe con respecto a un VHS. O del sonido limpio puro y cristalino de un CD o un archivo sonoro en formato Hi-Res comparado con una cinta de cassette o incluso un disco de vinilo (aunque en este caso quizá haya puristas que quieran negar la mayor). No solo es la calidad original de los materiales, sino que en el ámbito digital se pueden realizar infinitas copias sucesivas sin ninguna pérdida de calidad, cosa que es imposible en el ámbito analógico.

Analógico y digital

El mundo real es analógico. Nuestros ojos y nuestros oídos funcionan de forma analógica interpretando variaciones de luz y de color o de presión sonora que cambian de forma continua. Una imagen de vídeo se representa analógicamente mediante formas de onda que traducen sus cambios de brillo y de color. Un sonido se representa analógicamente mediante formas de onda que muestran su frecuencia y su amplitud (volumen). Los aparatos de grabación de audio y vídeo analógico registran estas ondas en un material magnético, y el resultado puede ser más o menos fiel. En los diferentes dispositivos de la cadena audiovisual, las ondas se tratan como variaciones de tensión, frecuencia y fase (en el caso del video).

Conversión analógico-digital

La señal analógica de audio muestra variaciones de amplitud y frecuencia a lo largo del tiempo

Cualquier pérdida de similitud en la onda original, la onda grabada, o la onda reproducida, se traduce en una falta de fidelidad del medio reproducido con respecto al medio original. Esta falta de fidelidad se puede producir en diversos componentes de la cadena audiovisual.

Cuando realizamos una conversión analógico-digital de una imagen o un sonido, traducimos la representación analógica original a números binarios. Toda la información se traduce a una mera sucesión de “unos” y “ceros”, con distintos significados. Los errores de la forma de onda digital grabada no tienen incidencia en el resultado final con tal de que la onda se pueda interpretar como un “uno” o un “cero”. Incluso en el caso de pérdida total de algunos”unos” o “ceros”, se puede restaurar una señal aproximada mediante rutinas de corrección de errores, logrando que la incidencia final en la calidad sea mínima o nula. La señal digital también es muy robusta frente a interferencias, pues cualquier ruido analógico que se sume a la señal es totalmente ignorado.

Los procesos de la conversión analógico-digital

El procedimiento por el cual una señal eléctrica que transporta información de audio y vídeo se digitaliza y se convierte a dígitos binarios (unos y ceros) se denomina conversión analógico digital. Este proceso se lleva a cabo mediante el conversor AD, un componente electrónico especializado en esta tarea. En el conversor se llevan a cabo dos procesos, el muestreo y la cuantificación. El muestreo consiste, como su nombre indica, en tomar muestras de la señal analógica cada cierto tiempo. La cuantificación es el proceso por el cual se da un valor numérico a estas muestras. Este valor asigna en código binario, usando solo “unos” y “ceros”, con lo que el resultado final es un chorro de dígitos binarios que representan la onda original.

Conversión analógico-digital

Un chip para conversión analógico a digital puede ser un componente extremadamente barato y sencillo, como éste de la foto, que cuesta menos de 4 euros

El muestreo y la cuantificación son variables que afectan a la fidelidad final de la señal digital con respecto a la original analógica. Es fácil entender que cuanto mayor sea la frecuencia de muestreo, es decir, cuanto más muestras se tomen por segundo, y mayor sea la cuantificación, más fiel será la señal digital. Es por eso que según avanza la tecnología, podemos ver cómo todas las características que atañen a la señal digital aumentan en bits y frecuencias en hercios, kilohercios y gigahercios.

La conversión digital/analógico

La señal audiovisual en formato digital es perfecta para su almacenamiento, transporte y distribución. Pero para visualizar las imágenes o escuchar el sonido, es necesario devolverla al ámbito analógico, antes de atacar la pantallla del televisor, los elementos de imagen del proyector, el amplificador de la cadena musical o los altavoces activos. Este proceso se lleva a cabo por el conversor Digital a Analógico, o DAC. En el caso de los dispositivos de imagen siempre está incluido en el mismo. En el caso de los sistemas de audio, puede estar incorporado en diferentes elementos, como el amplificador, receptor AV, el reproductor de red, o puede ser un elemento separado. En todos los casos, entregará una señal analógica lista para ser amplificada y escucharse por los altavoces.

Conversión analógico-digital

Por DAC se entiende también a menudo dispostivos que reciben una señal digital pura y la convierten a analógica, de forma que se pueda atacar con ella amplificadores y otros componenetes. Puede ser un dispositivo que solo cumpla otra función, o otros tipos de dispostivos (amplificadores, reproductores, auriculares, altavoces activos), que además funcionen como DAC

Los DACs suelen ser chips especializados, que reciben la señal digital y generan a partir de ella una onda analógica, con la información de vídeo, de audio, o ambas. La calidad de un DAC depende de los formatos digitales que que admite en su entrada, y de las frecuencias de muestreo y niveles de cuantificación que soporta.

Conversión analógico-digital

El AKM AL4493EQ es un chip DAC de alta calidad para dispositivos de audio de nivel audiófilo. Puede decodificar incluso audio de alta resolución con altas frecuencias de muestreo y profundidad de bits

Compresión

Los datos digitales pueden requerir mucho espacio para su almacenamiento, y también un ancho de banda muy grande para su transmisión. Este espacio y ancho de banda depende de las características técnicas de la señal. Los contenidos de mayor calidad son los que requieren mayores recursos. Para reducirlos, se recurre a diversas técnicas de compresión. Algunas de estas técnicas producen pérdidas, en el sentido de que la señal, una vez descomprimida, no es idéntica a la original. Otras, sin embargo, no producen estas pérdidas. Cuanto más se comprime la señal, menos ancho de banda necesita, pero más se degrada su calidad (si es mediante un sistema con pérdidas). Formatos de imagen como Motion JEG, H.264, y otros muchos, con comprimidos. Como lo son en audio los conocidos MP3, FLAC y otros más.

Conversión analógico-digital

Un esquema básico de la digitalización con sus fases. La onda analógica primero se muestrea, las muestas se cuantifican, y finalmente se codifica de acuerdo con el formato en que se va a distribuir, a menudo sometiéndola a algún tipo de compresión

A la hora de digitalizar una señal, sea de audio o sea de cualquier otro tipo, una decisión trascendental es la frecuencia de muestreo. Para ello, se toma en cuenta el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, que indica que para que la señal se digitalice con la máxima fidelidad, es necesario muestrearla, al menos, a dos veces su frecuencia máxima. La gama de frecuencias audibles por un oido humano medio va desde los 20 Hz hasta los 20 kHz. De ahí que la frecuencia de muestreo más habitual en audio (por ejemplo en los CD) sea 44,1 kHz (se deja un pequeño margen por motivos prácticos). Esta es la frecuencia de muestreo mínima para obtener calidad Hi-Fi. A partir de esta, y según mejoran las tecnologías, vemos como esta frecuencia de muestreo se va multiplicando, y ya es normal ver tasas de 48 kHz, 88,2 kHz, 96 kHz, 176,4 kHz  y hasta 192 kHz.

Conversión analógico-digital

La otra decisión importante es la profundidad de bits de la cuantificación. La aritmética binaria agrupa los bits (“unos” y “ceros”) en palabras binarias que pueden ser de 4, 8, 16, 32 dígitos o más. Cuantos más dígitos, más valores se pueden representar con una palabra binaria, y por lo tanto, mejor representación de la onda analógica. Como siempre, el estado del arte de la tecnología es el que determina la profundidad de bits que se puede utilizar. CD audio utiliza 16bits, al igual que la mayoría de los formatos digitales de audio. Pero ya es frecuente encontrar formatos que utilizan 24 bits y, aunque más raros, de 32 y 64 bits.

Una aproximación a la digitalización diferente es la que usan los archivos DSD y DSF. Su tecnología de codificación se denomina Modulación por Densidad de Pulsos. En este caso, la onda se representa con un solo bit, pero es la densidad de pulsos, es decir, cuanto de “apretados” están en el tiempo, lo que determina la forma de onda.

Conversión analógico-digital

La señal de vídeo es muy compleja, y debe ser digitalizada teniendo en cuenta las diferentes partes que la componen. La crominancia se muestrea la mitad de veces que la luminancia, y en sus dos componentes

Conversión analógico-digital de vídeo

La onda analógica de televisión es mucho más complicada que la de audio, y por lo tanto, su digitalización. A pesar de que las cámaras de televisión captan los pixeles de la imagen como una triada de valores RGB, no son éstos valores los que se digitalizan, sino los componentes que se determinan a partir de éstos. Los componentes son la luminancia, y las señales diferencia de color. Si la norma empleada es 4:2:2, la señal de luminancia se muestrea al doble de frecuencia que las señales diferencia de color. Si es 4:4:4, todas las señales se muestrean a la misma frecuncia. Como hay muchas normas de televisión, las frecuencias de muestreo varían. Por ejemplo, la ITU-R BT 601, para televisión 625/50 es de 13,5 MHz para la luminancia y 6,75 MHZ para la señales diferencia de color.

Conversión analógico-digital

Un ejemplo de cómo se ve la señal analógica de luminancia y los componentes de color, de un cuadro de televisión

Las cifras no han sido elegidas caprichosamente, sino que corresponden a múltiplos de la frecuencia de la subportadora de color NTSC, que es 3,579545 MHz . De ahí los valores 4:2:2; Cuatro y dos veces la frecuencia de esta subportadora. La norma UIT-R  BT.709-6 para televisión HD se basa también en un sistema 4:2:2, pero con frecuencias de muestreo hasta cuatro veces mayores, variables, pues en esta norma puede haber desde sistemas 60p hasta 24/PsF. También contempla un modo 4:4:4 donde se muestrean los primarios RGB, también variables dependiendo de las especificaciones del sistema. Y para que no sea tan fácil, hay otro norma 4:2:0 en la que las muestras de color se toman en líneas alternas.

La cuantificación más habitual es 8 bits. Pero a partir de la norma BT.709-6 se contemplan sistemas con cuantificación de 10 bits, que cada vez son más soportados por los televisores modernos. UHD complica la cosa todavía más.

ACERCA DEL AUTOR