Arquitectura

MP3
SONIDO DIGITAL AL ALCANCE DE TODOS
David Rincón Rivera
drincon@mat.upc.es Departament de Matematica Aplicada i Telematica Universitat Politecnica de Catalunya (UPC)

INTRODUCCIÓN
El formato de compresión de sonido MPEG-l Layer 3 (también conocido como MP3) está adquiriendo una gran notoriedad, debido al revuelo que está provocando en el campo de la grabación y distribución de audiodigital. En los últimos meses se han producido repetidos intentos de las compañías discográficas para limitar sus posibilidades de grabación y reproducción, ya que Internet se ha convertido en una vía de distribución paralela a las habituales (y en muchas ocasiones, ilegal). En éste artÍCulo se va a describir el formato MP3 desde dos puntos de vista: el del técnico y el del usuario. Desde el punto devista técnico haremos hincapié en los algoritmos de compresión de sonido utilizados por el estándar, así como algunos comentarios sobre una de las aplicaciones más prometedoras de MP3, que es su transmisión a través de redes de conmutación de paquetes. La segunda parte del artículo estará dedicada a proporcionar información y herramientas para experimentar en nuestro ordenador la calidad de ésteestándar.

El sistema de audio digital más sencillo es el PCM (Pulse Code Modulation), que se limita a cuantificar de manera uniforme la señal muestreada. La cantidad de bits (n) empleados en la cuantificación determinan la relación señal a ruido (SNR, signal to noise ratio) del proceso de digitalización, de manera que cada bit adicional añade 6 dB [1]. SNRq (dB)

=constante + 6n dB

Vamos acomentar dos ejemplos de audio digital PCM: telefonía digital y el Compact Disc. En el primero, digitalizamos una señal de 3.1 Khz a un ritmo de 8000 muestras por segundo, con 8 bits/muestra (SNR» 50 dB), lo que genera una tasa de 64 Kbit/s. El CD muestrea una señal de alta fidelidad (20 Khz) a44100 muestras/segundo y 16 bits/muestra (SNR » 100 dB), en dos canales (stereo), generando una tasatotal de 1.4 Mbit/s. Como vemos, esta tasa es elevadísma, y requiere un gran ancho de banda para ser transmitida. Además, el PCM suele ser una codificación muy ineficiente, ya que cada muestra es muy parecida a la anterior, con lo que tenemos una redundancia muy alta. Por ello se diseñaron algoritmos de compresión basados en la predicción temporal de las muestras, como el DPCM o la modulación Delta,que se basan en la codificación de la diferencia entre la muestra real y la predicha por el sistema en base a las muestras anteriores. La predicción se hace a partir de unos coeficientes que pueden ser fijos o variables, de manera que se adapten a los cambios de la señal de entrada, haciendo que la señal reconstruida sea más fiel a la inicial (un ejemplo de estos sistemas es el ADPCM). Sin embargo,aunque estos sistemas explotan con éxito la eliminación de la redundancia, sólo son capaces de reducir la tasa en un factor de entre 2 y 4 (se considera que un ADPCM a 32 Kbit/s ofrece una calidad ligeramente superior al PCM de 64 Kbit/s [1]). Por ello se hizo patente la necesidad de crear nuevos esquemas de compresión que explotaran otro tipo de propiedades. Así en el campo de la telefoníaaparecieron los detectores de silencio, que eliminan la transmisión cuando la señal es tan baja que no va a ser captada por el oído humano, o los sistemas llamados vocoder, que intentan reproducir las características del tracto vocal humano (cuerdas vocales, boca, lengua ... ) para analizar y sintetizar digitalmente las for-

INTRODUCCIÓN AL AUDIO DIGITAL
Como ya sabemos, para digitalizar una señallo único que necesitamos es disponer de un convertidor analógico/digital (AID), que se compone de un módulo de muestreo y un codificador. El papel del primer bloque, también conocido como sample & hold, es discretizar la señal en el tiempo. Para asegurar una correcta reconstrucción de la señal, el teorema de Nyquist nos obliga a que la frecuencia de muestreo sea mayor o igual al doble del ancho...