Margen dinámico: saturación y ruido de fondo en analógico y digital

Los niveles de entrada en saturación y de ruido de fondo son especificaciones esenciales de cualquier equipo. Tan esencial como es reflexionar sobre las profundas diferencias al respecto entre analógico y digital, de las que hablamos en este tutorial. Se trata de uno de los ejemplos más claros de las diferencias a la hora de enfocar el uso de sistemas audio digitales o analógicos. Diferencias que hay que conocer y saber atender para no flaquear o no aprovechar bien el potencial de cada uno de esos dos mundos. Porque a día de hoy es imposible desentenderse de ninguno de ambos.

Tras lo que reflexionemos y aprendamos en esta entrega, otra posterior profundizará en cómo optimizar la interconexión de sistemas audio, más allá de la simple concordancia de niveles 'nominales' (+4dBu o -10dBV también descritos en su propio tutorial).

Niveles y márgenes en analógico y digital, parecidos y diferencias

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El rango útil de los sistemas

En cualquier sistema las señales que presentan sus entradas y salidas no pueden ser arbitrariamente grandes ni pequeñas en cuanto a su nivel. Hay unos umbrales o límites (superior e inferior) asociados a la zona de ‘normal’ funcionamiento.

Por la parte alta el límite está asociado a aquel nivel suficientemente elevado en la señal como para que se provoque distorsión. Por la parte inferior la cota la marcan todo un amplio juego de contribuciones no deseadas que contaminan a la señal a su paso por el sistema y que solemos resumir bajo el concepto de ‘ruido de fondo’ (aunque desde un punto de vista de rigor teórico no siempre correspondan al concepto estricto de un ruido). Esos son los límites de ‘normal’ funcionamiento en cuanto al nivel de las señales que condicionan un uso eficaz de los equipos y por tanto deben observarse en todo momento.

La distancia entre uno y otro nivel nos habla del máximo recorrido dinámico que podemos tolerar en las señales para que haya un tratamiento fidedigno de ellas en el sistema. Los detalles o momentos de nivel inferior al umbral bajo quedan enterrados en el ruido, los superiores al umbral alto quedan desfigurados por la distorsión.

El límite superior

El límite superior habla de que no se llegue a entrar en una zona de respuesta que entre en saturación y que dispare por tanto la distorsión. Como la saturación siempre se inicia por los ‘picos’ de la señal, que se achatan cuando el sistema ya no puede con más, el nivel ‘de pico’ (la tensión más alta de la señal) es lo que más nos interesa caracterizar para asegurarnos ese comportamiento ‘benigno’.

Es así especialmente en el caso de sistemas digitales porque en ellos una vez rebasado su fondo de escala se entra necesariamente en un recorte grave de la señal (el temido ‘clipping’) y es esencial garantizar que ningún pico rebase el fondo de escala previsto, aunque sea por un brevísimo lapso de tiempo. En digital hay ese máximo bien definido: el que corresponde al valor de la muestra más alta, que define la tensión ‘a fondo de escala’, y que de hecho a dado lugar a la definición de la medida dBFS (dB full-scale, o dB respecto a fondo de escala). De hecho, siendo exquisitos, conviene tener en cuenta que la señal de la que nos habla una representación digital puede contener algún valor ‘intermuestras’ más alto que ese fondo de escala (aunque eso es otra guerra que puedes revisar en nuestro tutorial sobre ‘true peak’).

En los sistemas analógicos la aparición de la distorsión es progresiva (codos saturantes suaves en los extremos de la zona de respuesta lineal de los circuitos) y puede ser más benigna y tolerable, pero en todo caso debe acotarse y eso implica también la necesidad de establecer alguna forma de límite superior al nivel.

Pico o RMS

Se trata por tanto de un codo ‘estricto’ en el caso digital y más ‘laxo’ en analógico,que da lugar a un tratamiento diferente.

Por eso, y aunque son siempre (tanto en analógico como en digital) los picos de la señal los que antes y más se distorsionan, sólo en digital es habitual pensar y medir en términos de pico (picómetro) y usar referencias ‘rígidas’. La referencia es el 'fondo de escala' y no deben sobrepasarse los 0dBFS (o mejor, los 0dBTP –true peak-). La preferencia por la medida 'pico' en digital surge de la absoluta necesidad de no superarlo para no caer en 'clipping'.

Sin embargo, el mundo analógico usa típicamente referencias de nivel RMS (root mean square) que ‘promedian’ el comportamiento de la señal durante un tiempo (pensad en el clásico vúmetro) y por tanto son medidas que no informan sobre los picos. Para compensar se dejan márgenes bastante amplios de confianza (‘headroom margin’) como holgura entre el nivel de referencia ‘0’ del vúmetro y la aparición de saturación significativa que se produce en realidad unos cuántos dBs más allá. El estandar sobre vúmetros exige que la marca 0 VU se alcance con una señal senoidal de 1kHz y nivel +4dBu. En la práctica muchos equipos no pro pueden incorporar medidores que no son propiamente 'VU-meters' sino realmente 'dB-meters', en tanto que su nivel '0' se corresponde con el que quiera que sea su nivel de referencia propio (por ejemplo los -10dBV). Pero quedémonos por comodidad con la denominación '0 VU' y sus +4dBu. El nivel ‘0 VU’ no es el nivel de entrada en saturación en estos sistemas analógicos. 0 VU no tiene un sentido equiparable a ningún ‘fondo de escala’ ni límite. Esa holgura y la presencia sólo ocasional de los picos permiten tener la confianza de que no habrá grave impacto sobre la señal, sabiendo además que aquellos picos que saturen lo harán de forma progresiva y no tan evidente ni dañina como el ‘clipping’.

No es extraño que un equipo +4dBu esté capacitado para operar sin entrar en distorsión severa con picos de hasta +24dBu, lo que implica que por encima del nivel 0 VU hay todavía una holgura de 20 dB. Esa amplísima holgura es la que permite que, pese a estar tomando referencias en RMS podamos estar algo más tranquilos sobre los picos. Recordad que 20dB son un factor 100 en potencia, y por tanto un factor 10 en amplitud: si mantenemos el vúmetro si rebasar los 0VU, los picos tendrían que ser 10 veces superiores a la tensión RMS para ser gravemente dañados. No imposible, pero sí poco frecuente.

Diferente naturaleza del límite superior analógico o digital

Esto evidencia ya unas diferencias significativas en el límite por arriba: la posibilidad de ser muy precisos en el terreno de lo digital pero acompañada de la gravedad de extralimitarse (menos mal que podemos evitar esa gravedad de consecuencias gracias a la fiabilidad y precisión tanto del objetivo como de las medidas), frente a una definición de límites mucho más borrosa en analógico y que puede valer pese a ser menos precisa por la ventaja de que su propio carácter ‘suave’ al saturar ayudará a disimular aquellos momentos en que algún pico se escape a pesar de las diferentes prevenciones adoptadas.

La forma de esquivar los problemas es completamente distinta: precisión, rigor y exigencia de observancia en lo digital, y un enfoque mucho más difuso e impreciso en lo analógico pero que finalmente funciona.

Aún así mi recomendación es en lo posible no basarnos sólo en medidas RMS y atender a también los niveles pico. No olvidemos que los vúmetros no cuentan toda la verdad que interesa. Aunque sólo fuera por ir sentando una cultura de 'cuidado con los picos' que es esencial en el uso de sistemas digitales. El colchón que da lo analógico es demasiado cómodo y veo preferible acostumbrarse a la mentalidad/rigor que exige lo digital cuanto antes. La magia analógica funciona, pero mejor ser conscientes de su presencia, para no quedarnos vendidos sin saber qué hacer cuando no esté presente.

El límite inferior

Una forma cómoda de cumplir el límite por arriba sería no intentar forzarlo, quedarnos cómodamente muchos dB por debajo, pero sabemos que no es tan simple porque no podemos olvidar que hay el otro límite, el inferior: el nivel de ruido de fondo, que actúa como un pedestal fijo por debajo del cual ya no tenemos una señal limpia sino principalmente ruido. Recorta por la parte inferior el margen dinámico del que disponemos. Así, todos los dB que queramos darnos de ‘colchón’ en la parte alta los sufriremos como pérdida de calidad mirando en la parte baja del recorrido dinámico, y por tanto hay que intentar trabajar en lo posible a los niveles máximos admisibles. Sólo así ampliamos todo lo posible la separación con ese ruido permanente que está ahí como indeseado pero inevitable compañero.

El ruido de fondo en analógico vendrá dado por la calidad de la electrónica empleada, pero no sólo por ella. También en buena medida por la complejidad del circuito, o para mejor decir, por la simplicidad del circuito: circuitos más simples implican menos componentes y por tanto menos ruido (cada componente añade su gotita al conjunto). No es extraño que muchos sistemas analógicos de alto nivel sean tan sencillos funcionalmente.

Salvo por contribuciones concretas como pueda ser un residuo del zumbido de red mal filtrado y que se cuele por la alimentación u otras vías, el ruido de fondo analógico es decarácter aleatorio y desvinculado de la propia señal. Algo que sólo podemos caracterizar de forma estadística, resumida en el nivel de ruido de fondo y quizá su color (si es ruido blanco, rosa, etc.). La presencia y nivel del ruido de fondo no dependen de la señal y están acompañando de forma persistente. Es una señal desconocida en su detalle pero bien precisada en su definición estadística, en su impacto, que además sucede igual sea cual sea la señal tratada.

Frente a esas características, en digital la limitación ‘por debajo’ está vinculada al llamado ‘ruido de cuantización’. Un valor estricto y bien conocido que se sitúa en los conocidos -96 dB para codificación con 16 bits o -144 dB para codificación con 24 bits en ambos casos referidos a lo que sería el nivel a fondo de escala. Pero no es tan simple: no es realmente un ruido.

16 y 24 bits y la ficción de los 96 y 144 dB

Al codificar con un determinado número de bits estamos transformando la señal, no añadiéndole ningún ruido (término que se reserva para cuando se trata de un añadido no relacionado con la propia señal). Como resultado esos valores teóricos de 96 y 144 exceden un poco de la realidad que percibimos. Es cierto que ese es el nivel de la señal diferencia entre las muestras sin cuantizar y tras la cuantización, pero como en realidad se trata de una distorsión (una versión ‘en escalera’ de la señal) y no de un puro ruido(un añadido no relacionado con el contenido de la señal) su percepción es muy diferente y llega a ser más notable que un ruido, al menos en momentos de poca intensidad de la señal. De hecho esa es la razón de ser del ‘dithering’: añadir a propósito ruido para disimular la presencia de esa distorsión, porque es perceptualmente más grato.

Así que, en cierta medida el aparente codo ‘rígido’ por abajo en la representación cuantizada (esos -96 o -144 dB) realmente es un poco menos estricto: dependiendo del tipo de señal, puede variar la ‘molestia’ sentida por culpa de la cuantización y ser algo más alto que lo que correspondería un ruido blanco de -96 o -144 dBFS. Sinceramente,24 bits hace ridículo plantearse estas finuras (más allá de 120dB de margen creo que tiene poco sentido hablar de ninguna cosa, ya todo es excelencia), pero con 16 bits sí es cierto que reduciría un poco esa demasiado alegre estimación de los ‘96’. Dejémoslo en que es una cota: será imposible sacar más de 96dB de margen, pero en la práctica hemos de pensar en que el margen útil es algo más reducido. El cuánto más depende de las características de la señal y por tanto no se puede definir a priori. Es un codo por tanto no tan definido como aparenta.

En 16 bit (no digamos ya en codificaciones de menor resolución) el resultado que apreciaremos con una mayoría de señales audio/habla/música será que para no maltratar los picos el nivel RMS quedará notablemente por debajo del 0dBFS y la sensación del ruido que tendremos será algo mayor de lo que prometían esos felices 96dB, para colmo siendo distorsión será más molesta que el puro ruido. Especialmente se notará en la medida en la que por fin se vaya apagando la guerra del volumen que ha llevado a sobrecomprimir todo tipo de músicas y vayamos recuperando el gusto por disfrutar un poco más de los detalles y contrastes.

Insisto: no son -96dB de ruido, lo son de distorsión. Pensad que si el nivel de la señal en un determinado pasaje es la cuarta parte del que correspondería al fondo de escala, estamos desaprovechando 2 bits y usando sólo 14, quedando temporalmente el nivel de esa distorsión de cuantización a -84dB respecto a los picos de la señal, lo que según el tipo de señal puede implicar tranquilamente unos -70 respecto a su valor RMS. Sumad que no es ruido sino una perceptualmente más impactante distorsión, y vais imaginando el panorama. No es grave, pero sí más limitado de lo que esperábamos.

Afortunadamente el uso de 24 bits, ya hoy muy estandarizado durante las etapas de grabación y producción, supone en la práctica que el ruido de cuantización casi siempre va a estar muy por debajo del ruido que van a tener ya presente las señales, porque incluso con electrónica de excelente calidad es bastante complicado obtener más allá de 120dB de ‘limpieza’ en analógico (y estoy siendo generoso, muchos sistemas audio no llegan a esa cifra). Desde ese punto de vista, y salvo que estemos grabando con niveles pico unos 20dB por debajo del fondo de escala, codificar con 24 bits en la práctica no va a introducir más ruido del que ya traen las señales. Es decir, no las van a empobrecer, la cuantización no las va a degradar en ninguna forma apreciable.

En el paso final a formatos de 16 bits sí que se necesita un mimo especial para acercarnos a la cota de los 96 dB, casi siempre vigilando y recortando picos con algún tipo de compresión/limitación, y tal vez haciendo uso de 'dithering', lo que se decidirá en función de los resultados y escuchando si es preferible un ligero incremento de ruido frente a la escucha de la distorsión a bajos niveles.

Diferencias en el límite inferior analógico o digital

Hablando de los momentos débiles de la señal nos encontramos por tanto con una situación en parte invertida respecto a la que planteábamos con el límite superior.

Es el límite inferior analógico el que sí nos ofrece una referencia ‘fija’ aunque probabilística (su nivel de ruido de fondo) y que es realmente independiente de la señal. Mientras, el mundo digital cuenta con un límite que tiene una valoración global fácil (los 96 o 144 dB) pero cuyo impacto real es variable. Dependerá de la señal por tratarse realmente de una distorsión, y será mayor cuando mayor sea el valor de cresta (diferencia entre valor pico y valor RMS) tenga la señal. Pero compensando esta cuestión de la sensibilidad a la señal en las sensaciones que por la parte baja del margen dinámico ofrece lo digital, está el hecho de que si bien puede llegar ser apreciable en 16bit, en 24 será mucho menos importante dado que dominarán típicamente los cuellos de botella que ya estén imponiendo otras partes analógicas del sistema.

De la filosofía a la práctica

Sacaremos provecho a este debate de hoy en una entrega posterior enfocada a ofrecer reflexiones, consejos e información sobre cómo conectar equipos audio de forma óptima. Algo que como veremos allí, no se resuelve sólo atendiendo a la etiqueta +4dBu o -10dBV que acompañe a entradas y salidas, hay más cosas que tener en cuenta.

Artículo de Pablo F.Cid publicado en www.hispasonic.com

https://www.hispasonic.com/tutoriales/margen-dinamico-saturacion-ruido-fondo-analogico-digital/43058