Sample Rate y Bit depth por profesionales de audio.

Sample rate (192, 96, 48, 44.1 kHz), bit depth (16, 24, 32 bits), Nyquist, Aliasing todo en un solo lugar.

Cuando iniciamos en el mundo del de audio somos "comelibros" respecto a la información, investigamos por todo lugar posible, artículos, videos, cursos, etc. Pero desafortunadamente encontramos páginas de entretenimiento intentando explicar erróneamente algo que expertos en sonido intentamos dar a entender de manera simple.

En español estos dos términos importantes de conocen como:

Frecuencia de muestreo.
Profundidad de bits.

Aunque son términos de audio básicos son pasados por alto por muchos productores y son un tema de discusión bastante acalorada. En definitiva se debe tener una opinión y este blog no es la excepción aunque nos fundamentamos en la ciencia.

Entonces, aclaremos conceptos y luego los entendemos.

- PROFUNDIDAD DE BITS (BIT DEPTH)

Es el número de bits de información en cada muestra, y corresponde directamente a la resolución de cada muestra.

Expliquemos:

En sistemas digitales como nuestras computadoras hay procesamientos con matemáticas complejas que no queremos tocar, pero se relaciona en audio al momento de convertir audio analogico a digital, conocida como conversión AD.

Un convertidor AD captura una serie de muestras, cada muestra contiene datos de información sobre el audio que representa su forma de onda analogica original. La profundidad de bits es el tamaño de esas muestras. Por eso son tan importantes las interfaz de audio y sus convertidores AD/DA.

Un poco complejo pero necesario para explicarlo de mejor manera.

¿QUÉ SON BITS?
"El estado de ON/OFF de cada interruptor en una computadora se representa como 1 o 0, un sistema conocido como binario. Por lo tanto, una cadena de dígitos binarios (bits) se utiliza para describir cualquier cosa que haga una computadora, incluida la manipulación y visualización de texto, imágenes y audio. 

Las computadoras pueden administrar cadenas enteras de estos bits a la vez; un grupo de 8 bits se conoce como byte; uno o más bytes componen una palabra digital. Dieciséis bits (dos bytes) significa que hay 16 dígitos en una palabra, cada uno de ellos 1 o 0; 24 bits (tres bytes) significa que hay 24 dígitos binarios por palabra; y así.

El número de bits en una palabra determina cuán precisos son los valores." - Presonus

"El efecto práctico más importante de la profundidad de bits es que determina el rango dinámico de la señal.En teoría, el audio digital de 24 bits tiene un rango dinámico máximo de 144 dB, en comparación con 96 dB para 16 bits, pero la tecnología de convertidor de audio digital actual no puede acercarse a ese límite superior. Al momento de escribir este artículo, los convertidores Burr-Brown de 24 bits en los mezcladores de montaje en rack de la serie StudioLive RM y las interfaces de audio de la serie Studio 192 ofrecen un rango dinámico de 118 dB. Los convertidores de alta velocidad en las interfaces de audio de la serie Quantum proporcionan un rango dinámico de 120 dB.

- FRECUENCIA DE MUESTREO (SAMPLE RATE) Es el número de muestras por unidad de tiempo que se toman de una señal durante el proceso necesario para convertirla de analógica en digital.

El sample rate se encarga de reconstruir una onda en su longitud y la resolución en su amplitud.

ENTENDAMOS:

¿16, 24, 32 punto flotante?

Tener una mayor profundidad de bits significa mayor headroom dinámico para prevenir aliasing o solapamiento (es el efecto que causa que señales continuas distintas se tornen indistinguibles cuando se muestrean digitalmente)

¿44.1, 48, 96, 192 kHz?

Recordemos que todo esto debe pasar por un procesamiento digital, la fidelidad del resultado depende de la densidad (frecuencia de muestreo) como decía se necesitan matemáticas complejas para esto que se aplican en un teorema llamado Teorema de Nyquist, el famoso Nyquist este dice que para que no se pierda información real en el proceso de muestreo se debe tomar el doble o superior al ancho de banda.

Por ejemplo, una frecuencia de muestreo de 44,1 Hz representará con precisión frecuencias de hasta 22 kHz.

"Los humanos con gran audición pueden escuchar hasta 20 kHz.Esto nos dice que una frecuencia de muestreo de 44,1 kHz es perfectamente adecuada para grabar música.44.1kHz también consume menos almacenamiento en su computadora que las frecuencias de muestreo más altas.Algunas personas insisten en que pueden escuchar mejoras en el audio grabado a frecuencias de muestreo más altas. La ciencia simplemente no es compatible con estas afirmaciones." -Masteringthemix

Aunque hay ingenieros de audio que dicen escuchar la diferencia, y esto puede ser la discusión acalorada que nombramos al principio.

Aumentar la frecuencia de muestreo pero no la profundidad de bits (a) mejora la precisión de la representación porque el convertidor está tomando "instantáneas" de la señal con mayor frecuencia. Sin embargo, aumentar tanto la frecuencia de muestreo como la profundidad de bits (b) produce resultados mucho más precisos.

"Lo importante es entender qué ocurre cuando utilizas distintas calidades.

El sample rate se encarga de reconstruir una onda en su longitud y la resolución en su amplitud.

Si conoces la frecuencia de Nyquist, sabrás que el sample rate debe ser el doble de la señal a reconstruir, lo que significa que 44.100 reconstruye hasta 22.050 Hz, lo que ningún ser humano alcanza a escuchar, entonces 192khz es una cantidad gigante que no se aprovechará en nada, si no cuentas con equipos análogos de altísima fidelidad, un espacio acústico muy bien acondicionado e instrumentos de altísima calidad.

Ahora si tomamos en cuenta que los 32 bits flotantes son lo mismo que 24 sólo que se mueven según la dinámica de la señal, pues deberás saber que usarlos cuando tu headroom no requiere mucho espacio, también es un desperdicio.

De modo que grabar a 48khz y 24 bits, es una calidad bastante aceptable que no consumirá tantos recursos a tu hardware. Si tu sistema no es de un altísimo desempeño, lo más probable es que grabar a calidades tan altas sea un factor que te resulte en contra más que ser beneficioso."

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