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Frecuencia de muestreo : ¿Cuál usar? ¿Cuál es la mejor?

Abril 24, 2020 • 14 min de lectura

Usted, en el estudio de grabación de su casa, probablemente ha visto este término. En los sistemas de grabación digital, la frecuencia de muestreo define cuántas veces la señal analógica enviada por un micrófono o instrumento es muestreada por segundo. Cuanto mayor sea el número, más muestras de la señal analógica se recogen por segundo. Sin embargo, no siempre el número más alto significa la mejor opción.

¡Sólo quiero saber qué frecuencia de muestreo usar!

Resumiendo, para elegir una frecuencia de muestreo, debes considerar:

  1. La potencia de procesamiento de su ordenador;
  2. Los medios destinados a reproducir tu música. Por ejemplo, los CD y las plataformas de música en línea utilizan la frecuencia de 44,1 kHz, mientras que los vídeos utilizan 48 kHz. Por lo tanto, si eliges cualquier otra frecuencia, tu música, en algún momento, se convertirá en una de estas frecuencias;
  3. Fíjate si tienes dispositivos o software adecuados para la conversión futura de la frecuencia de muestra;
  4. Sugerencia de Magroove: sólo trabaja con 44,1 kHz si ya lo recibes así. De lo contrario, ya sea música o video, trabaje con la frecuencia de 48 kHz;

¿Qué es la frecuencia de muestreo?

En primer lugar: ¿qué es una “muestra”?

Una muestra es una pequeña parte de algo; en este caso, de una señal de audio.

Los sonidos son vibraciones que se propagan en entornos físicos, por ejemplo, el aire. Mientras hablas, las vibraciones de tus cuerdas vocales producen ondas que viajan por el aire. Estas vibraciones se producen en ciclos, y el número de ciclos por segundo se llama frecuencia. En física, la unidad de medida utilizada para la frecuencia es el Hercio (Hz); por lo tanto, la frecuencia de los sonidos se mide en Hercios. Cuanto más rápida es la frecuencia, más alto es el tono. La audición humana va de 20Hz a 20kHz. Esto significa que el sonido más bajo que un humano puede oír tiene una frecuencia de 20Hz, mientras que el más alto tiene alrededor de 20.000Hz (20kHz).

Puede que hayas visto la representación gráfica del sonido como una onda. Por lo tanto, presta atención al siguiente gráfico: representa, verticalmente, la intensidad o el volumen del sonido, mientras que horizontalmente, la propagación de la onda sonora en el espacio.

Representación de una onda de sonido

Representación de una onda de sonido

 

Para representar la onda sonora, la computadora se guía por pequeñas muestras que deben contener todos los datos de la reproducción del sonido. Imaginen a un cantante con un micrófono captando su voz. El sonido de su voz es una energía acústica y hace que el aire vibre. Esta vibración se convierte, a través del micrófono, en una señal eléctrica, y un cable la transmite a la interfaz de audio. En la entrada de la interfaz de audio, hay un convertidor AD (analógico a digital). Así que digitaliza la señal eléctrica, es decir, la codifica a un lenguaje binario de 0 y 1. Lo mismo ocurre en la salida de la interfaz. Un convertidor AD hace exactamente lo contrario, cambiando el código binario en señal eléctrica, que se convierte de nuevo en sonido.

Representación visual de la diferencia entre una onda de sonido digital y una onda de sonido analógica.

Representación visual de la diferencia entre una onda de sonido digital y una onda de sonido analógica.

¿Para qué sirve la frecuencia de muestreo?

La frecuencia de muestreo define cuántas veces se recogerá una muestra de la señal analógica en un período de 1 segundo. En otras palabras. ¿Recuerdas que, en Física, el Hertz es la unidad de medida de las frecuencias? La frecuencia de muestreo también utiliza el Hertz, ya que representa cuántas muestras se recogerán en un segundo. Ahora, piensa en la frecuencia de muestreo como imágenes del sonido: cuantas más imágenes tomes, mejor podrás representar el sonido en cada milésima de segundo.

Entonces, significa que cuando usamos una frecuencia de muestreo de 44,1 kHz, recogemos 44.1000 muestras en sólo un segundo. Parece ser mucho, ¿no? Bueno, en realidad, no lo es. La computadora necesita describir, en su lenguaje binario, una onda sonora que es, en la naturaleza, continua.

Representación visual de la diferencia entre una onda de sonido digital y una analógica, ambas afectadas por una frecuencia de muestreo.

Representación visual de la diferencia entre una onda de sonido digital y una analógica, ambas afectadas por una frecuencia de muestreo.

Teorema de Nyquist

Según el Teorema de Nyquist, para una representación digital exacta de una onda sonora, la frecuencia de muestreo debe ser, al menos, dos veces mayor que la frecuencia más alta que se va a registrar. Como el sonido más alto que un humano puede oír tiene una frecuencia de 20 kHz, la frecuencia de muestreo mínima debe ser de 40 kHz para poder digitalizar esta frecuencia.

Con eso, si ningún humano puede oír algo más alto que 20 kHz, ¿por qué molestarse en tener una frecuencia de muestreo superior a 40 kHz? En realidad, ¿por qué el estándar mínimo es de 44,1 kHz en lugar de 40 kHz?

Efecto de Aliasing

Sin embargo, además de la definición de una frecuencia máxima, la frecuencia de muestreo elegida tiene un efecto colateral: todas las frecuencias más allá del límite establecido no se distinguen o se entienden erróneamente como frecuencias inferiores. Esto se llama el “efecto de aliasing”, o “foldover”.

El efecto “Aliasing” cambia el sonido y puede hacer un sonido completamente diferente de la señal reconstruida de las muestras.

Filtro antialiasing

Para evitar la distorsión causada por estas altas frecuencias, las tarjetas de sonido suelen venir con un filtro anti-aliasing en la entrada de la señal, antes de ser convertida a digital.

Sin embargo, por razones técnicas, es imposible fabricar un filtro anti-aliasing con un ataque repentino poco después del rango de audición humano. Por lo tanto, el corte del filtro termina haciendo una curva, disminuyendo gradualmente la entrada de altas frecuencias. Esta curva se llama pendiente. En esta pendiente, el filtro no rechazará ni dejará pasar totalmente todas las frecuencias. Por eso, la pendiente del filtro antialiasing debe estar más allá de la frecuencia de 20 kHz. De lo contrario, generará pérdidas en el sonido que escuchan los humanos.

Normalmente, los 44,1 kHz son suficientes para proporcionar una zona segura en la que las frecuencias de aliasing y la pendiente del filtro anti-aliasing no afectarán a nada dentro del rango auditivo humano, pero eso depende de la calidad del filtro. El problema es que apenas obtenemos toda la información sobre la calidad de los filtros anti-aliasing de las tarjetas de sonido disponibles en el mercado. Por eso mucha gente prefiere utilizar una alta frecuencia de muestreo, como 88,2 kHz, para asegurarse de que el efecto de aliasing – o incluso el filtro anti-aliasing – no interfiera en el contenido de las frecuencias alrededor de 20 kHz.

¿Qué es el Jitter and Dither?

Jitter

El jitter es un error del reloj (distorsiones del reloj). Este “reloj” determina la distribución del proceso de muestreo durante el tiempo. Puede haber variaciones del reloj y desviaciones en el patrón de tiempo de lectura, tomando las imágenes de los sonidos con un pequeño retraso o avance sobre el ritmo (frecuencia de muestreo) programado. Este problema se denomina “jitter”.

Diferentes razones pueden crear jitter, como los cambios en el voltaje eléctrico y los ruidos en la señal de audio. Los errores de reloj dañan la lectura de las ondas sonoras e incluso pueden causar cambios en el timbre y la frecuencia. Las fluctuaciones pueden ocurrir no sólo en la conversión de analógico a digital, sino también al revés, de digital a analógico.

Dither

Dither es un ruido de fondo aplicado al exportar el audio. Cubre los errores de digitalización de la señal, como el jitter. El ruido del dither se denomina a veces ruido de fondo, aunque no es el término técnico correcto para ello. Este ruido es más amigable para el oído humano que las distorsiones en las frecuencias de señales analógicas, por lo que lo inyectamos en la grabación antes de finalizar. Si se hace correctamente, la mayoría de las veces la gente ni siquiera notará el titubeo.

Latencia

En el audio, la latencia es el período de tiempo entre la entrada de la señal en el sistema y la percepción de esta señal. En otras palabras, es el retraso entre el momento en que se reproduce y el momento en que se escucha. El audio digital introduce problemas de latencia en las conversiones AD y DA. Estos problemas están directamente relacionados con el tamaño del búfer. El búfer es una memoria temporal donde todas las muestras de sonido están en cola. Un sonido capturado, antes de ser convertido en digital, pasa por el buffer. Debe ser lo suficientemente grande como para almacenar las muestras mientras el procesador realiza otra tarea.

Cuanto más grande es el búfer, mayor es la latencia.

Reducir el búfer automáticamente significa reducir la latencia, pero también significa aumentar el tiempo de procesamiento. Esto sucede porque el buffer necesita ser cargado constantemente. Así que si el buffer es demasiado pequeño, la CPU tendrá problemas para realizar diferentes tareas al mismo tiempo, causando interrupciones en el flujo de sonido.

Además de disminuir el búfer, otra forma de reducir la latencia es aumentar la frecuencia de muestreo. Parece ser contradictorio, ya que las frecuencias de muestreo más grandes necesitan una mayor capacidad de procesamiento. Pero si tu sistema es capaz de manejarlo, la latencia se reduce.

Espacio del disco

Cuando eliges trabajar con altas frecuencias de muestreo, tus archivos son más pesados. Con eso, necesitarás más espacio en el disco para almacenar el proyecto.

Si normalmente haces contribuciones o trabajos a través de Internet, debes tener en cuenta que cuanto más pesado sea el proyecto, más tiempo tardará en cargarse y descargarse.

Configurar la frecuencia de muestreo en DAW

Los DAW suelen ofrecer diferentes opciones de frecuencia de muestreo, que normalmente varían entre 44,1 kHz y 192 kHz. Siempre es bueno comprobar si la interfaz de audio es compatible con este ajuste antes de configurar la frecuencia de muestreo en la DAW.

Hoy en día, las interfaces más comunes del mercado, como M-Audio, Pressonus, Steinberg y Focusrite, suelen soportar sin problemas desde 44,1 kHz hasta 192 kHz. No te olvides de leer el manual de la interfaz antes de comprarla! También es interesante observar el rango de frecuencias y la tabla de respuesta de frecuencias de su micrófono. Estos parámetros señalan la sensibilidad del micrófono por frecuencia y su extensión de rango de grabación.  Entonces, ¿vale la pena grabar con una frecuencia de muestreo de 192 kHz para captar frecuencias extremadamente altas aunque tu micrófono sólo capte hasta 20 kHz?

Después de todo, ¿qué frecuencia de muestreo debería usar?

44,1 kHz frente a 48 kHz

Los discos están en 44.1 kHz y los MP3 también suelen estar en 44.1 kHz. A principios de los 80, las compañías Philips y Sony establecieron este patrón. ¿Pero por qué los números son tan raros? Según el especialista en tecnología musical Mitch Gallager, en los inicios de los discos de audio digital, el patrón era de 48 kHz. Sin embargo, los fabricantes establecieron un patrón diferente para los productos ofrecidos al público. Así, se facilita todo para evitar la piratería: matemáticamente, es difícil convertir una frecuencia de 48 kHz a 44 kHz. Curiosidad: En el ámbito audiovisual, la frecuencia de muestreo de 48 kHz se fijó como estándar desde el principio, y hay una razón interesante para ello. La frecuencia de 48 muestras por segundo es un múltiplo de los 24 cuadros por segundo que se usan en las películas.

Por lo tanto, si la canción está hecha para un video musical, la frecuencia de muestreo debe ser de 48 kHz o sus múltiplos. Los DVD convencionales siempre son de 48 kHz y los DVD-A (DVD-Audio, que son diferentes de los DVD comunes) son de 96 kHz (dos veces 48).  En 2018, la compañía Tidal comenzó a ofrecer CDs con el MQA (Master Quality Authenticated) – trabaja con una frecuencia de muestreo de 96 kHz.

¿Por qué todavía sobreviven 44,1 kHz?

Es posible que el patrón de 44.1 kHz se vuelva obsoleto pronto. Después de todo, en la era de la transmisión y el procesamiento, ¿qué sentido tiene mantener el patrón de 44,1 kHz?

Aquí hay algunas posibles buenas explicaciones:

  • La tradición: Los CDs están en 44.1 kHz;
  • Inercia: las interfaces de audio están preajustadas a 44,1 kHz, y también las tarjetas de sonido de a bordo;
  • Coste x beneficio: Se necesita más potencia de procesamiento y espacio en el disco para grabar en una frecuencia de muestreo superior a 44,1 kHz, y los cambios son tan discretos que un oído normal no puede notar la diferencia;
  • Internet: la Internet de altísima velocidad no es una realidad en todo el mundo, pero la transmisión y la carga deben ser lo suficientemente rápidas en estos lugares – los archivos más pequeños ayudan mucho;
  • Equipo de baja calidad: teléfonos de oído, auriculares, altavoces de ordenador portátil, etc. Ya es difícil escuchar la diferencia causada por las diferentes velocidades de muestreo en los equipos de alta calidad; digamos en los equipos convencionales. Las diferencias bajan hasta casi cero;
  • Cuestiones técnicas: muchos altavoces sólo son capaces de reproducir 44,1 kHz, incluso hoy en día.

¿Las frecuencias de muestreo de 88,2 kHz o 96 kHz valen la pena?

No hay consenso sobre el valor de la grabación más allá de las velocidades convencionales. Algunas personas dicen que las frecuencias extremadamente altas, más allá del límite de la audición humana, tienen efecto en lo que oímos. Otros dicen que son capaces de “sentir” estas frecuencias. Algunos afirman que el argumento de que “cuanto más alta es la frecuencia de muestreo, mejor es la calidad del audio” es sólo algo que dicen los vendedores, sólo para vender.

A pesar de esto, es importante tener en cuenta que cualquier conversión de la frecuencia de muestreo, incluso de una frecuencia de muestreo más alta a una más baja, genera una pérdida de calidad de sonido. El algoritmo de conversión de la frecuencia de muestreo no es tan bueno y puede y creará un cambio de timbre.

Nuestras sugerencias

  • Intenta hacer tu propio proyecto con una frecuencia de muestra que no necesite que conviertas más;
  • Si estás quemando CDs en una fábrica y grabaste a más de 44.1 kHz, deja que la compañía haga la conversión. Lo mismo ocurre con la profundidad de bits (si grabaste con 24 bits, por ejemplo);
  • Si estás sincronizando el audio a un video, graba en 48 kHz.
  • Nunca, nunca conviertas los audios grabados a otra frecuencia de muestreo en medio de tu proyecto. Si comenzó con una frecuencia de muestreo diferente a la que quería, cúmplala y termine el proyecto y recuerde cambiarlo la próxima vez;
  • Convierte una frecuencia de muestreo sólo después de terminar y hacer rebotar el proyecto. Si está grabando un CD en una fábrica o empresa especializada, exporte en el formato grabado y deje que ellos hagan su trabajo.

En resumen

  • La frecuencia de muestreo es la frecuencia a la que se muestrea la señal analógica para su digitalización;
  • La elección de la frecuencia de muestreo está directamente relacionada con el medio con el que se va a trabajar.
  • El efecto de “aliasing” se genera por la interpretación errónea de una frecuencia debido a una frecuencia de muestreo demasiado baja. Para evitarlo, las tarjetas de sonido suelen tener un filtro antialiasing;
  • El jitter es un error de reloj en el proceso de cuantificación de la muestra;
  • Dither es un ruido de fondo utilizado para corregir imperfecciones y terminar grabaciones;
  • La latencia es el retraso con respecto a la fuente de sonido. Cuanto mayor es la velocidad de muestreo, menor es la latencia, pero se necesita más potencia de procesamiento;
  • Cuanto mayor sea la frecuencia de muestreo, más espacio en el disco utilizará
  • La mayoría de las interfaces de audio y DAWs suelen trabajar con frecuencias de muestreo entre 44,1 kHz y 192 kHz.

 

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