Cómo funciona la grabación analógica y digital

Cuando los CD se introdujeron por primera vez a principios de la década de 1980, su único propósito en la vida era mantener la música en formato digital. Para comprender cómo funciona un CD, primero debe comprender cómo funciona la grabación y reproducción digital y la diferencia entre las tecnologías analógica y digital.

En este artículo, examinaremos la grabación analógica y digital para que tenga una comprensión completa de la diferencia entre las dos técnicas.

1. Al principio:lata de grabado
2. Onda analógica
3. Datos digitales
4. Capacidad de almacenamiento de CD

En el Principio:Hoja de Grabado

Tomás Edison se le atribuye la creación del primer dispositivo para grabar y reproducir sonidos en 1877. Su enfoque utilizó un mecanismo muy simple para almacenar mecánicamente una onda analógica. En el fonógrafo original de Edison , un diafragma controlaba directamente una aguja, y la aguja grababa una señal analógica en un cilindro de papel de aluminio:

Usted habló en el dispositivo de Edison mientras giraba el cilindro, y la aguja "grababa" lo que decía en la lata. Es decir, a medida que vibraba el diafragma, también lo hacía la aguja, y esas vibraciones se imprimían en la lata. Para reproducir el sonido, la aguja se movió sobre la ranura rayada durante la grabación. Durante la reproducción, las vibraciones presionadas en la lata hicieron que la aguja vibrara, lo que provocó que el diafragma vibre y reproduzca el sonido.

Este sistema fue mejorado por Emil Berliner en 1887 para producir el gramófono , que también es un dispositivo puramente mecánico que utiliza una aguja y un diafragma. La principal mejora del gramófono fue el uso de discos planos con una ranura en espiral, lo que facilitó la producción en masa de los discos. El fonógrafo moderno funciona de la misma manera, pero las señales leídas por la aguja se amplifican electrónicamente en lugar de hacer vibrar directamente un diafragma mecánico.

Onda analógica

¿Qué es lo que la aguja del fonógrafo de Edison raya en el cilindro de hojalata? Es una onda analógica representando las vibraciones creadas por tu voz. Por ejemplo, aquí hay un gráfico que muestra la onda analógica creada al decir la palabra "hola":

Esta forma de onda se registró electrónicamente en lugar de papel de aluminio, pero el principio es el mismo. Lo que muestra este gráfico es, esencialmente, la posición del diafragma del micrófono (eje Y ) a lo largo del tiempo (eje X ). Las vibraciones son muy rápidas:el diafragma vibra del orden de 1000 oscilaciones por segundo . Este es el tipo de onda grabada en el papel de aluminio del dispositivo de Edison. Tenga en cuenta que la forma de onda de la palabra "hola" es bastante compleja. Un tono puro es simplemente una onda sinusoidal que vibra a una determinada frecuencia, como esta onda de 500 hercios (500 hercios =500 oscilaciones por segundo):

Puede ver que el almacenamiento y la reproducción de una onda analógica pueden ser muy simples:rascar en lata es ciertamente un enfoque directo y directo. El problema con el enfoque simple es que la fidelidad no es muy bueno. Por ejemplo, cuando usa el fonógrafo de Edison, hay una gran cantidad de ruido almacenado con la señal deseada, y la señal se distorsiona de varias maneras diferentes. Además, si toca un fonógrafo repetidamente, eventualmente se desgastará:cuando la aguja pasa sobre la ranura, la cambia ligeramente (y eventualmente la borra).

Datos digitales

En un CD (y cualquier otra tecnología de grabación digital), el objetivo es crear una grabación con muy alta fidelidad (muy alta similitud entre la señal original y la señal reproducida) y reproducción perfecta (la grabación suena igual cada vez que la reproduce, sin importar cuántas veces la reproduzca).

Para lograr estos dos objetivos, la grabación digital convierte la onda analógica en un flujo de números y graba los números en lugar de la onda. La conversión se realiza mediante un dispositivo llamado convertidor de analógico a digital (ADC). Para reproducir la música, el flujo de números se vuelve a convertir en una onda analógica mediante un conversor de digital a analógico (DAC). La onda analógica producida por el DAC se amplifica y alimenta a los altavoces para producir el sonido.

La onda analógica producida por el DAC será siempre la misma, siempre que los números no estén corruptos. La onda analógica producida por el DAC también será muy similar a la onda analógica original si el convertidor de analógico a digital muestreó a una velocidad alta y produjo números precisos.

Puede comprender por qué los CD tienen una fidelidad tan alta si comprende mejor el proceso de conversión de analógico a digital. Digamos que tiene una onda de sonido y desea muestrearla con un ADC. Esta es una onda típica (suponga que cada marca en el eje horizontal representa una milésima de segundo):

Cuando muestrea la onda con un convertidor de analógico a digital, tiene control sobre dos variables:

En la siguiente figura, supongamos que la tasa de muestreo es 1000 por segundo y la precisión es 10:

Los rectángulos verdes representan muestras. Cada milésima de segundo, el ADC mira la onda y elige el número más cercano entre 0 y 9. El número elegido se muestra en la parte inferior de la figura. Estos números son una representación digital de la onda original. Cuando el DAC recrea la onda a partir de estos números, obtiene la línea azul que se muestra en la siguiente figura:

Puede ver que la línea azul perdió bastante del detalle que se encontraba originalmente en la línea roja, y eso significa que la fidelidad de la onda reproducida no es muy buena. Este es el error de muestreo . Reduce el error de muestreo aumentando tanto la frecuencia de muestreo como la precisión. En la siguiente figura, tanto la velocidad como la precisión se han mejorado en un factor de 2 (20 gradaciones a una velocidad de 2000 muestras por segundo):

En la siguiente figura, la velocidad y la precisión se han vuelto a duplicar (40 gradaciones a 4000 muestras por segundo):

Puede ver que a medida que aumentan la velocidad y la precisión, mejora la fidelidad (la similitud entre la onda original y la salida del DAC). En el caso del sonido de un CD, la fidelidad es un objetivo importante, por lo que la frecuencia de muestreo es de 44.100 muestras por segundo y el número de gradaciones es de 65.536. En este nivel, la salida del DAC coincide tanto con la forma de onda original que el sonido es esencialmente "perfecto" para la mayoría de los oídos humanos.

Capacidad de almacenamiento de CD

Una cosa sobre la frecuencia de muestreo y la precisión del CD es que produce una gran cantidad de datos. En un CD, los números digitales producidos por el ADC se almacenan como bytes, y se necesitan 2 bytes para representar 65 536 gradaciones. Se están grabando dos flujos de sonido (uno para cada uno de los altavoces en un sistema estéreo). Un CD puede almacenar hasta 74 minutos de música, por lo que la cantidad total de datos digitales que deben almacenarse en un CD es:

44 100 muestras/(canal*segundo) * 2 bytes/muestra * 2 canales * 74 minutos * 60 segundos/minuto =783 216 000 bytes

¡Eso es un montón de bytes! Almacenar tantos bytes en una pieza de plástico barata que es lo suficientemente resistente como para sobrevivir al abuso que la mayoría de la gente somete a un CD no es una tarea fácil, especialmente si se considera que los primeros CD salieron en 1980. Lea Cómo funcionan los CD para obtener la información completa. historia!

Para obtener más información sobre tecnología analógica/digital y temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente.

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