Tema 2.2 Interfaces de Audio Digitales

INTERFACES DE AUDIO Interfaces Digitales Roberto Tejero Ujados Índice Audio Digital AES3 y AES/EBU AES10 MADI AES50 HRMAI Interfaces Digitales USB DAW y Drivers para Interfaces  Audio Digital AES3 y AES/EBU AES10 MADI AES50 HRMAI Interfaces Digital...

INTERFACES DE AUDIO Interfaces Digitales Roberto Tejero Ujados Índice Audio Digital AES3 y AES/EBU AES10 MADI AES50 HRMAI Interfaces Digitales USB DAW y Drivers para Interfaces  Audio Digital AES3 y AES/EBU AES10 MADI AES50 HRMAI Interfaces Digitales USB DAW y Drivers para Interfaces Introducción Analógico - Digital Mundo real → señales analógicas. Cantidad de información virtualmente infinita. El origen y el destino de una comunicación de audio siempre va a ser analógico: Origen: Sonidos naturales, voces, instrumentos, ruidos. Destino: Ser escuchado. El canal de transmisión para esta comunicación puede ser analógico, pero tiene inherentes varias desventajas: Más propenso a ruido. Almacenamiento más complejo, frágil y propenso a ruido. Audio Digital Representación digital del audio analógico. Utilización de conversores: Sistema discreto de información (valores finitos). ADC. Conversor Analógico a Digital. Codificación en niveles eléctricos. DAC. Conversor Digital a Analógico. Cada nivel de tensión codifica un valor discreto. Generalmente es un sistema binario (0, 1). Fuente: https://electroagenda.com/es/electronica-analogica-y-digital-comparativa-y-diferencias/ Analógico vs Digital Ventajas audio Analógico: Mundo real. Señal totalmente fiel con información infinita. Ausencia de distorsión (aliasing) y gran ancho de banda. Ventajas audio Digital: Transmisión y regeneración más sencilla. Almacenamiento más sencillo y acceso aleatorio al contenido. Equipos de transmisión, almacenamiento y reproducción más económicos y ligeros. Creación de copias fieles (exactas) sobre la señal original. Modificación y procesado sencillo de la señal (DAW). Digitalización Conversión Analógico a Digital (ADC): Los pasos para la conversión de Analógico a Digital son: 1. Filtrado paso bajo (anti-aliasing). Valores de tiempo Valores de amplitud 2. Muestreo. Analógica Infinitos Infinitos 3. Cuantificación. 4. Codificación. Digital Discretos Discretos Muestreo Transforma la señal continua en el tiempo en una secuencia discreta de valores. Muestreo: doble de frecuencia de la máxima de la señal (criterio Nyquist-Shannon) Fmuestreo >= 2 * Fmáxima Oído humano: 20 Hz – 20 kHz de respuesta en frecuencia. Muestreo: Audio de producción: 48 kHz o 96 kHz CD: 44.1 kHz El incremento de la frecuencia de muestreo aumenta la calidad, reduciendo el efecto de aliasing, pero también Fuente https://kinematech.wordpress.com/2013/11/10/cuantificacion-y-muestreo-audio/ incrementa la tasa binaria de la señal. Cuantificación A cada muestra se le asigna un valor numérico (discreto) en un rango determinado. El rango de valores = profundidad de bits: CD: 16 bits (65.536 valores) Audio profesional 24 bits (16.777.216 valores) Cuantificación uniforme y no uniforme. Permite dar una mayor precisión a determinados niveles de señal. Error de Cuantificación. Al realizar la cuantificación se va a producir una pérdida de información. Fuente: https://refractionproductions.com/que-es-frecuencia-de-muestreo-profundidad-resolucion-bits-audio/ Codificación Valor → código Asignación de códigos binarios a los valores cuantificados. 7 1111 6 1110 Se genera un flujo de datos digitales. 5 1101 4 1100 PCM (Modulación por código de Pulso). 3 1011 2 1010 Permite la transmisión y almacenamiento de la 1 1001 información. 0 1000 -1 0111 -2 0110 -3 0101 -4 0100 -5 0011 -6 0010 -7 0001 Fuente: https://musiki.org.ar/Muestreo -8 0000  Aliasing Cuando la señal sobrepasa la frecuencia de Nyquist se produce un plegado de la señal, produciéndose interferencias en la señal. Los filtros no son ideales, por lo que se pierde información. Incremento de la tasa binaria: 16 bit x 44,1 kHz = 705,6 Kbps (2 calanes) = 1,411 Mbps. 24 bit x 48 kHz = 1,152 Mbps. 24 bit x 96 kHz = 2,304 Mbps. Reconstrucción de la señal analógica DAC (Conversor Digital a Analógico) Decodificación: Interpretación de la secuencia de bits asignando valores numéricos. Generación de señal analógica: Reconstrucción de la señal analógica (voltaje o corriente) en función de los valores numéricos asignados. Filtrado de reconstrucción: Eliminación de distorsiones y ruido.  Audio Digital AES3 y AES/EBU AES10 MADI AES50 HRMAI Interfaces Digitales USB DAW y Drivers para Interfaces Interfaz AES3 Conocida también como AES/EBU. Interfaz para la transmisión de audio digital sin compresión PCM: Conector XLR de 3 pines; conexión balanceada 110 Ω trenzada. Conector BNC 75 Ω. Una conexión permite la transmisión de 2 canales: 1 par estéreo. 2 canales mono independientes. Protocolo de 24 bit y 48 kHz. Admite frecuencias de muestreo de 32 a 192 kHz. Permite distancias de 150 metros (300 metros con sincronización). El conector hembra es el que recibe la señal, mientras que el conector macho es el que transmite Pin Función 1 Masa (pantalla del cable) 2 Polaridad Positiva Audio Balanceado Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/AES3 3 Polaridad Negativa Audio Balanceado Interfaz AES3 Muy utilizado en audio profesional incluso en la actualidad. Interfaz virtualmente sin ruido ni interferencias. Obsoleto (por practicidad) debido al cableado y patches necesarios. Excesivamente costoso actualmente. Equipos con audio totalmente sincronizado. Fuente de sincronismo para otros equipos (incluso AoIP). Fuente: https://www.soundonsound.com/techniques/patchbays-modern-studio Utilización AES3 Utilizado en mesas de mezclas, convertidores, procesadores de efectos, previos de micro, reproductores de CD o multimedia, etc. Equipos profesionales actuales aún cuentan con entradas auxiliares AES3. Utilización actual o instalaciones modernas: Para backup de AoIP (junto con analógico) Integración de equipos antiguos en migraciones. Conexiones puntuales. Fuente: https://protocools.wordpress.com/tag/protocolos/  Interfaz AES3id y otros conectores AES3id utiliza cable coaxial (desbalanceado) a 75 Ω y conectores BNC. Mismos niveles que la señal de vídeo, para aprovechar instalaciones existentes (entornos de televisión con cableado coaxial). Permite distancias de hasta 1000 metros. Fuente: https://www.nti-audio.com/Portals/0/data/en/NTi- Audio-AppNote-AES3id.pdf Conertor Speak-ON: Conector multipolar, muy seguro y fiable. Generalmente empleado en audio analógico de alta potencia. Fuente: https://www.radiocolon.com/nl4fx.html Sincronización AES3 y AES11 AES3 porta la señal de sincro junto con el audio. Los equipos generalmente recogen el reloj de la entrada AES3 y sincronizan su reloj interno. Esto permite la sincronización entre distintos equipos sin necesidad de un reloj externo. En cables superiores a 150 metros se requieren dispositivos de resincronización. Los equipos cuentan con SRC (Conversión de frecuencia de muestreo) en sus entradas permitiendo conectar equipos que trabajan con diferente frecuencia de muestreo interna. AES11, denominado DARS (Digital Audio Reference Signal) utiliza señales AES3 para la distribución de reloj entre equipos. En este caso, se utiliza una señal AES3 únicamente para la sincronización, no para la transmisión de audio. Los equipos pueden tener una entrada de reloj (sincronismo) exclusiva para este fin. También pueden tener, entre las múltiples entradas AES3, una entrada con prioridad de sincronismo. Para generar el reloj maestro se puede emplear un equipo específico (Generador de reloj o reloj universal), también puede utilizarse como fuente de reloj un mezclador o matriz de vídeo en entornos de producción de televisión. Patch Panels Permiten la conexión de señales digitales y/o analógicas Son compatibles con audio balanceado y no balanceado Diferentes tipos de funcionalidad y conectres; Ghielmetti, Jack, etc Frontal Trasera Están asociados 4 conectores, A/B en frontal y A/B en trasera. Patch Panels Interfaz SPDIF Interfaz digital, generalmente a 44,1 o 48 kHz. Transmite dos canales de audio (1 estéreo) en PCM o 5.1/7.1 con compresión Dolby Digital o DTS. Reloj embebido en el protocolo, la sincronización se extrae de la señal. Permite distintos tipos de conexión: Eléctrica: cable coaxial, conector RCA o BNC. Óptica: conector TOSLINK o Mini-Optical. Fuente: https://www.soundonsound.com/sound-advice/q-why-are-spdif-cables-specified-75o Fuente: https://www.lindy.co.uk/spdif-connections-explained-i70 Fuente: https://ventiontech.com/es/blogs/descripcion-general-de-la-tecnologia/what-is-s-pdif Utilizada generalmente en equipos de consumo (televisores, equipos multimedia) también está muy extendida en equipos profesionales (reproductores, etc).  Audio Digital AES3 y AES/EBU AES10 MADI AES50 HRMAI Interfaces Digitales USB DAW y Drivers para Interfaces AES10 MADI Interfaz hasta 64 canales de audio sin compresión en un solo cable. Calidad broadcast 24 bit / 48 kHz, permitiendo 96 kHz o 192 kHz Muestreo a 48 kHz para 64 canales. Muestreo a 96 kHz para 32 canales. Muestreo a 192 kHz para 16 canales. Conexión mediante cable coaxial o fibra óptica. Muy extendida en producción profesional, pero se va sustituyendo por tecnologías AoIP. Fuente: https://www.acusmatica.net/protocolo-de-audio-madi/ Características de MADI Conexión punto a punto entre equipos (cable directo) a 100Mbps, generalmente bidireccional, con un tiempo de latencia muy bajo y constante. La información de audio por canal es idéntica a AES3. Incorpora la sincronización en la propia señal. La conexión por fibra óptica permite distancias de hasta decenas de kilómetros, además de aportar instalaciones más económicas y fáciles de mantener. MADI tiene un jitter elevado (fluctuaciones en frecuencia del reloj). El reloj de la señal MADI no está sincronizado con la frecuencia de muestreo del audio. Esto lo debe realizar el propio equipo, pero no está implícito en el protocolo. Sincronización Maestro – Esclavo, donde el escenario ideal es usar un reloj externo maestro (wordclock) que sincronice a todos los equipos con la señal de reloj del audio. Los equipos MADI también pueden pasar el reloj de uno a otro indicando prioridades en la configuración. Aplicaciones MADI Estudios de grabación. Conexión de mesas de mezclas, grabadores multipista, interfaces de audio, estaciones de trabajo y equipos de audio digital. Producción y emisión en emisoras de radio y televisión: Conexión de mesas de mezclas, stagebox, matrices de audio, matrices de vídeo, DAW, estudios remotos, etc. Eventos en vivo y salas de conciertos. Conexión de mesas de mezclas, interfaces de instrumentos, stagebox y equipos de sonido Instalaciones de sonido: Teatros, auditorios, salas de convenciones Fuente: https://www.rme-usa.com/es_madiface-xt.html  Uso de MADI Permite la interconexión de diferentes áreas. Generalmente es un sistema escalable gracias al número de canales y la modularidad de los equipos. Fuente: https://archiv.rme-audio.de/en/products/madi- setups/studio.php Sincronización de MADI Si un equipo MADI utiliza el reloj interno (o sincronizado externamente) y realizan la conversión o generación del audio digital, puede ser Maestro para transmitir el reloj a otros equipos MADI. En el caso de los interfaces, suele requerirse sincronización externa, al ser transmisores. En instalaciones críticas multiuso (audio - vídeo) se emplea una señal de wordclock para sincronizar todos los equipos. Fuente: https://digitalsoundandmusic.com/chapters/ch5/ Fibra Óptica en MADI MADI puede utilizar interfaces de fibra tanto monomodo como multimodo. En función del tipo de conector se logra una mayor distancia de conexión. La utilización de fibra óptica se compone de tres elementos: La fuente de luz, como un láser o un diodo LED. El medio de transmisión, el cual es una fibra óptica que puede transportar la luz de distintas formas, lo que influye en el comportamiento de la señal. El Receptor o sensor, encargado de captar la luz en destino. Además de los componentes ópticos como tal, es necesario un codificador y un transceptor, para la conversión de la señal eléctrica en óptica. De igual manera, se necesita en el destino un transceptor opto-eléctrico y un decodificador. En el caso de MADI, tiene el mismo fin que una comunicación eléctrica coaxial, el intercambio de información punto a punto. Fibra Óptica en MADI La fibra óptica se compone de: Multimodo SI Un núcleo, por donde se transmite la luz. Un revestimiento que protege al núcleo y ayuda a la reflexión de la luz. Una capa exterior. Multimodo GI Multimodo (MMF) La luz viaja por diferentes caminos por el núcleo, rebotando en el revestimiento (salto de índice) o curvándose al acercarse al mismo (gradiente de índice). Monomodo Coste reducido con distancia limitada sobre 500 metros. Monomodo (SMF) Un único haz de luz por el núcleo sin rebotes. Mayor costo con distancias de decenas de km.  Fibra Óptica en MADI Hay dos tipos de conectores muy extendidos: Conector SC (Square Connector): Válido para fibras monomodo y multimodo. Fuente: https://cablematic.com/es/productos/cable-de-fibra-optica- scupc-a-scapc-monomodo-duplex-9125-de-2-m-os2-FK013/ Pérdidas de 0,25 dB. Conector LC (Lucent Connector o Little Connector): Más seguro y compacto que SC. Permite una mayor densidad de puertos e integración en tarjetas más pequeñas, siendo compatible con monomodo y multimodo. Menores pérdidas que el conector SC (0,10 dB). Fuente: https://tienda.softcontrols.es/2684-cable-de-fibra-optica-monomodo-9- 125-os2-duplex-lszh-con-conectores-cortos-lc-sc-15-00-m-8716065322163.html Fuente: https://cablematic.com/es/productos/conector-de-fibra- optica-lcpc-monomodo-20-mm-simplex-FM021/ Fibra Óptica en MADI Módulos SFP (Small Form-factor Pluggable) El equipo puede tener integrados los transceptores ópticos (en sus placas) o pueden permitir la integración de un módulo transceptor externo a elección del usuario. Los equipos que permiten módulos SFP dejan libertad a utilizar distintos tipos de conector, tipo de fibra, rango de distancias, etc. Permite un sistema mucho más flexible para las instalaciones, además de robusto al poder sustituirse en transceptor en caso de fallo. Módulo SFP BIDI utilizando WDM (Wavelength Division Multiplexing) con fibra única, lo que permite la reducción de costes. Fuente: https://www.conceptronic.net/conceptronic_en/sfp-9321- 1-25gbps-single-mode-bidi-wdm-sfp-transceiver-20km-tx-1310nm- Fuente: https://www.trendnet.com/langpo/products/sfp-transceiver/sfp- rx-1550nm-551092 single-mode-lc-module-10km-TEG-MGBS10-v4  Audio Digital AES3 y AES/EBU AES10 MADI AES50 HRMAI Interfaces Digitales USB DAW y Drivers para Interfaces AES50 HRMAI Alta resolución de interconexión de audio multicanal (HRMAI) es un enlace bidireccional sobre cable Ethernet CAT5E usando tecnología Ethernet de capa física. Conexión punto a punto, permitiendo una arquitectura en anillo para la comunicación o arquitectura en estrella utilizando routers específicos AES50. Dispone de redundancia usando un segundo enlace. 100 metros de distancia máxima del enlace, requiriendo un router AES50 para la extensión. Inicialmente (SuperMAC) permitía el envío de 24 canales de 24 bit y 96 kHz o 48 canales a 48 kHz sin compresión a 100 Mbps. Existe una mejora (HyperMAC) que permite hasta 512 canales y 192 kHz en 24 bits sobre enlace de 1 Gbps. Como gran virtud, tiene una latencia extremadamente baja (62,5 μs). Solo usa Ethernet en capa física, por lo que no es compatible con redes TCP/IP con LAN, así como con la electrónica de red de las mismas (switches, routers, etc). Permite la sincronización distribuyendo el reloj de forma precisa y en fase. Cuenta con un enlace de datos para el control de los dispositivos. AES50 HRMAI Utilización en salas de conciertos, estudios de grabación, transmisiones en vivo y sistemas de sonido de teatro: Mezcladores digitales: El protocolo AES50 se utiliza para conectar mezcladores digitales de diferentes fabricantes y modelos para crear sistemas de mezcla de audio complejos. Sistemas de monitorización personal: El protocolo AES50 se utiliza para conectar sistemas de monitorización personal que permiten a los músicos controlar el volumen y la mezcla de sus propias señales de audio durante las actuaciones en vivo. Sistemas de distribución de audio: El protocolo AES50 se utiliza para distribuir señales de audio a través de grandes sistemas desde conciertos y festivales, estudios de grabación, televisión, radio, estudios de streaming, hasta aeropuertos o hipermercados. Grabación en estudio: El protocolo AES50 se utiliza para conectar interfaces de audio y grabadoras de diferentes fabricantes y modelos para crear sistemas de grabación de audio. AES50 ha sido cuidadosamente probado en numerosas grandes giras, eventos en vivo e instalaciones incluyendo: Led Zeppelin (O2 Arena), Metallica, AC/DC, Oasis, REM, The Verve, Aerosmith, Depeche Mode, OMD, Arctic Monkeys, Kings of Leon, Paul Weller, Manic Street Preachers, Etc.  Audio Digital AES3 y AES/EBU AES10 MADI AES50 HRMAI Interfaces Digitales USB DAW y Drivers para Interfaces  Interfaces Digitales De Audio Dispositivos para la conexión de instrumentos o señales analógicas: Instrumentos, micrófonos, auriculares, altavoces, etc. Permiten la conversión de analógico a digital y digital a analógico También convierten la conversión de un tipo de interfaz Digital a otro. Fabricantes como AEQ, Focusrite, RME, PreSonus, Avid, Motu, Universal Audio, etc. Fuente: https://www.profesionalreview.com/2022/11/24/interfaz- de-audio/ Interfaces Digitales De Audio Conexión con un PC o DAW (Estación de trabajo de audio) USB FireWire Thunderbolt Fuente: https://digitalsoundandmusic.com/5- 1-4-signal-path-in-an-audio-recording-system/ PCIe Óptica, S/PDIF AES3, MADI, AES50 Conversión a AoIP para la distribución por red Ethernet DANTE RAVENNA AES67 Livewire+, WheatNet SMPTE 2110 Fuente: https://www.ravenna-network.com/what-is-ravenna/  Audio Digital AES3 y AES/EBU AES10 MADI AES50 HRMAI Interfaces Digitales USB DAW y Drivers para Interfaces Universal Serial Bus Interfaz muy extendida. Permite la transmisión de vídeo, audio, datos y alimentación. Uso doméstico y profesional. Muy utilizada para interfaces a estaciones de trabajo DAW. Permite a los interfaces integrar datos y alimentación en un único cable. Interfaces USB desde 2 hasta 64 canales de audio o más. PC/MAC reconocen el dispositivo como una interfaz de audio (como una tarjeta de sonido). Fuente: https://www.profesionalreview.com/2021/04/25/usb-4/ Uso de Interfaces USB Fuente: https://www.guitarchalk.com/home-recording-studio-setup/ Fuente: https://cuplovemk.shop/product_details/18247998.html  Audio Digital AES3 y AES/EBU AES10 MADI AES50 HRMAI Interfaces Digitales USB DAW y Drivers para Interfaces DAW. Digital Audio Workstation Estación de trabajo digital mediante herramientas software. PC / MAC de alta capacidad. Algunos de los softwares más conocidos son: Avid Pro Tools (MacOs y Windows). Logic Pro X (MacOs). FL Studio (MacOs y Windows). PreSonus Studio One (MacOs y Windows). Audacity (MacOs y Windows) [gratuito]. Fuente: https://www.panoramaaudiovisual.com/2023/06/19/avid-mejora-interoperabilidad-pro-tools- media-composer/ Interfaces para PC/MAC Ya sean las aplicaciones DAW, interfaces USB/Thunderbolt u otros software de audio, requieren drivers para conectarse al ordenador/computadora. ASIO (Audio Stream Input Output). Compatible con macOS y Windows. Muy baja latencia de reproducción y grabación (diseñado específicamente para este fin). Soporte multicanal (64x64 o incluso más). Prioriza la eficiencia y permite un control total de los parámetros de audio. El interfaz de audio queda reservado. Para entornos profesionales. WDM (Windows Driver Model). Únicamente para Windows. Usado para aplicaciones generales, también válido para profesionales, con un rendimiento inferior a ASIO. Tiene una mayor latencia y permite que varias aplicaciones accedan al mismo dispositivo de audio. Interfaces para PC/MAC ASIO WDM Latencia Muy baja Mayor Rendimiento Óptimo para audio Bueno para uso general Control Gran control sobre los Menos control parámetros de audio Exclusividad Recurso exclusivo para la Recurso compartido con aplicación otras aplicaciones Sistemas operativos MAC y Windows Solo Windows soportados iOS utiliza su propio gestor de audio Core Audio, con muy baja latencia y gran calidad de audio. Es posible encontrar aplicaciones profesionales que se benefician de Core Audio para un excelente rendimiento. Android tampoco cuenta con ASIO, usando interfaces como Audio y OpenSL ES. Si bien el rendimiento ha mejorado considerablemente, suele ser inferior que ASIO o Core Audio.