¿Qué es el aliasing del sonido?

Qué es el aliasing del sonido

No hay duda de que producir música es creatividad y expresión en estado puro.
Desafortunadamente, algunas veces las dificultades técnicas y matices concretos se interponen en el camino de hacer arte.
En el pasado, los ingenieros de audio se enfrentaban a dificultades relacionadas con la cinta de carrete y los voluminosos equipos de válvulas analógicas. Hoy en día, podemos disfrutar de la comodidad del mundo digital, pero incluso este tiene sus propias limitaciones. Entre los cuales, el aliasing en la producción de sonido podría representar un desafío incluso para un productor experimentado.

Aliasing en el sonido explicado

Entre las cosas de las que deberíamos preocuparnos como productores de audio, el aliasing no es un gran problema. Pero aún así, podría arruinar un proyecto perfecto si se aplican configuraciones incorrectas. Para comprender mejor qué hacer y cómo evitar el aliasing, no tenemos más remedio que profundizar un poco más en el ámbito teórico de la producción de audio. Entonces, si no tienes ganas de asistir a una conferencia sobre física aplicada, siéntete libre de desplazarte hacia abajo hasta la conclusión de este artículo. Pero si quieres aprender un poco de conocimiento extracurricular, disfrute del viaje!

Fundamentos del audio digital

Antes de descubrir qué es el aliasing y cómo evitarlo, debemos entender cómo ocurre. Desafortunadamente, eso no podría hacerse sin una comprensión más profunda de lo que es la frecuencia de muestreo.

Lo más probable es que ya sepas cómo se producen los sonidos de forma natural. Pero, ¿cómo puede ser reproducido por los altavoces conectados al ordenador? Los convertidores analógicos y digitales son responsables de eso. O, en este caso particular, conversores de digital a analógico.

Tu ordenador es capaz de procesar y almacenar mucha información, pero primero tiene que entenderla. Es por eso que la onda de sonido simple debe convertirse en datos. Y para convertirlo y, como resultado, almacenarlo, primero debe muestrearlo.

En audio digital, el sonido se representa visualmente mediante una onda sinusoide y el muestreo, básicamente, es un proceso de construcción de puntos de los que consta esa onda. Para decirle a nuestras computadoras cuántos bits de información debe contener cada muestra, usamos la profundidad de bits. Dado que el sonido tiene la cualidad fundamental de cambiar con el tiempo, las muestras deben medirse periódicamente.

Frecuencia de muestreo

Básicamente, la tasa de muestreo o frecuencia de tasa de muestreo es la cantidad de muestras tomadas por segundo. Se mide en Hz y es la responsable del ancho de banda de frecuencia de nuestros proyectos de audio. Si observas la configuración de tu DAW, verás que la frecuencia de muestreo más baja disponible es 44,1 kHz. Algunos DAW te permiten llegar a 192 kHz. Entonces, ¿cuál deberías elegir?

El teorema de muestreo de Nyquist-Shannon establece que la frecuencia de la tasa de muestreo debe ser el doble de la frecuencia más alta deseable. En otras palabras, para convertir una señal analógica continua en una discreta, necesitas una frecuencia de muestreo dos veces mayor que la frecuencia más alta que deseas muestrear.

Por ejemplo, si tienes una frecuencia de muestreo de 44,1 kHz, tu proyecto tendrá frecuencias de hasta 22 kHz. Como todos sabemos, el umbral de audición del ser humano promedio es de 20 kHz. Además, la mayoría de las personas pierden la capacidad de escuchar las frecuencias tan altas con la edad. Por lo tanto, es seguro asumir que una frecuencia de muestreo de 44,1 kHz nos brinda frecuencias mucho más altas que el umbral de audición. No hay razón para usar frecuencias de muestreo más altas, ¿verdad?

El problema con el muestreo digital es que si algo excede la llamada frecuencia de Nyquist, no se puede muestrear correctamente. Esto significa que algunas frecuencias ultrasónicas se interpretarán incorrectamente y no coincidirán con frecuencias en el rango audible. Y por lo tanto, tendrás contenido audible que armónicamente no está relacionado con el ancho de banda de frecuencia en el que estás trabajando. Este contenido podría percibirse como distorsiones o artefactos desagradables y se denomina aliasing.

¿Qué es el aliasing?

El aliasing es un efecto que ocurre cuando una señal discreta reconstruida difiere de una señal analógica continua. El aliasing específico que se produce en el audio digital se denomina alias temporal y es importante no confundirlo con el alias espacial, que aparece en las imágenes digitales. El aliasing ocurre cuando la señal analógica continua tiene frecuencias que están por encima de la frecuencia de Nyquist. Aunque son inaudibles para el oído humano, el procesador malinterpreta esas frecuencias como frecuencias más bajas, y cuando la señal se vuelve a convertir en continua, se representan con una distorsión de sonido desagradable.

Entonces, como podemos ver claramente, las frecuencias de muestreo inferiores a 40 kHz no son una opción, lo cual es excelente teniendo en cuenta que nuestros DAW no nos permitirían usar una frecuencia de muestreo inferior a 44,1 kHz. Desafortunadamente, eso todavía no elimina por completo el problema del aliasing. Todos conocemos y amamos una saturación a válvulas. Esto se debe a que cuando una señal excede el potencial del circuito analógico, da como resultado una serie de armónicos pares adicionales. Ese tipo de distorsión suena muy agradable y es bastante deseable, especialmente para los guitarristas de rock.

Cuando la amplitud de una señal continua excede el límite del circuito digital, conduce a la adición de armónicos que no están relacionados con la señal en términos musicales. Esta es la razón por la cual la saturación digital suena horrible y exactamente la razón por la que nunca debes sobrecargar tu DAW. En pocas palabras, si aparece una luz roja sobre una o varias pistas de tu proyecto, claramente estás haciendo algo mal.

El aliasing es un efecto bien conocido e investigado que puede ocurrir debido a la falla en el procesamiento digital. Y dado que ese defecto no se pudo superar, existen mecanismos en lugares diseñados para eliminar los efectos secundarios negativos de este defecto. En primer lugar, dado que los cálculos digitales se basan en el teorema de Nyquist, simplemente no podemos muestrear a tasas que no sean adecuadas para nuestras necesidades. En segundo lugar, para asegurarse de que, incluso con las frecuencias de muestreo adecuadas, no se produzca el aliasing, todos los convertidores A/D y DAW implementan filtros anti-aliasing.

Suavizar el aliasing

El suavizado es una forma de filtros de paso bajo que se implementan en todas las etapas de conversión para garantizar que ninguna frecuencia exceda la frecuencia de Nyquist. Como se dijo anteriormente, algunas señales pueden tener algunos contenidos ultrasónicos que no tenemos forma de detectar. Esos contenidos ultrasónicos podrían ser y serán malinterpretados por un convertidor que resultará en aliasing. Los filtros antialiasing están diseñados para cortar esas frecuencias no deseadas antes de que la señal continua se deconstruya en la digital.

La buena noticia es que no tenemos que hacer absolutamente nada al respecto. Los filtros anti-aliasing están incorporados en nuestros DAW y convertidores A/D y funcionan automáticamente sin necesidad de nuestra interferencia. En este caso, lo único de lo que debe preocuparse es el recorte digital, ya que ocurre después de que se aplica el filtro de paso bajo y dará como resultado un aliasing severo.

Sobremuestreo contra el aliasing

Otro punto de preocupación es que algunos complementos de audio pueden tener su propia frecuencia de muestreo interna, que puede diferir de la frecuencia de muestreo que estás utilizando en tu proyecto. En este caso, si esos complementos aplican algún tipo de procesamiento no lineal a sus pistas, es posible que se produzca algún alias independientemente de la configuración de su DAW. Una forma de superarlo es aplicar un filtro de paso bajo manualmente en una cadena antes de dichos complementos. Pero algunos complementos de audio tienen una opción incorporada de sobremuestreo, lo que significa que pueden aumentar una frecuencia de muestreo internamente, aplicar suavizado y reducir la muestra sin artefactos audibles.

La mayoría de los complementos de alta calidad tienen esa opción como predeterminada, pero algunos pueden necesitar que los actives manualmente. Debes buscar un botón «HQ», o simplemente indicará «sobremuestreo» y te dará una opción de frecuencia de muestreo dos o incluso cuatro veces mayor. Algunos convertidores A/D también pueden aplicar un sobremuestreo interno, pero eso no es motivo de preocupación, ya que también ocurre automáticamente. Esencialmente, el sobremuestreo ayuda a relajar los filtros anti-aliasing ya que la frecuencia de muestreo más alta le dará un rango de frecuencia más amplio. Eso significa que el uso de frecuencias de muestreo más altas dará como resultado una curva de filtro menos pronunciada y no audible, y por lo tanto, el contenido útil se verá afectado.

Conclusión

El aliasing en el procesamiento de sonido es una forma de ruido digital que ocurre porque los procesadores digitales no pueden muestrear frecuencias que son más altas que la frecuencia de Nyquist. El teorema de Nyquist establece que la frecuencia de muestreo debe ser el doble de la frecuencia más alta necesaria para el muestreo. Eso significa que la frecuencia de muestreo de 44,1 kHz debería ser más que suficiente para todos los proyectos modernos. Pero la frecuencia de muestreo de 48 kHz se considera un punto óptimo, ya que la frecuencia de muestreo más alta permite que los filtros anti-aliasing usen una curva más suave. Esto, a su vez, no afectará el contenido de frecuencias en el rango audible.

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