Cuantificación y muestreo (audio)
Los conceptos de profundidad y sampleo también se encuentran presentes en los formatos y streams de audio ya que al convertir el sonido de analógico a digital se toman en cuenta dos factores determinantes. El proceso de digitalización precisa la grabación de la altura actual de la onda de sonido a intervalos regulares, la longitud de estos intervalos se denomina, tasa de muestreo. Cada nivel o pico es una muestra y representan la amplitud o intensidad del sonido durante un espacio de tiempo.
La frecuencia de los intervalos también conocida como el Sampling Rate interpreta el espacio de tiempo durante el cual se realizara muestreo de la señal. La cuantificación comúnmente nombrada Bit Depth se refiere al número de valores que habrán en cada espacio de tiempo que se muestro, estando estos valores divididos en niveles.
Propagación del sonido
Como antecedente de este análisis técnico del audio digital hay que recordar que el sonido es una vibración y como tal, puede ocurrir en cualquier medio material, ya sea sólido, líquido o gaseoso. La velocidad de propagación de las ondas sonoras depende de las características del medio en el que se transmite, además de la condiciones de presión, temperatura y humedad.
En pocas palabras el sonido viaja en ondas mecánicas, es decir como una perturbación que se mueve en cualquier serie de partículas inter conectadas y que interactúan entre sí llegando de un lugar a otro. La altura de la onda representa su volumen, que queda determinado por la potencia de la fuente de sonido, o la fortaleza de la vibración que creó la onda de presión.
Como se mencionó anteriormente la frecuencia es un intervalo numérico en el que una onda recorre un mismo trayecto durante un espacio de tiempo determinado, esta se mide en Hercios (Hz o kHz). El oído humano capta un intervalo de frecuencias de 20 a 20.000 Hz, las frecuencias menores se denominan infrasonidos y las frecuencias mayores a este rango definen como ultrasonidos.
Tasa de muestreo
El Sampling rate (Hz) mide en pulsos por segundo el tiempo que existe entre una muestra y otra ósea la frecuencia del recorrido de onda en un segundo. Cuando es necesario capturar audio cubriendo todo el rango de la capacidad auditiva humana las formas de onda suelen ser muestreadas a 44,1 kHz (CD), 48 kHz (profesional audio), 88,2 kHz o 96 kHz. El vayan a aproximadamente el doble de tasa del espectro sensible por nuestro oído se debe al Teorema de Nyquist que dice que si la tasa de muestreo es dos veces la frecuencia más alta que contiene el sonido, este se puede muestrear sin pérdida de calidad.
Si la frecuencia más alta que podemos escuchar es de 20 Khz. (20.000 hz) al muestrear un sonido a 40 KHz, nadie notará la diferencia entre un sonido original a un sonido muestreado.
Profundiad de bits
Para las muestras de cada intervalo existe un número de posibles valores digitales que puede representarlas dependiendo de la cantidad de información que se registra. Se utilizan varias longitudes en código binario que van de 8 a 32 bits. Es indispensable recordar que 8 no representa un valor lineal sino logarítmico, siendo 2 valores elevados a la 8a potencia. Como usos prácticos a nivel comercial tenemos 16 bits por muestra utilizada por el Compact Disc Digital Audio y DVD-Audio y los 24 bits por muestra que pueden ser soportados en discos Blu-ray.
En implementaciones básicas, las variaciones en la profundidad de bits afectan principalmente la relación señal a ruido (SNR) y el rango dinámico. Sin embargo, las técnicas como el dithering, noise shaping y oversampling pueden mitigar estos efectos sin necesidad de cambiar la profundidad de bits.
La profundidad de bits sólo tiene sentido en referencia a una señal digital PCM. Los formatos no-PCM, como formatos de compresión con pérdida (lossy) como MP3 y AAC entre otros, no tienen Bit Depth.
PCM o Modulación por impulsos codificados
La Pulse Code Modulation es un procedimiento de modulación utilizado para transformar una señal analógica en una secuencia de bits (señal digital). En una corriente PCM, la amplitud de la señal analógica se muestrea regularmente a intervalos uniformes, y cada muestra se cuantifica en el valor más cercano dentro de una gama de pasos digitales tomando un conjunto finito de valores codificados. La codificación en LPCM es una variación de este método.