Hasta ahora habíamos hablado de los dispositivos de entrada y de los de salida, pero creo que no se os escapará que existen dispositivos mixtos, tanto de entrada como de salida. Uno de ellos es la tarjeta de sonido, de la cual os quiero hablar en este post.

Hoy en día, la tarjeta de sonido es un componente esencial de cualquier ordenador. Solo pensad, que sin ella, no podríamos reproducir música ni el audio de los videos. Por ello, normalmente nos vamos a encontrar este dispositivo integrado en la placa madre y el software para manejarlo, incorporado al Sistema Operativo. No obstante, existen algunos usos en los que demandaremos más potencia a este dispositivo, como por ejemplo si queremos trabajar de forma profesional con el sonido o queremos el mejor sonido posible para jugar a videojuegos. Para estos casos, querremos instalarnos una tarjeta de sonido que nos proporcione toda la funcionalidad requerida.

Tarjeta de sonido

Funciones básicas de la tarjeta de sonido

Toda tarjeta de sonido va a incorporar dos funciones básicas: captura y reproducción de sonido. Para las cuales va a necesitar de otros tres componentes: micrófono, altavoces y software.

Normalmente vamos a tener tanto el micrófono como los altavoces integrados en el hardware del ordenador. Aunque siempre podremos conectar al ordenador micrófonos o altavoces de más calidad.

Con el software ocurre algo similar. Tendremos un software de audio integrado en el Sistema Operativo que nos llegara para realizar las dos funciones anteriores de manera básica. Pero, si necesitamos hacer un uso más profesional, disponemos de una gran variedad de software que multiplicará las capacidades del ordenador para la captura de sonido como para su reproducción.Captura de sonido

Nuestro ordenador trabaja con señales digitales y el sonido es una señal analógica. Para poder trabajar con el sonido en nuestro ordenador, tendremos que convertir a digital el sonido.

Sin entrar en profundidad, teóricamente una señal analógica tiene infinitos puntos posibles con infinitos valores posibles. En el proceso de digitalización de una señal analógica, lo primero que tendremos que hacer es muestrear la señal. Nos quedamos con un número finito de muestras, aunque estas pueden tener un número infinito de valores, depende de nuestra precisión. A continuación cuantificamos las muestras, con lo que nos quedamos con un número finito de posibles valores. Y finalmente, codificamos la señal, expresando en binario los valores de las muestras, y tendríamos una señal digital de nuestro sonido con la que podríamos trabajar en nuestro ordenador.

Para llevar a cabo todo el proceso de digitalización de la señal, la tarjeta de sonido dispone de un conversor analógico digital (ADC). El número de muestras que tomamos dependerá de la frecuencia de muestreo. Si queremos una calidad superior, podemos muestrear hasta una velocidad de muestreo de 128 kHz, trabajaríamos con 128.000 muestras por segundo. Aunque con 44 kHz (calidad CD) resulta suficiente.

El número de bits que empleamos para codificar los valores de las muestras, es conocido como profundidad de bit. Con una profundidad de bits de 16, estaríamos empleando 2 bytes para cuantificar cada muestra, manejando 2^16 valores posibles, lo que nos daría una calidad razonablemente buena.

Muestreando a 128 kHz y con una profundidad de 16 bits, para capturar un segundo de sonido, ocuparíamos en memoria 256 Kbytes (128 muestras/seg y 2 bytes por muestra). Esta sería una calidad alta, estaríamos almacenando detalles de la señal de audio que luego el oído humano no iba a ser capaz de discriminar. Es decir, que si quitamos esos detalles y ahorramos espacio, cuando reprodujéramos el sonido, el oído humano no iba a notar diferencia. Esta circunstancia es aprovechada por algunos formatos de audio para reducir el peso de los ficheros de audio.

Reproducción de sonido

Para reproducir el sonido con nuestro ordenador, tendremos que realizar el proceso contrario al de la captura. En este caso, disponemos de un fichero digital que queremos convertir en una señal analógica, como es el sonido. Tenemos que pasar de una señal digital a otra analógica.

Para esta conversión, la tarjeta de sonido, dispone de un conversor digital a analógico (DAC). La señal analógica resultado de la conversión, se colocará en la salida analógica de los altavoces.

Formatos de audio digital

Existe una cantidad ingente de formatos de audio digital. En este apartado no pretendo hacer un recorrido por todos ellos, sino sencillamente dar algunas pinceladas de los más habituales. De esta forma, cuando nos los encontremos, seremos al menos capaces de identificarlos.

Además, existen muchos programas que convierten entre formatos.

Formato WAV

La necesidad de definir formatos de audio digitales para registrar la información de una señal de sonido, apareció con las primeras líneas digitales. Había transportar las llamadas telefónicas en estas nuevas líneas, diseñadas para transportar señales digitales. Se desarrollo entonces, en 1960, el formato PCM (Pulse Code Modulation, modulación de código de pulsos), que posteriormente fue adaptado para ser utilizado en el mundo del ordenador, y bautizado con el nombre de formato WAV.

Este formato tiene una alta calidad, ya que guarda fielmente toda la información del sonido, incluso alguna que no es capaz de apreciar el oído humano. Como inconveniente, ocupará mucho espacio en memoria. Otro simple cálculo: si guardamos un minuto de audio con una velocidad de muestreo de 44 kHz (calidad CD) y una profundidad de 16 bits en estéreo (dos pistas), nuestro fichero ocuparía algo más de 10 MB.

60 (seg) x 44.000 (muestras/seg) x 2 (bytes/muestra) x 2 pistas) = 10.560.000 bytes

Formato MP3

Hemos visto que algunos formatos, como el WAV, almacenan mucha información de la señal de audio. Mucha más de la que realmente necesitamos para asegurar una adecuada calidad.

No obstante, podemos reducir el tamaño del fichero, sin perder calidad, eliminando toda aquella información extra que el oído humano no es capaz de apreciar. También podemos comprimir el fichero. Para realizar estas tareas necesitaremos un software denominado códec (compresor/descompresor). Quizás el más famoso de todos los códec es el Fraunhoffer MPEG Layer 3, llamado habitualmente MP3, por la extensión de sus ficheros. Con MP3 podemos reducir el tamaño de un fichero WAV hasta en un factor de 12, todo ello sin perdida de calidad.

Otros formatos

Podemos nombrar también otros formatos. Pero insisto, hay muchos más:

  • MOD y VOC: Diseñado por Creative Labs. Hoy en día en desuso, pero todavía reconocidos por muchos reproductores.
  • WMA (Windows Media Audio): El formato de audio de Windows.
  • AIFF: Formato sin comprensión, similar al WAV, pero empleado por los ordenadores Macintosh.
  • RM: formato propietario de Real Media.
  • OGG: códec similar a MP3. Es libre para la compresión de audio, lo que está haciendo que adquiera cada vez más popularidad.

MIDI (Musical Instrumental Digital Interface)

MIDI es otro formato de fichero de audio, pero lo trato separadamente porque tiene una filosofía de funcionamiento totalmente diferente a los formatos vistos anteriormente. Aquellos formatos almacenan los datos digitalizados del sonido, mientras que el formato MIDI almacena una serie de instrucciones, a modo de partitura, que la tarjeta de sonido es capaz de interpretar y producir el sonido deseado. Como puedes ver, es otro concepto totalmente diferente.

Las instrucciones que guardamos en este formato, nos van a permitir indicar a la tarjeta de sonido, que notas tiene que reproducir, su duración y volumen, así como el instrumento a emplear.

Como podemos imaginar, este formato nos va a ocupar muy poco espacio en memoria. Los datos de las instrucciones a guardar son muchos menos que los de la señal de audio digitalizada. Sin embargo, el inconveniente que nos encontramos es que la reproducción de estos ficheros dependerá de las características de nuestra tarjeta de sonido, de la calidad de la misma y del juego de instrumentos que admita. Es decir, podemos apreciar algunas diferencias en la reproducción del mismo fichero MIDI de un ordenador a otro, dependiendo de la tarjeta de sonido de cada uno.

Las tarjetas de sonido pueden emplear dos tecnologías para reproducir este tipo de ficheros:

Síntesis FM

Fue la primera tecnología empleada. La tarjeta de sonido emulaba a varios instrumentos, de los que era capaz de reproducir un juego de notas. Y aunque se conseguía una reproducción de calidad razonable, según nos desplazáramos en la escala, el sonido era cada vez más electrónico. Al final, la calidad de reproducción era deficiente.

Síntesis de tabla de onda

La tecnología de síntesis de tabla de onda vino a solucionar la deficiente reproducción que obteníamos con la tecnología de Síntesis FM. La solución consiste en almacenar en la tarjeta de sonido, grabaciones reales de instrumentos y efectos sonoros, y emplearlas luego en la reproducción. Cuando se requiere reproducir una determinada nota de un determinado instrumento, se busca la grabación correspondiente (probablemente un fichero WAV), y se adapta la duración y volumen para que coincidan con el sonido solicitado.

Componentes de la tarjeta de sonido

Para cumplir con las funciones mencionadas, la tarjeta de sonido tiene una serie de componentes básicos que se muestran en la siguiente figura:

Componentes de la tarjeta de sonido

De izquierda a derecha, nos encontramos con la conexión al bus PCI, que será como conectemos nuestra tarjeta de sonido a la placa madre. Conectada al Bus PCI tenemos un buffer de memoria que nos ayudará a ajustar la velocidad de transferencia de datos.

Luego nos encontramos con los módulos: Sintetizador FM y Sintetizador Tabla de Onda. Son los elementos que emplea la tarjeta de sonido cuando trabaja con ficheros MIDI. Ya vimos estas dos tecnologías cuando hablamos de este tipo de ficheros.

A continuación podemos ver el DSP (Digital signal processor), procesador de señales digitales. Se trata del procesador de la tarjeta de sonido, que como en otros muchos dispositivos, realiza funciones propias del procesador, liberando de trabajo a la CPU del sistema.

Entonces aparecen los dos conversores, de analógico a digital (ADC) y de digital a analógico (DAC). Recordemos que las señales con las que trabaja el ordenador son digitales y el sonido es analógico, por lo que necesitamos estos dos conversores. El ADC cuando capturamos sonido y el DAC cuando lo reproducimos.

Después vemos un Mezclador, conectado a las salidas y entradas de la tarjeta. Pensemos que con una tarjeta de sonido, trabajamos con varios canales, donde podemos mezclar sonidos por hardware. Lógicamente, esto último se puede hacer también por software.

Características de la tarjeta de sonido

Existe una gran variedad de tarjetas de sonido, todas ellas cumplirán con las dos funciones básicas comentadas: captura y reproducción de sonido. Pero no todas tendrán la misma calidad. Entonces: ¿En que características de la tarjeta de sonido hay que fijarse? Para mí hay cuatro fundamentales:

Capacidad del procesador

Veíamos en el apartado de componentes de la tarjeta de sonido, que está tenía su propio procesador denominado DSP (Digital Signal Processor). Este controla la comunicación entre el software que estemos usando, el sistema operativo y la CPU del sistema, liberando de trabajo a esta última.

Las diferencias de un procesador de señal (DSP) de una tarjeta de sonido a otra, pueden ser significativas, aunque no haya una gran diferencia de precio. Aunque estos procesadores no necesitan tanta potencia como los procesadores gráficos.

Compatibilidad con altavoces

Las tarjetas de sonido básicas admiten un par de altavoces o auriculares. Si queremos en la reproducción de sonidos, por ejemplo reproduciendo envolventes, consiguiendo sensaciones muy realistas. Necesitaremos una tarjeta de sonido a la que podamos conectar cinco o más altavoces con distintos canales. También ganaremos en calidad de reproducción si disponemos de un bafle para reproducir los tonos de baja frecuencia (graves).

Normalmente, si requerimos una buena calidad de sonido, tendremos que irnos a una tarjeta de sonido que admita cinco altavoces y un bafle (sistema 5.1). Aunque si  queremos todavía más calidad, podemos ir al sistema 7.1, que admite 7 altavoces y un bafle.

Calidad de grabación

Otra característica importante de la tarjeta de sonido es la calidad con la que puedes capturar el sonido. Cuando grabemos sonidos, vamos a capturar también sonidos no deseados, lo que es conocido como ruido. La calidad de la grabación vendrá determinada por la relación que existe entre la potencia de la señal que queremos grabar y la del ruido. Y la medimos en decibelios. Podemos encontrar tarjetas de sonido con calidades de grabación entre 30 y 60 decibelios, aunque existen algunas con calidades superiores a los 90 decibelios. Calidades superiores a 50 decibelios ya nos permiten usos profesionales.

Conexiones

Todas las tarjetas de sonido tendrán al menos tres conectores: uno de salida analógica para los altavoces, otro de entrada analógica para el micrófono y una salida secundaria conocida como línea de salida. No obstante, podemos encontrar muchas más conexiones en nuestra tarjeta, algunos habituales son:

  • Línea de salida: se emplea para conectar dispositivos externos al ordenador, como un reproductor de CD, y reproducir en este dispositivo sonidos que tenemos almacenados en el ordenador
  • Línea de entrada: lo empleamos para conectar dispositivos externos al ordenador, para introducir sonidos que queremos procesar con la tarjeta de sonido del ordenador.
  • Salida trasera: para conectar los altavoces traseros y conseguir un sonido envolvente.
  • Salida analógica/digital: esta conexión puede cumplir varias funciones. Podemos emplearla para conectar dispositivos digitales al ordenador. Y también para conexiones analógicas a los canales centrales y bafles.
  • Micrófono: conexión analógica para conectar el micrófono.
  • Joystick: la emplearemos para conectar un joystick o un dispositivo MIDI.

NOTA:

Este post es parte de la colección “Arquitectura de Sistemas” que reproduce los apuntes de la clase que imparto sobre el tema en ESIC. Puedes ver el índice de esta colección aquí.