Frecuencia de muestreo

La frecuencia de muestreo, también conocida como tasa de muestreo, es el número de muestras que se toman por intervalo de tiempo. De esta forma, si se cogen 8.000 muestras de una señal en 1 segundo, hablamos de una frecuencia de muestreo de 8.000 Hz.

Debido a que normalmente su utilizan frecuencias de varias decenas de miles de muestras por segundo, es común encontrar la unidad kHz (equivalente a 1.000 Hz).

El punto clave aquí es que a mayor número de muestras por segundo, más fiel será la representación de la señal sonora original en el eje temporal, a la vez que podremos registrar frecuencias más altas (es decir, a mayor tasa de muestreo, mayores serán las frecuencias que podamos registrar).

El oído humano no es capaz de percibir frecuencias de más de 20 kHz, por lo que una tasa de muestreo de 48 kHz es suficiente para registrar audio de una forma fiel. La norma que se aplica generalmente, es utilizar como mínimo una tasa de muestreo del doble de la frecuencia más alta que queramos registrar.

Bits por muestra

Los bits por muestra es el número de bits que vamos a utilizar para codificar cada muestra tomada. Si hemos utilizado una frecuencia de muestreo de 8.000Hz, cada segundo tendrá 8.000 muestras, y cada una de ellas será codificada con un número determinado de bits. Lo normal es utilizar 8, 16, 24 o 32 bits por muestra

El punto clave aquí es que a mayor número de bits por muestra, mayor precisión en la representación de la señal en el eje de la amplitud (normalmente voltaje).

Tasa de bits

La tasa de bits también es uno de los parámetros del audio digital, pero no debe confundirse con los aspectos vistos anteriormente, ya que es la tasa de datos (bitrate) de una señal de audio final, después de haber sido codificada.

De esta forma, una señal de audio codificada con una tasa de muestreo de 44.100Hz y con 16bits por muestra (asumiendo que no ha recibido ningún tipo de compresión), tendrá un flujo de datos de datos de 44.100×16 = 705.600 bits/segundo = 706 kbits/s (aplicando redondeo).

Número de canales

Podemos dividir diferentes tipos de formatos de audio en función del número de canales que tienen.

Mono

Hablamos de señal mono (monoaural) cuando se trata de un único canal de audio. Por ejemplo, la grabación que realiza un micrófono individual, o la grabación de una guitarra a través de una interfaz de audio.

Una señal mono no necesariamente se corresponde con un único instrumento; por ejemplo, podemos exportar una canción creada originalmente en estéreo a un fichero de audio de un único canal (mono).

Estéreo

Hablamos de señal estéreo (estereofónica) cuando se trata de dos canales de audio. Normalmente una de las señales está pensada para hacerla llegar al oído izquierdo (L) y la otra para hacerla llegar al oído derecho (R).

Es típico encontrar la música en este formato, para ser reproducida por un par de altavoces (izquierdo y derecho), ya sea a través de cascos o monitores de audio.

Otros

Hay formatos y sistemas capaces de soportar audio con más de dos canales. Un ejemplo típico es el del estándar Dolby Digital con sonido 5.1, que cuenta con 6 canales de audio para generar una atmósfera sonora completa para el espectador.

Códec y formato

Otro aspecto a tener en cuenta siempre es el códec con el que vamos a codificar la señal y el formato contenedor de audio que usaremos para almacenarla.

Generalmente utilizaremos códecs y formatos de audio sin pérdidas durante las diferentes etapas de producción y postproducción (grabación, limpieza de ruido, edición, mezcla, etc.), tales como WAV, AIFF o FLAC.

Utilizaremos códecs y formatos con compresión (tales como MP3, AAC, Vorbis, etc.) a la hora de exportar nuestro proyecto para ser consumido en diferentes dispositivos y tecnologías: reproductores portátiles, streaming, etc.

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Podríamos definir el sonido de forma aún más técnica, pero en este artículo nos bastará con saber que tal onda de presión es representable como señal eléctrica cuando es registrada, por ejemplo, con un micrófono.

Definición de formato

En el contexto del audio, el formato es la «forma» en que la información de sonido (generalmente representada por una señal eléctrica) es almacenada en un soporte, ya sea digital o analógico, como veremos más adelante.

Formato Analógico vs Digital

Aunque hoy día el usuario medio trabaje casi siempre en un ambiente digital, hay que tener en cuenta que un formato de audio no necesariamente lo es.

El audio analógico suele almacenarse como una señal eléctrica o magnética en determinados soportes, y es la representación de una onda de presión (generalmente propagada por el aire) que es contínua por naturaleza. Las ondas de sonido se registran de forma analógica por medio de dispositivos como micrófonos, pastillas de guitarra, interfaces de sonido, etc., y luego pasan por un proceso de muestreo para ser digitalizadas.

Es cierto que en muchas situaciones encontramos sistemas híbridos o incluso conversiones de señal analógico/digitales (y viceversa) para compatibilizar equipos entre sí, por eso en este artículo vamos a ir a los ejemplos sencillos y más fácilmente comprensibles.

Formatos de audio analógico

Hablamos de audio analógico cuando los datos de sonido no están transmitidos o almacenados en un lenguaje binario (secuencia de 0s y 1s). Cabe destacar que muchas veces los formatos analógicos están directamente relacionados con los soportes físicos utilizados. Algunos ejemplos son:

Disco de vinilo

Introducido en 1948 por la compañía Columbia Records en los Estados Unidos, fue un formato de audio analógico increiblemente exitoso durante décadas, basado en la reproducción física de la señal sonora en los propios surcos del disco.

Cintas magnéticas

Más que de un formato se trata de un tipo de soporte físico para el almacenamiento de la señal de audio analógico (aunque también se puede grabar señales digitales en este tipo de soportes). Dentro de este género, un clásico fue la cinta de cassete para la grabación y reproducci´´on de audio analógico.

Formato de audio digital

Hablamos de audio digital cuando la información de sonido, en última instancia, está codificada en un lenguaje binario (secuencia de 0s y 1s).

Los formatos digitales tienen la gran ventaja de no ser dependientes del soporte, por lo que los podemos encontrar en cintas magnéticas, discos ópticos, discos duros, etc., y pueden ser trabajados ´facilmente sin la necesidad de hardware específico.

Aunque el audio digital hoy día se consume partiendo de ficheros en el PC o vía streaming, merece especial mención el CD-A (Compact Disc Digital Audio) que tuvo su auge hacia el año 2000. Este tipo de soporte podía almacenar cualquier tipo de información digital pero se utilizó durante muchos años para almacenar audio digital con un formato no comprimido, con frecuencia de muestreo a 44.1 KHz, y con muestras de 16 bits.

Diferencia entre códec y formato de audio

Al igual que ocurre con los formatos de vídeo, existe diferencia entre formato y códec, aunque en el caso del audio suelen estar más relacionados entre sí, a veces recibiendo el mismo nombre.

Cuando hablamos de un formato digital de audio hablamos de un contenedor que almacena streams de audio (codificados mediante un códec) y que, a diferencia de los formatos digitales de vídeo, muchas veces recibe el mismo nombre que el propio códec. De esta forma es común llamar MP3 a un archivo de audio codificado con códec MP3, o llamar AAC a un archivo de audio codificado con códec AAC. Sin embargo esto no siempre se cumple; por ejemplo, los archivos de audio OGG están comprimidos con un codec Vorbis.

El códec de audio es, por tanto, el algoritmo o programa (en definitiva una pieza de software) capaz de codificar una señal o flujo de datos de audio, generalmente aplicando algún tipo de compresión. Asimismo, también es capaz de decodificar el conjunto de datos resultante de forma que se pueda recuperar el flujo de datos o señal original.

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A diferencia de cómo ocurre en el campo del vídeo, los códecs de audio a veces reciben el mismo nombre que el estándar que define su formato (la forma en que se almacenan en un archivo). Esto ocurre, por ejemplo, con MP3 o AAC.

Este post, por tanto, va a centrarse en listar los códecs de audio principales utilizados en el ambiente digital. Para conocer aspectos más técnicos sobre el audio digital puedes consultar el post parámetros del audio digital.

Códecs de audio con pérdidas

Estos códecs de audio son aquéllos que aplican compresión destructiva sobre la información de audio, aprovechando redundancias como las frecuencias no audibles. La información que se pierde en el proceso de compresión en este tipo de códecs no es posteriormente recuperable.

MP3

El término MP3 se utiliza tanto para referirse al formato de audio (desarrollado por el Moving Picture Experts Group o MPEG) como a su algoritmo de compresión.

MP3 es un algoritmo de compresión con pérdida con el objetivo de disminuir el peso del archivo. Esto significa que se pierde información pero, idealmente, el oído humano no será capaz de percibir la diferencia entre el archivo original y el comprimido.

Es probablemente el formato de audio más popular en el ambiente digital (almacenado en ficheros «.mp3» ), habiendo sido utilizado en multitud de contextos: audio para CD, reproductores portátiles, audio en PC, compresión de audio para vídeo, streaming, etc.

AAC

AAC proviene de «Advanced Audio Coding» y también es un formato de audio con un algoritmo de compresión con pérdida definido por el grupo MPEG.

Es muy parecido a MP3 aunque con un rendimiento superior, y es más común encontrar audio codificado con AAC acompañando al vídeo almacenado en un fichero MP4. También podemos encontrar ficheros de audio individuales con extensión «.aac» .

Vorbis

Vorbis es un códec de audio que aplica compresión con pérdidas, al igual que MP3. Sin embargo, Vorbis está desarrollado por Xiph.Org (fundación sin ánimo de lucro que desarrolla formatos multimedia abiertos) y es un proyecto de software libre.

El códec de audio Vorbis utiliza el formato contenedor OGG (válido para el almacenamiento de vídeo y audio), aunque como extensión de los ficheros podemos encontrar «.ogg» (para vídeo o audio) y «.oga» (para audio).

Opus

El códec de audio Opus, al igual que Vorbis, utiliza el formato contenedor OGG. Se trata de un códec de código abierto que aplica compresión con pérdidas.

Este códec también fue desarrollado por la fundación Xiph.org, en colaboración con Mozilla y Skype, habiendo incorporado tecnología del códec SILK desarrollado para este último.

WMA

Se trata de un formato de archivo de audio creado por Microsoft para competir en su día con MP3 y RealAudio. Al igual que ocurre con MP3, WMA puede usarse para hacer referencia tanto al formato de archivo como al propio códec de audio.

Es un códec de compresión con pérdida, aunque existen diferentes versiones de este códec (una de ellas sin pérdida). Sin embargo, hay que destacar que este formato ha perdido popularidad y en raras ocasiones se utiliza.

Códecs de audio sin pérdidas

Estos códecs son aquéllos que no aplican compresión destructiva sobre la información de audio, aunque sí pueden aplicar algún tipo de compresión reversible (como la compresión estadística).

WAV

WAV es un formato de audio digital generalmente utilizado para almacenar audio de alta calidad, sin compresión y sin pérdidas. Fue desarrollado por Microsoft e IBM y es frecuentemente utilizado para almacenar streams de audio en el PC.

WAV es técnicamente un formato, y el códec que utiliza para codificar el audio sin pérdidas es el LPCM (Linear Pulse Coded Modulation). Hay una curiosidad sobre el formato WAV y es que también permite almacenar audio comprimido mediante el códec Audio Compression Manager (ACM) de Microsoft.

En resumen, WAV es comúnmente usado en entornos Windows (PC) para trabajar con audio digital sin compresión (almacenado en ficheros «.wav» ), por ejemplo cuando se realizan mezclas en estaciones de audio digital o editores de vídeo.

AIFF

AIFF es la sigla de Audio Interchange File Format, y se trata del equivalente al WAV pero desarrollado por Apple. Para la codificación de audio sin pérdidas utiliza PCM (modulación por impulsos codificados), aunque existe una variante del formato capaz de comprimir la información de audio, conocida como AIFF-C.

Las extensiones comunes de los ficheros «.aiff» y «.aif» .

FLAC

FLAC es la sigla de Free Lossless Audio Codec y se trata de un códec capaz de realizar compresión sin pérdidas, desarrollado por Xiph.org (al igual que Vorbis y Opus). Es decir, este códec aplica ciertos algoritmos de compresión que no afectan sobre la información final del fichero, pudiéndose recuperar siempre la información original.

Como ocurre en muchas ocasiones en el campo del audio, el término FLAC es utilizado para hacer referencia tanto al formato como al códec. Los fichero son almacenados con la extensión «.flac» y se trata de un formato abierto, al ser un proyecto de software libre.

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