Procesamiento de señales de audio

El procesamiento de señales de audio es un subcampo del procesamiento de señales que se ocupa de la manipulación electrónica de las señales de audio . Las señales de audio son representaciones electrónicas de ondas sonoras —ondas longitudinales que se propagan por el aire— y que consisten en compresiones y rarefacciones. La energía contenida en las señales de audio, o nivel de potencia sonora, se mide normalmente en decibelios . Dado que las señales de audio pueden representarse en formato digital o analógico , el procesamiento puede realizarse en cualquiera de los dos dominios. Los procesadores analógicos operan directamente sobre la señal eléctrica, mientras que los procesadores digitales operan matemáticamente sobre su representación digital.

La motivación para el procesamiento de señales de audio comenzó a principios del siglo XX con inventos como el teléfono , el fonógrafo y la radio , que permitieron la transmisión y el almacenamiento de señales de audio. El procesamiento de audio fue necesario para la radiodifusión temprana , ya que había muchos problemas con los enlaces entre el estudio y el transmisor . ^{[ 1 ]} La teoría del procesamiento de señales y su aplicación al audio se desarrolló en gran medida en los Laboratorios Bell a mediados del siglo XX. El trabajo inicial de Claude Shannon y Harry Nyquist sobre la teoría de la comunicación , la teoría del muestreo y la modulación por impulsos codificados (PCM) sentó las bases del campo. En 1957, Max Mathews se convirtió en la primera persona en sintetizar audio desde una computadora , dando origen a la música por computadora .

Los principales avances en codificación de audio digital y compresión de datos de audio incluyen la modulación diferencial por codificación de pulsos (DPCM) por C. Chapin Cutler en Bell Labs en 1950, ^{[ 2 ]} la codificación predictiva lineal (LPC) por Fumitada Itakura ( Universidad de Nagoya ) y Shuzo Saito ( Nippon Telegraph and Telephone ) en 1966, ^{[ 3 ]} la DPCM adaptativa (ADPCM) por P. Cummiskey, Nikil S. Jayant y James L. Flanagan en Bell Labs en 1973, ^{[ 4 ] [ 5 ]} la codificación de transformada discreta del coseno (DCT) por Nasir Ahmed , T. Natarajan y KR Rao en 1974, ^{[ 6 ]} y la codificación de transformada discreta del coseno modificada (MDCT) por JP Princen, AW Johnson y AB Bradley en la Universidad de Surrey en 1987. ^{[ 7 ]} LPC es la base del audio perceptivo La codificación MDCT se utiliza ampliamente en la codificación del habla , ^{[ 8 ]} mientras que la codificación MDCT se utiliza ampliamente en formatos de codificación de audio modernos como MP3 ^{[ 9 ]} y la codificación de audio avanzada (AAC). ^{[ 10 ]}

Una señal de audio analógica es una señal continua representada por un voltaje o corriente eléctrica, análoga a las ondas sonoras en el aire. El procesamiento de señales analógicas implica alterar físicamente la señal continua modificando el voltaje, la corriente o la carga mediante circuitos eléctricos .

Históricamente, antes de la generalización de la tecnología digital , la tecnología analógica era el único método para manipular una señal. Desde entonces, a medida que las computadoras y el software se han vuelto más potentes y accesibles, el procesamiento digital de señales se ha convertido en el método preferido. Sin embargo, en aplicaciones musicales, la tecnología analógica sigue siendo a menudo deseable, ya que suele producir respuestas no lineales difíciles de replicar con filtros digitales.

Una representación digital expresa la forma de onda de audio como una secuencia de símbolos, generalmente números binarios . Esto permite el procesamiento de señales mediante circuitos digitales como procesadores de señales digitales , microprocesadores y computadoras de propósito general. La mayoría de los sistemas de audio modernos utilizan un enfoque digital, ya que las técnicas de procesamiento de señales digitales son mucho más potentes y eficientes que el procesamiento de señales en el dominio analógico. ^{[ 11 ]}

Los métodos de procesamiento y las áreas de aplicación incluyen almacenamiento , compresión de datos , recuperación de información musical , procesamiento de voz , localización , detección acústica , transmisión , cancelación de ruido , identificación acústica , reconocimiento de sonido , síntesis y mejora (por ejemplo, ecualización , filtrado , compresión de nivel , eliminación o adición de eco y reverberación , etc.).

El procesamiento de señales de audio se utiliza en la transmisión de señales de audio para mejorar su fidelidad u optimizar el ancho de banda o la latencia. En este ámbito, el procesamiento de audio más importante tiene lugar justo antes del transmisor. El procesador de audio debe prevenir o minimizar la sobremodulación , compensar los transmisores no lineales (un problema potencial en la radiodifusión de onda media y onda corta ) y ajustar el volumen general al nivel deseado.

El control activo de ruido es una técnica diseñada para reducir el sonido no deseado. Al crear una señal idéntica al ruido no deseado pero con polaridad opuesta, ambas señales se cancelan debido a la interferencia destructiva .

La síntesis de audio es la generación electrónica de señales de audio. Un instrumento musical que realiza esta función se denomina sintetizador. Los sintetizadores pueden imitar sonidos o generar otros nuevos. La síntesis de audio también se utiliza para generar el habla humana mediante la síntesis de voz .

Los efectos de audio alteran el sonido de un instrumento musical u otra fuente de audio. Algunos efectos comunes incluyen la distorsión , que se usa a menudo con la guitarra eléctrica en el blues eléctrico y el rock ; efectos dinámicos como pedales de volumen y compresores , que afectan el volumen; filtros como pedales wah-wah y ecualizadores gráficos , que modifican los rangos de frecuencia; efectos de modulación , como chorus , flanger y phaser ; efectos de tono , como cambiadores de tono ; y efectos de tiempo, como reverberación y retardo , que crean sonidos con eco y emulan el sonido de diferentes espacios.

Los músicos, ingenieros de sonido y productores discográficos utilizan unidades de efectos durante las actuaciones en directo o en el estudio de grabación , normalmente con guitarra eléctrica, bajo, teclado electrónico o piano eléctrico . Si bien los efectos se utilizan con mayor frecuencia con instrumentos eléctricos o electrónicos , pueden aplicarse a cualquier fuente de audio, como instrumentos acústicos , batería y voces. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

La audición computarizada (AC) o escucha automática es el campo general de estudio de algoritmos y sistemas para la interpretación de audio por máquinas. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Dado que la noción de lo que significa que una máquina "escuche" es muy amplia y algo vaga, la audición computarizada intenta reunir varias disciplinas que originalmente se ocupaban de problemas específicos o tenían en mente una aplicación concreta. El ingeniero Paris Smaragdis , entrevistado en Technology Review , habla de estos sistemas: "software que utiliza el sonido para localizar personas que se mueven por habitaciones, monitorear maquinaria para detectar averías inminentes o activar cámaras de tráfico para registrar accidentes". ^{[ 16 ]}

Inspirada en modelos de audición humana , la CA aborda cuestiones de representación, transducción , agrupación, uso del conocimiento musical y semántica sonora general con el fin de realizar operaciones inteligentes sobre señales de audio y música mediante la computadora. Técnicamente, esto requiere una combinación de métodos de los campos del procesamiento de señales , el modelado auditivo , la percepción y cognición musical , el reconocimiento de patrones y el aprendizaje automático , así como métodos más tradicionales de inteligencia artificial para la representación del conocimiento musical. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

• Tarjeta de sonido
• Efecto de sonido

• Rocchesso, Davide (20 de marzo de 2003). Introducción al procesamiento de sonido (PDF) .
• Wilmering, Thomas; Moffat, David; Milo, Alessia; Sandler, Mark B. (2020). "Una historia de los efectos de audio" . Applied Sciences . 10 (3): 791. doi : 10.3390/app10030791 . hdl : 10026.1/15335 .