Pontificia Universidad Católica de Chile

Almacenamiento Digital

Demostraciones de Música, Ciencia y Tecnología  ·  Rodrigo F. Cádiz

Conversión analógica-digital (ADC)

Para almacenar o procesar audio en una computadora, la señal continua debe convertirse a números discretos. Esto implica dos procesos independientes: muestreo (sampling) y cuantización (quantization).

Muestreo (sampling)
Tomar el valor de la señal analógica a intervalos regulares. La frecuencia de muestreo fs debe ser al menos el doble de la frecuencia máxima de la señal (Teorema de Nyquist). fs < 2·fmax → aliasing.
Cuantización
Redondear cada muestra al nivel más cercano de una escala discreta. Con N bits hay 2N niveles posibles. El error de redondeo produce ruido de cuantización (≈ 6 dB de SNR por bit).

Muestreo y cuantización — demostración interactiva

Ajusta la frecuencia de muestreo y la profundidad de bits para ver cómo afectan la representación digital de la señal.

44.1 kHz
2 bits — 4 niveles
2.0 kHz
Señal analógica → muestras → señal reconstruida

CD Compact Disc

El CD (Sony/Philips, 1982) almacena audio digital como una serie de pits (hoyos) y lands (zonas planas) en una espiral microscópica. Un láser de 780 nm lee la superficie: la transición pit↔land representa un 1, sin transición representa un 0. Estándar: 44100 Hz / 16 bits / estéreo → 1.4 Mbps.

1×
Vista del CD y lectura con láser
Pits y lands → bits → señal de audio
De bits a sonido: agrupación en muestras → valores → señal continua reconstruida

CD vs DVD — comparación

El DVD usa un láser de menor longitud de onda (640 nm vs 780 nm), lo que permite pistas más estrechas y por lo tanto más datos en el mismo espacio físico.

El diagrama muestra una sección de la superficie de cada disco vista desde arriba. Cada franja horizontal es una pista (surco espiral donde se graban los bits). Con un láser más corto, el punto focal es más pequeño y las pistas pueden estar más juntas (menor pitch), por lo que caben más pistas en el mismo área física → más datos → mayor capacidad.
Sección de superficie: densidad de pistas CD vs DVD
FormatoLongitud de onda láserCapacidadAncho de pista
CD780 nm (infrarrojo)~660 MB / 74 min audio~1.6 μm
DVD640 nm (rojo visible)~4.7 GB (simple capa)~0.74 μm
Blu-ray405 nm (azul-violeta)~25 GB~0.32 μm

Estándares digitales de audio

La calidad perceptiva del audio digital comprimido depende del bit rate (kbps) y la frecuencia máxima reproducible. Selecciona un estándar para ver sus características.

El botón ▶ Escuchar reproduce ruido blanco filtrado hasta la frecuencia máxima del estándar. El ruido blanco contiene todas las frecuencias por igual; el filtro corta todo lo que está sobre fmax. Teléfono (5 kHz) suena angosto y apagado; CD (22 kHz) suena amplio y brillante. Al seleccionar otro estándar el filtro se actualiza en tiempo real — no hace falta detener.
Comparativa de estándares digitales

Audio en internet y formatos digitales

Los formatos de audio digital se dividen en sin pérdida (lossless) y con pérdida (lossy). Los formatos lossy usan modelos psicoacústicos para descartar información que el oído humano no puede percibir fácilmente.

FormatoTipoBit rate típicoCaracterísticas
WAV / AIFFLossless (PCM)1411 kbps (CD)Sin compresión, calidad máxima, archivos grandes
FLACLossless comprimido700–1200 kbpsCompresión sin pérdida (~50% del tamaño WAV)
MP3Lossy (MPEG-1 Layer 3)128–320 kbpsCodificación psicoacústica, el más extendido históricamente
AACLossy128–256 kbpsMejor calidad que MP3 al mismo bit rate. Usado por Apple/Spotify
OGG VorbisLossy (libre)96–320 kbpsFormato libre de patentes, popular en juegos y streaming
OpusLossy (libre)6–510 kbpsÓptimo para voz y música en streaming de baja latencia