Profundidad de bits
| Definición Breve | Es la resolución, en terminos de amplitud de onda, que va a tener una señal digitalizada. Determina el rango dinámico que tiene dicha señal. |
|---|---|
| Tema | Audio Digital |
| Subtema | Profundidad de Bits |
| Audio | <embed></embed> |
Definición
En audio digital la profundidad de bits es el numero de bits de información de cada muestra y esta estrechamente ligado a la resolución del audio. A diferencia de una señal analógica, la cual es periódica y esta compuesta por infinitos puntos, el audio digital es una señal discreta ya que esta compuesta por un número finito de puntos. Usa números binarios (bits) para determinar la cantidad de puntos disponibles para representar la fuerza de cada muestra de audio y así representar la señal. En resumen, es la resolución, en terminos de amplitud, que va a tener una señal digitalizada. Determina el rango dinámico que tiene dicha señal. En la siguiente imagen podemos ver como está representada una señal en 4 bits de profundidad. 4 bits generan 16 valores posibles en el eje vertical.
Errores de cuantización
A grandes rasgos, el proceso de cuantificación le asigna un valor discreto a las amplitudes de cada una de las muestras obtenidas en la etapa de muestreo. "Para convertirla en una señal digital la amplitud debe ser cuantificada en un número determinado de escalones (quanta). La cantidad infinita de puntos de una onda analógica será representada por una cantidad finita de estados: claramente, se introduce un error." (G. Basso. "Análisis Espectral. La transformada de Fourier en la música"). Estos errores resultan de igualar los niveles de las muestras de amplitud continua a los niveles de cuantificación mas proximos. En la siguiente imagen, tomada del libro "Análisis Espectral. La transformada de Fourier en la música", podemos ver una representación de una señal cuantificada.
"La minima diferencia analógica Q que puede resolver un conversor [analógico-digital] establece el menor de los escalones de la figura. Q depende de la amplitud maxima entre picos o Rango de la señal muestreada y de la cantidad de estados posibles del sistema...". "Se ve claramente que a medida que crece el número de bits se reduce el escalon mínimo (o resolución) del sistema. El valor de Q define el error o ruido de cuantificación que se ha dibujado por separado [en la imagen superior]". (G. Basso. "Análisis Espectral. La transformada de Fourier en la música")
Aspectos a tener en cuenta
La precisión de cada muestra esta determinada por su profundidad de bits. Entonces, a mayor profundidad de bits mayor resolución en la señal digitalizada. Además, a mayor profundidad de bits mayor rango dinámico para la señal debido a que va a tener mas puntos para representar la amplitud de cada muestra de audio. De esto se desprende que bajos niveles de profundidad de bits pueden llegar a afectar la forma de la onda y así no lograr una buena representación de la onda original debido a que hay menos puntos posibles para representarla. Por ejemplo, en el siguiente gráfico podemos ver una sinusoide representada con diferentes profundidades de bits. Una profundidad de 1 bit nos va a generar una onda mas parecida a la onda cuadrada (dependiendo de la cuantificación) debido a que solo tenemos dos puntos posibles en el eje vertical.
Requerimientos
Un aspecto muy importante a tener en cuenta es que a mayor profundidad de bits vamos a necesitar mas recursos para procesar el audio y mas memoria para guardarlo. Esto se debe a que vamos a tener mas información. El tamaño de nuestro archivo de audio va a estar dado por la siguiente cuenta:
Número bits * Frecuencia de muestreo * cantidad de segundos de duración [* 2 (si es una señal stereo)]
Entonces, por ejemplo, el tamaño de un segundo de audio en un CD, que trabaja con una profundidad de 16 bits y una frecuencia de muestreo de 44.100Hz/segundo va a estar dado por la siguiente cuenta:
1 segundo = 16 * 44100 * 2 (ya que es stereo)
1 segundo = 1411200 bits (0,1764 Mb)
Comparando diferentes profundidades de bits
En el siguiente cuadro podemos comparar el rango dinámico (en decibeles) y cantidad de valores posibles de amplitud de una señal digitalizada con diferentes profundidades de bits.
Aplicaciones
Estos son algunos sistemas de audio digital que trabajan con diferentes profundidades de bits.
Ejemplo Sonoro
En el ejemplo adjuntado se puede escuchar el fragmento de una canción en su versión original con un fragmento en el medio de su versión en 8 bits de profundidad para comparar las diferencias en la calidad del sonido.
Referencias
https://en.wikipedia.org/wiki/Audio_bit_depth
http://www.unimusica-peru.com/produccion_musical_profundidad_bits.htm
Libro: "Análisis Espectral. La transformada de Fourier en la música". Gustavo Basso. Capitulo VI: "Aplicaciones del análisis espectral". Apartado de Digitalización de señales.