Trituradora de bits

El audio digital se compone de una rápida sucesión de muestras numéricas que codifican la amplitud variable de una forma de onda de audio. Para representar con precisión una forma de onda de banda ancha y duración considerable, el audio digital requiere un gran número de muestras a una alta frecuencia de muestreo. Cuanto mayor sea la frecuencia, más precisa será la forma de onda; una frecuencia menor requiere que la señal analógica de origen se filtre en paso bajo para limitar el componente de frecuencia máxima en la señal, de lo contrario, los componentes de alta frecuencia de la señal se solaparán . Específicamente, la frecuencia de muestreo (también conocida como tasa de muestreo) debe ser al menos el doble del componente de frecuencia máxima en la señal; esta frecuencia máxima de la señal, que es la mitad de la frecuencia de muestreo, se denomina límite de Nyquist .

Aunque es un error común pensar que la frecuencia de muestreo afecta la "suavidad" de la forma de onda representada digitalmente, esto no es cierto; la teoría del muestreo garantiza que hasta la frecuencia máxima de la señal admitida por la frecuencia de muestreo (es decir, el límite de Nyquist), la señal digital (discreta) representará exactamente la fuente analógica (de onda continua), excepto por la distorsión del ruido de cuantificación resultante de la precisión finita de las muestras individuales. La señal original se puede reconstruir exactamente simplemente haciendo pasar la señal discreta de paso bajo a través de un filtro de paso bajo ideal (con un perfil de corte vertical perfecto). Sin embargo, como es imposible construir un filtro ideal, se debe utilizar un filtro real, con una transición gradual entre la banda de paso y la banda de rechazo, con la consecuencia de que es imposible registrar con precisión todas las frecuencias hasta el límite de Nyquist para una frecuencia de muestreo dada. La solución es aumentar la frecuencia de muestreo en una cantidad que se ajuste a las bandas de transición de los filtros utilizados tanto para el muestreo como para la reconstrucción de onda continua; Por eso, por ejemplo, los discos compactos utilizan una frecuencia de muestreo de 44,1  kHz para grabar audio que rara vez supera los 20  kHz, aunque el límite de Nyquist para esta frecuencia sea de 22,05  kHz. Otra consideración es que, para una reconstrucción perfecta, las muestras deberían representarse como impulsos ideales de duración infinitesimal, pero todo el hardware real genera pulsos rectangulares para las muestras; algunos dispositivos de conversión digital-analógica de menor calidad utilizan la conversión de onda escalonada, que esencialmente emite las muestras como pulsos rectangulares con una duración igual al período de muestreo. En este caso también, un aumento en la frecuencia de muestreo puede reducir y compensar la distorsión resultante. Aun así, es fundamental recalcar que, independientemente de su motivación, un margen adicional añadido a la frecuencia de muestreo no suaviza la forma de onda reconstruida; simplemente evita el aliasing de las frecuencias en la banda de transición a frecuencias más bajas, lo que distorsionaría la señal de forma no lineal.

Actualmente, los DAW suelen utilizar  frecuencias de muestreo de 44,1 kHz o superiores. Los primeros equipos digitales utilizaban frecuencias de muestreo mucho más bajas para ahorrar memoria para el audio almacenado. Por ejemplo, un Speak & Spell  de 1979 utilizaba una frecuencia de muestreo de 8 kHz.

La reducción de la frecuencia de muestreo (también llamada submuestreo) reduce intencionadamente la frecuencia de muestreo para degradar la calidad del audio. Al reducirse la frecuencia de muestreo, las altas frecuencias se distorsionan o, si la señal digital se filtra previamente con un filtro de paso bajo, se pierden. Si se utiliza un convertidor digital-analógico (DAC) de onda escalonada primitivo, o si la frecuencia de corte del filtro del DAC no es ajustable para seguir la frecuencia de muestreo, sino que está fija a la mitad de la frecuencia de Nyquist para la frecuencia de muestreo máxima admitida, las formas de onda también se vuelven más "ásperas". En reducciones extremas, la forma de onda adquiere un sonido metálico como resultado de una distorsión severa y, posiblemente, de una distorsión no lineal debida a una conversión digital-analógica mal ajustada. (Cabe destacar que todos estos efectos se pueden evitar si la señal se filtra con un filtro de paso bajo antes de la submuestreo y si los parámetros del DAC para la reproducción son adecuados para la frecuencia de muestreo reducida; en ese caso, la forma de onda suena limitada en banda, con una calidad comparable a la de un teléfono, una radio AM con buena recepción o una grabadora de cinta magnética a baja velocidad).

Las muestras de audio digital se graban como números enteros o de coma flotante almacenados en memoria digital. Estos números se codifican mediante una serie de bits de memoria que se activan y desactivan. Cuanto mayor sea el número de bits, con mayor precisión codificará la muestra el nivel de volumen instantáneo de la forma de onda de audio muestreada. Actualmente, los DAW suelen utilizar números de coma flotante de 32 bits, ya que son más adecuados para el procesamiento y la mezcla por capas sucesivas, pero la salida maestra final generalmente consiste en muestras enteras de 16 o 24 bits. Los primeros equipos de audio digital y videojuegos utilizaban muestras enteras de 8 bits o menos. La clásica caja de ritmos TR-909 de Roland utilizaba muestras enteras de 6 bits. El número de bits utilizados en cada muestra afecta directamente a la relación señal-ruido y al rango dinámico de la señal digital, específicamente al determinar la amplitud de un tipo de ruido llamado ruido de cuantización , similar al ruido blanco filtrado de paso bajo.

La reducción de resolución disminuye intencionadamente el número de bits utilizados para las muestras de audio. A medida que disminuye la profundidad de bits, las formas de onda se vuelven más ruidosas y se pierden las sutiles variaciones de volumen, lo que reduce el rango dinámico en las frecuencias bajas. Con una reducción de bits extrema, las formas de onda se reducen a clics y zumbidos ( ondas cuadradas ), ya que la forma de onda salta bruscamente de baja a alta y viceversa sin valores intermedios, y muchos picos inferiores se aplanan hasta alcanzar una amplitud cero.