Calidad de sonido en audio digital

En este artículo se cubrirá la explicación de los elementos que determinan la calidad del audio resultante de la reproducción de grabaciones de audio digital.

La calidad de sonido en el audio digital depende de la calidad del audio del archivo de origen, la calidad de la transmisión de datos, la calidad del dispositivo de audio y la calidad del dispositivo de reproducción (bocinas o audífonos) en ese orden.

Antes de proceder a la explicación de cada uno de los anteriores es importante considerar que la calidad del sonido resultante es limitada por el elemento de menor calidad de ellos. Ejemplo de ello es que sin importar la calidad del audio de un sistema de audio de alta resolución, si es conectado a una bocina de calidad convencional, la calidad de audio resultante será convencional ya que la bocina no es capaz de una emitir una mayor calidad de sonido.

La calidad de audio del archivo de origen depende de la capacidad de preservar una representación precisa de audio del archivo, lo cual es determinado por su formato. Los archivos de audio digital son codificados mediante formatos de audio, los cuales se clasifican en dos grupos: formatos de archivo de audio sin pérdidas y formatos de archivo de audio con pérdidas.

Los formatos de audio sin pérdidas son aquellos que conservan una mayor calidad de audio, virtualmente sin pérdidas, lo mas cercano posible para un medio digital de a la calidad de la grabación análoga original, suelen presentar una compresión mínima o ser formatos sin compresión.

Los formatos de audio con pérdidas son los aquellos que conservan una menor calidad de audio a comparación de su contraparte sin pérdidas que oscila entre calidad media-alta a calidad baja dependiendo del formato, con pérdidas considerables debido a que solo conservan una porción del audio original situada dentro del espectro audible (de 20 Hz a 20 KHz) recortando los demás rangos y aplicando algoritmos de compresión mas agresivos, resultando en un archivo de menor tamaño en memoria.

Todos los formatos de archivos de audio integran tres atributos principales: profundidad de bits, tasa de bits y frecuencia de muestreo.

La profundidad de bits determina la cantidad de información que puede ser utilizada para representar el sonido grabado; es expresada en bits dentro del rango de 16 a 32 bits. Una mayor profundidad de bits incrementa la precisión de la representación del sonido y la calidad del audio en el archivo.

La frecuencia de muestreo determina la frecuencia en la cual se registran los valores de una onda de sonido por segundo, expresado en hercios (Hz).

La tasa de bits determina cuantos datos se pueden utilizar por segundo para grabar o reproducir un archivo de audio digital.

Todos los atributos anteriores son considerados para determinar la calidad del audio en un archivo digital. Un archivo de audio de 16 bits de profundidad a 128 Kbps o menos a 44.1 KHz se considera de baja calidad, mientras que un archivo de audio de 16 bits de profundidad dentro del rango de  256 a 320 Kbps a 44.1 KHz se considera de calidad estándar o media (en ocasiones llamado audio HD)  y un archivo de audio de 24 bits o mas de profundidad a 48 KHz o mas se considera audio de alta resolución (Hi-Res audio).

La calidad de transmisión de datos es determinada por el medio físico utilizado, el ancho de banda disponible, la interferencia y en los algoritmos de codificación y decodificación utilizados en la transmisión. La transmisión de audio puede efectuarse a través de medios alámbricos o inalámbricos. Durante la transmisión alambica no suele haber restricciones en tanto a ancho de banda y la interferencia suele ser menor, por ello la calidad de audio no es limitada por este medio de transmisión. En el caso de la transmisión inalámbrica, es posible transmitir audio digital mediante Wifi o Bluetooth principalmente; mediante Wifi, al igual que mediante la transmisión alámbrica no suele haber restricciones de ancho de banda ni limitantes en la calidad de audio transmitida; por otra parte, en el caso de la transmisión mediante Bluetooth, existen limitantes en el ancho de banda e interferencias mayores que en los medios anteriores, por lo que si existen limitantes en la calidad de audio transmitida, los cuales son determinados por el códec utilizado. Los códecs de calidad baja y estándar son SBC y AAC, mientras que LC3, aptX (y sus variantes), LDAC, SSC y LHDC son capaces de alta calidad de audio, en ocasiones son referidos como códecs de alta resolución.

La calidad del dispositivo de audio es determinada por la profundidad de bits y frecuencia de muestreo máximas así como los formatos de audio que pueda procesar, usualmente PCM o DSD. El dispositivo de reproducción (usualmente el DAC) es el componente encargado de procesar el audio digital y convertirlo a señales análogas, las cuales son transmitidas a los puertos de salida de audio del sistema en uso. Todo dispositivo capaz de reproducir audio digital integra un DAC en sus circuitos, desde un ordenador hasta un teléfono inteligente o un reproductor de música digital. Dispositivos de audio de mayor capacidad son capaces de reproducir audio de mayor calidad, si la calidad de audio del archivo de origen y el medio de transmisión lo permiten. Es posible mejorar la calidad de audio de un sistema utilizando dispositivos de reproducción dedicados como tarjetas de sonido de mayor capacidad. Cada dispositivo de audio es capaz de reproducir un conjunto específico de formatos de audio digital, cada uno con calidad de sonido distinta; estos formatos digitales son distintos a los formatos de archivo de audio. Los formatos de archivo de audio son decodificados mediante software y transmitidos mediante formatos de audio que son decodificados mediante hardware.

La calidad del dispositivo de reproducción depende de los componentes físicos involucrados, desde el conector de salida de audio del sistema hasta las bocinas que emiten el sonido a través de un medio acústico, esto incluye el conector de entrada, cables, circuitos y transductores del dispositivo de reproducción. La calidad del conjunto de ellos determina la calidad final del audio producido y su precisión con respecto a la grabación original.

Las bocinas se pueden categorizar según su calidad en estándar, alta fidelidad y alta resolución. Existe una gran variedad de factores que influyen en la calidad de una bocina, entre ellos el tipo de transductor, material de la membrana, tipo de imán e ingeniería. El tipo de bocina mas común es el transductor dinámico pero también podemos encontrar el transductor planar magnético, transductor electroestático y armadura equilibrada, cada uno con características distintivas que les permiten producir sonido con distinta tonalidad, precisión y rangos de frecuencia. Todos los tipos de bocinas son capaces de reproducir audio de alta resolución si la calidad del sistema lo permite, por ello el tipo de bocina no esta directamente relacionado con la calidad de sonido que produce y el mejor tipo de bocina se determina por el gusto personal. Los transductores dinámicos suelen ser mas cálidos y ser capaces de reproducir sonidos de instrumentos acústicos y voces con mayor naturalidad, mientras que los transductores planares magnéticos y los electroestáticos suelen ser mas fríos y metálicos, aunque con una mayor precisión de audio respecto a la onda de sonido original y con un mayor rango de frecuencia.

Un detalle adicional a considerar es el hecho de que todas las bocinas y audífonos implementan un post-procesamiento de audio mediante los circuitos integrados en su interior para personalizar el ecualizador a voluntad del fabricante del dispositivo.

La calidad del sonido resultante de este proceso depende de la combinación de los factores antes mencionados y es por ello que la selección apropiada de hardware y fuente de audio es lo que determina una experiencia de audio apropiada para cada individuo y es importante, por lo tanto, conocer el por qué y como influyen dichos factores para ayudarnos a elegir el mejor sistema de sonido y como aprovechar al máximo los sistemas que tenemos actualmente.