Tarjeta de Sonido

Esta guía explica el funcionamiento de la tarjeta de sonido.

Un poco de historia

La PC no fue pensado en un principio para manejar sonido, excepto por esa minibocina que en algunas computadoras ya no se instala (o está desconectada) llamada “altavoz interno” o “PC Speaker“.

Ese pitido que oímos cuando arrancamos el ordenador fue durante muchos años el único sonido que emitio el PC en un principio, el altavoz servía para comunicar errores al usuario, ya que la mayoría de veces, el ordenador debía quedarse solo trabajando.

Pero entró en escena el software que seguramente más ha hecho evolucionar a las computadoras desde su aparición: los videojuegos. Probablemente los programadores pensaron: “¿No sería maravilloso que los muñequitos ésos emitieran sonidos? ¿No sería aún más increíble una banda sonora?” Para quien jamás haya jugado a un juego con música o sonido por el altavoz del PC

ADC/DAC

Los ordenadores tenían (siguen teniendo) un “problema”, sólo saben trabajar con datos digitales (más concretamente binarios, 0s y 1s), por lo que cuando conectamos unos altavoces a nuestra tarjeta de sonido, hay alguien que transforma esos datos digitales en analógicos para que nuestro altavoz los entienda. De eso se encarga el DAC (Conversor Digital-Analógico).

Y supongo que todo el mundo habrá deducido para qué sirve el ADC (Conversor Analógico-Digital); efectivamente, cuando grabamos desde una fuente externa (por ejemplo desde nuestro equipo musical), deberemos transformar esos datos analógicos que llegan por el cable en muestras digitales que podamos almacenar en nuestro disco duro.

Pero a alguien le puede ocurrir que necesite reproducir sonido, tratarlo al mismo tiempo con una fuente externa y volver a grabarlo. O simplemente reproducir y grabar al mismo tiempo. Esta característica se conoce como “fullduplex” y debe estar presente en cualquier tarjeta de sonido medianamente decente (creo que actualmente ya lo está en prácticamente todas). Para ello, los dos conversores ADC-DAC deben trabajar de forma separada.

16 bits

Nada de 32, 64, 128 y 256 bits. Las tarjetas de sonido (excepto muy raras excepciones profesionales) toman las muestras de sonido a 16 bits Esto ha llevado a engaño a mas de uno al creer que su tarjeta de sonido trabajaba con más bits que su propio procesador (pero se trata del numero de voces, que es otro tema completamente distinto). Esos bits vienen a definir la posición del altavoz.

¿Qué significa esto? Vamos a explicarlo.

Para emitir sonidos, los altavoces se mueven dando golpes. Estos golpes hacen que el aire que nos rodea vibre, y nuestros oídos captan esas vibraciones y las transforman en impulsos nerviosos que van a nuestro cerebro… (bueno, eso ya no es cosa de los ordenadores). Pues bien, deberemos indicarle al altavoz dónde debe “golpear”. Para ello simplemente le enviaremos una posición (en este caso un número). Pues bien, cuantas más posiciones podamos representar, mejor será el sonido. Y cuantos más bits tengamos, más posiciones podremos representar (sencillo ¿verdad?).

8 bits	256 posiciones
16 bits	65536 posiciones

La diferencia es apreciable. Y supongo que todo el mundo se puede hacer una idea de qué sonará mejor…

¿Son necesarios más bits? En principio no; sin embargo, como en todo, cuando el ADC no es excesivamente bueno, los últimos bits captados tienen información que no es demasiado fidedigna. Esto significa que si podemos trabajar con un mayor abanico de bits (20 o más), aunque perdamos calidad el sonido final seguirá siendo igual de bueno.

44,1 KHz significa calidad de CD

Vamos a explicar esto. Las tarjetas de sonido simplemente transforman una señal continua (el sonido es algo continuo, no va a t-r-o-z-o-s) en una discreta (aunque no lo parezca). Explicamos la palabra “discreta”: que sucede a ciertos intervalos de tiempo.

El sonido se degrada rápidamente.
La conclusión de este ejercicio de dibujo a mano alzada es muy sencilla: cuanta más resolución tengamos, mejor será la representación del sonido en nuestro ordenador. Algunas tarjetas incorporan interpolación, mediante la que se suavizan los picos y se puede volver a obtener una onda más parecida a la original, mejorando, según los fabricantes, la calidad de sonido. Realmente, aún no conozco a ninguna persona que haya sido capaz de distinguir entre los dos sonidos (con y sin interpolación).

¿Y porqué exactamente 44,1 KHz? Por el mismo motivo por el que el VHS emite 24 imágenes por segundo: si el ojo humano es capaz de reconocer como mucho unas 30 imágenes por segundo, sería un derroche de medios (y dinero) emitir 100 imágenes por segundo, por el simple hecho de que no notaríamos la diferencia. Del mismo modo, el oído humano es capaz de reconocer unos 44.000 sonidos cada segundo (o sea, capta el sonido con esa frecuencia), con lo que la utilización de un mayor muestreo no tiene ningún sentido (en principio).

Todas las tarjetas de sonido domésticas pueden trabajar con una resolución de 44,1KHz, y muchas incluso lo hacen a 48KHz. Las semi-profesionales trabajan en su mayoría con esos 48KHz y algunas incluso con 50KHz. Las profesionales llegan cerca de los 100KHz.

La utilización de este muestreo ampliado se debe al mismo motivo por el que algunas tarjetas utilizan más de 16bits para cada muestra: si los datos de partida no son suficientemente fieles o después nos vamos a dedicar a modificar el sonido, perderemos calidad, así que cuanta más calidad tengamos en un principio, mejores resultados obtendremos al final, es mejor trabajar con un margen de confianza.

MIDI, síntesis FM y tablas de ondas

El sonido digital siempre ha tenido diversos formatos (hasta llegar al mp3, el más de moda actualmente). El sonido en formato digital tiene un problema, y es su excesivo espacio para almacenar relativamente poca información. Se pueden hacer los cálculos fácilmente: audio a 44,1KHz, con 16 bits y en estéreo, nos da 172 Kb/segundo (10,3 MB por minuto, una auténtica barbaridad).

Este método de almacenar el audio digital “tal cual” es el utilizado en los ficheros .wav o en los CD-Audio. Sin embargo, no resulta útil para los profesionales del sector (sobre todo para los compositores); imaginar la cantidad de disco duro y, sobre todo, memoria que son necesarios para trabajar a pleno rendimiento con el audio digital. ¿Cuál es la posible solución? El formato MIDI (Musical Instrument Data Interface)

Al contrario que el audio digital, el formato MIDI no es el sonido grabado, sino principalmente las notas musicales que lo componen. Cualquier fichero MIDI ocupará poquísimo espacio, debido a que tan solo es necesario almacenar las notas que están sonando en cada momento. El formato MIDI nació para estandarizar el comportamiento de los distintos instrumentos digitales, para que las mismas notas sonaran “igual” en los distintos instrumentos. Hoy en día existen teclados MIDI (los archiconocidos sintetizadores), pianos MIDI, violines MIDI (Celtas Cortos tiene uno, así como The Corrs, que también lo utilizan), flautas MIDI, baterías MIDI, e incluso gaitas MIDI (¿alguien ha escuchado alguna canción de Hevia?).

Pues bien, en el caso del ordenador, alguien tendrá que encargarse de reproducir las composiciones MIDI. Y por supuesto, la solución está en aprovechar nuestra tarjeta de sonido. Como el formato MIDI no son más que notas, tendremos que obtener los sonidos de algún sitio, y existen dos opciones.

La síntesis FM es la más económica. Hasta el momento, y desde hace mucho, ha sido la solución más empleada. La síntesis FM no es más que un pequeño procesador que se encarga de imitar el sonido mediante el empleo de fórmulas matemáticas trigonométricas. Y en cierto modo, da mejores resultados de los esperables.

Se trata de una onda bastante regular, que fácilmente puede ser simulada por una ecuación.
Todas las ecuaciones están basadas en senos y cosenos. Para quien no las conozca, la ecuación del seno es la de la derecha, y la del coseno es idéntica pero desplazada sobre el eje x pi/2 unidades.

Si construimos a partir de las ecuaciones anteriores una función, construida una arbitrariamente,
obtendremos una especie de onda que en cierta manera se parece a la que tenemos digitalizada a partir de un instrumento real.

Por supuesto, las ecuaciones y funciones que utiliza nuestra tarjeta de sonido son mucho más complejas y las ondas mucho más parecidas, excepto en un caso, en el de los instrumentos de percusión, con ondas mucho menos estables, como se aprecia en el siguiente ejemplo:

La solución que aportan ya la mayoría de tarjetas domésticas, es la inclusión de la síntesis por Tabla de Ondas (WaveTable). Esto no es más que el tener los sonidos de los instrumentos grabados (a partir de instrumentos reales) en una memoria incluida en la propia tarjeta (ROM que normalmente se puede ampliar con RAM para añadir nuevos y mejores sonidos) o utilizando la memoria del ordenador, en cuyo caso deberá tener conector PCI en lugar de ISA. Con esto conseguimos una calidad MUCHO mayor en la reproducción de canciones MIDI.

Actualmente sólo la Crystal, SoundBlaster 16 y las compatibles Yamaha OPL3 de (así como algunas soluciones integradas en placas base y otras de fabricante desconocido) funcionan sin tabla de ondas.

Tabla de ondas por software

¿Su tarjeta es de síntesis FM? No todo está perdido, puesto que el segundo mp3 también lo grabé con mi Crystal, pero utilizando un sintetizador virtual de Yamaha. Este sintetizador trabaja como lo haría una tarjeta con tabla de ondas pero utilizando nuestro procesador para utilizar los datos (notas musicales y efectos a aplicar).

Por supuesto, podremos usar nuestros juegos con música MIDI y apreciaremos un notable aumento de calidad musical, directamente proporcional a la pérdida de velocidad de las animaciones. Hay que tener en cuenta que estos sintetizadores virtuales tienen el problema de consumir muchísimos recursos de CPU. Sin embargo podremos hacernos una idea de si merece la pena adquirir una tarjeta de sonido que incorpore tabla de ondas (aunque pocas tendrán la calidad de Yamaha en instrumentos de percusión, son realmente increíbles).

DSP

Pues bien, tenemos un montón de posibles voces que podremos tratar. En las soluciones más avanzadas tenemos posibilidades de hacer nuestros primeros pinitos en la música.

Cuando tratamos con una de las pistas de sonido que tenemos grabada, por ejemplo, tenemos (en muchos casos) la posibilidad de aplicarle efectos, como son el “chorus” o la reverberación. Pero también simular sintetizadores de sonido, realizar “fades” … Por supuesto, este proceso de modificación de una señal digital requiere potencia de cálculo, pero normalmente se desea saber como afectará la aplicación de un efecto en tiempo real. Es por ello que muchas soluciones, sobre todo a partir de la gama media, incorporan un Procesador Digital de Señales (DSP: Digital Signal Processor) para liberar de trabajo al microprocesador del PC; uno de los más utilizados actualmente es el EMU10K1.

Canales, altavoces y la fiebre 3D

Podríamos explicar el concepto de canal o pista de forma sencilla como una pista de sonido diferente para cada altavoz en la que estarán grabados los datos que debe reproducir, para que no le lleguen datos de otros altavoces. Así cada altavoz reproducirá el sonido que le corresponde, logrando el deseado realismo.

Cuando apareció la entonces “revolucionaria” ADLIB, era capaz de reproducir el sonido por 1 canal, o sea, hablamos de sonido monoaural en su sentido más estricto. Cuando escuchamos el sonido estéreo, nos llega mediante 2 canales, el izquierdo y el derecho, mejorando mucho el realismo del sonido. Las tarjetas más básicas utilizan un sistema 2.1 estéreo, con una salida de jack, a la que podemos conectar dos altavoces

Pero llegó un momento en que esto pareció ser poco, y se desató la fiebre 3D: ¿qué hace el sonido situado delante de nosotros? ¿No sería mejor que nos rodeara? Pues esto van a intentar reproducir los Dolby Surround, AC-3, A3D, THX, DirectSound3D… Para producir sonido envolvente existen multitud de sistemas.

Algunas tarjetas de sonido dicen ser capaces de producir sonido 3D con tan sólo 2 altavoces. Estos sistemas, más que sonido envolvente, crean “sonido extraño”, pues combinan los 2 canales del estéreo para provocar sensación de profundidad en sonido (nunca sonido “envolvente”). Últimamente, además de los 2 altavoces tradicionales, los vendedores ofrecen un Subwoofer (también conocido como altavoz-enorme-que-no-sé-dónde-colocar). Este altavoz se utiliza principalmente para la reproducción de los sonidos más graves, pero seguiremos teniendo solamente 2 canales.

Otros utilizan 4 altavoces, en tarjetas de sonido cuadrofónicas. Las tarjetas cuadrafónicas permiten la reproducción de sonido envolvente 3D. Estas tarjetas disponen de dos salidas analógicas, lo que permite conectar sistemas de altavoces 4.1 o 5.1. También suelen incluir la interfaz S/PDIF, para el sistema Dolby Digital. Éstas tienen 2 salidas estéreo, para 2 pares de altavoces (un total de 4). La calidad obtenida es bastante buena, ya que, además de los 4 altavoces que hacen que percibamos el sonido desde cualquier dirección, las tarjetas más modernas incorporan software que permite la calibración de nuestra posición con respecto a los altavoces, ajustando automáticamente el volumen para que el sonido se “centre” en nuestra cabeza (aunque suene muy complicado, la verdad es que es de lo más sencillo: si un altavoz está más lejos de nosotros que el otro y por los 2 emitimos el mismo volumen, el sonido lo notaremos desplazado, el reto será ajustar el volumen de cada altavoz para escuchar el sonido lo más centrado posible).

Sistemas más avanzados, aportan al igual que ocurría con los sistemas de 2 altavoces, un subwoofer junto con los 4 altavoces, consiguiendo un mayor realismo en el sonido envolvente. Ya existen diversas soluciones (como el Creative FPS 2000) que por un precio económico proporcionan sonido cuadrafónico con cuatro altavoces y un subwoofer.

Especificaciones de sonido 3D

Ya hemos hablado un poco del sonido 3D, sin embargo tenemos pendiente el responder la pregunta de cómo se consigue. Vamos a responderla: del mismo modo que existen juegos con gráficos 3D, también pueden soportar sonido 3D (o ambiental). Si un juego 3D debe estar programado con alguna librería gráfica 3D (léase Glide, Direct 3D o OpenGL), también debe estarlo para soportar el sonido ambiental, mediante el uso de alguna de los formatos existentes. Los más conocidos son Direct Sound, Direct Sound 3D (a partir de DirectX 6), Aureal A3D 1.0 o 2.0, Dolby Surround Prologic o Dolby Digital.

Cada uno tiene sus ventajas e inconvenientes. Direct Sound 3D es muy utilizado en juegos en entornos Windows, por lo que su soporte es casi imprescindible para poder disfrutar de los mejores títulos de última generación en todo su esplendor. Aureal A3D ha sido una API propietaria que en un principio se utilizaba porque Direct Sound no soportaba sonido ambiental todo lo bien que debería, sin embargo, con el nuevos Direct Sound 3D, no debería ser necesario.

Mención aparte merecen las especificaciones Dolby Surround Prologic y Dolby Digital, competencia directa del THX del archimillonario George Lucas. Con la aparición del DVD se ha revolucionado el sector de entretenimiento.

Cuando en nuestro ordenador tengamos un reproductor DVD, podremos, en teoría, disfrutar de los títulos de vídeo en ese formato. Pero si realmente queremos disfrutar a fondo de ellos, serán necesarias 2 cosas. Primero, una tarjeta decodificadora de MPEG2, porque con tan sólo nuestra CPU la calidad que obtendremos no será la óptima; y por otro lado, un sistema de sonido que soporte Dolby Digital, y en ello incluimos la tarjeta de sonido, que debe ofrecer ese soporte, y los altavoces, que deben ser los necesarios.

Dolby Digital o el cine en casa

Directamente importado de los cines, así que podemos hacernos una idea de la calidad. El formato por excelencia del DVD es el Dolby Digital 5.1 o AC3. Este formato es evolución directa del Dolby Surround Prologic, utiliza 6 pistas, por lo tanto serán necesarios 6 altavoces: 1 central, 1 izquierdo y 1 derecho, 1 altavoz izquierdo y 1 derecho para el sonido ambiente (detrás del espectador) y 1 subwoofer para realzar los graves.

También será necesario un amplificador que soporte este formato de sonido, además de nuestra tarjeta. Un buen ejemplo es el Creative Desktop Theater 5.1 en conjunción con una SoundBlaster Live!.

Altavoces autistas y compañía

Últimamente se ha puesto de moda reducir costos al mínimo, como con los Winmódems, que utilizaban la potencia de nuestro procesador para suplir varios componentes que sencillamente no tienen. En el caso de los altavoces, se habla con mucha facilidad de potencias de “60W, 120W, 200W…” musicales o PMPO, que en realidad son de 5 a 20W reales; y por supuesto, unos altavoces buenos es imposible, como sabe cualquier aficionado al sonido.

La última apuesta en el ahorro son los altavoces USB. En teoría parece una buena idea, enviamos los datos digitales por el puerto USB y los altavoces se encargan de reproducir el sonido. No hay complicaciones y la calidad de reproducción es bastante elevada. Además todas esas soluciones (como la de Philips o Microsoft) también llegan con un Subwoofer, por lo que su calidad de reproducción es bastante elevada. Además, nos hemos ahorrado el dinero que cuesta una tarjeta de sonido.

Como mayor contrapartida, su mejor ventaja: al no incluir ni necesitar tarjeta de sonido, ¿alguien sabe cómo grabarlo? No podremos conectar un micrófono y disfrutar de los divertidos programas de Karaoke. También hay que decir que el precio no es uno de sus mayores fuertes, comparados con altavoces convencionales de buena calidad, con soluciones de 2, 3 (2 + Subwoofer), 5 (4 + Subwoofer) o 6 (Dolby Digital) altavoces.

También como altavoces convencionales (porque tenemos que conectarlos a una tarjeta de sonido) podemos incluir a los monitores con altavoces incorporados, con mucho estilo y una calidad de sonido aceptable (si no se es un purista, claro). Una gran elección para “escritorios con estilo”.

Conectando nuestra tarjeta con el exterior (y al revés)

Todos tenemos la parte trasera de nuestro ordenador repleta de una maraña de cables. Parte de la culpa la tiene la tarjeta de sonido.

Tradicionalmente se han utilizado conectores mini-jack, como los que usamos en nuestro radiocasete portátil. Éstos siguen siendo los más comunes en las soluciones de nivel bajo y medio. Se trata de conexiones analógicas de media calidad, que no es suficiente en muchos casos.

La explicación es sencilla; si al grabar el sonido se pierde un poco de calidad, cuando lo tratamos un poquito más y al grabarlo a soporte (al exterior) otro poco, en total hemos perdido 2 pocos y un poquito, mientras que con otras soluciones perderemos sólo un poquito.

Conectores tradicionales en las cadenas o minicadenas de sonido domésticas son los RCA. Normalmente cada RCA es un canal independiente (mientras que en el Jack van 2 canales juntos). Por ello siempre van de dos en dos (clásicamente el rojo es el canal derecho y el blanco el izquierdo). Ofrecen mayor calidad que los conectores Jack tradicionales pero son más caros y menos compactos.

Si buscamos calidad profesional, deberemos decantarnos por una tarjeta con entradas y salidas S/PDIF o salidas ópticas digitales. Éste ha sido desarrollado por Sony y Philips para diseñar una interface de conexión digital de altas prestaciones. Al tratar al sonido digitalmente, no se producen pérdidas de calidad en ningún momento al pasar de soporte digital al ordenador o viceversa.

Por último, las entradas y salidas MIDI. Serán necesarias en caso de que vayamos a trabajar con dispositivos MIDI como pudiera ser un teclado. Con la entrada MIDI, nuestras composiciones serán mucho más sencillas, puesto que tan sólo deberemos conectar nuestro teclado, y la partitura de la pieza que toquemos aparecerá en la pantalla de nuestro ordenador (si contamos con el software adecuado). Si además de entrada, disponemos de una salida MIDI, cualquier partitura en ese formato podrá ser reproducida por un instrumento conectado, desde un teclado a una caja de ritmos pasando por una guitarra o una batería (siempre que sean MIDI, por supuesto).

Además de estos conectores externos, los hay también internos, siendo el más importante el que va al CD-ROM, para poder escuchar los CDs de música. Puede ser digital (sólo en los más modernos) o el típico analógico, del cual hace tiempo había varios formatos (para CD-ROMs Sony, Mitsumi, IDE…) ahora ya unificados. Y en algunas tarjetas antiguas se incluía un conector IDE de 40 pines para el CD-ROM (cuando los CD-ROMs eran algo “extra” y no existía el EIDE con sus 2 canales).