Son unas siglas de presencia ineludible en las hojas técnicas, catálogo, textos web de prácticamente cualquier dispositivo de audio, ya sea estereofónico o multicanal, que tenga una mínima relación con la tecnología digital. Porque el Procesado Digital de Señal, más conocido su por acrónimo en inglés DSP (“Digital Signal Processing”), es el responsable de las que podríamos llamar “funciones inteligentes” de productos tan dispares como los reproductores portátiles de Astell&Kern, la calibración de salas de Anthem, electrónicas integradas de A/V (sin DSP el Dolby Atmos, por ejemplo, no sería posible) o la totalidad de las realizaciones de Devialet, sin dejar de lado los auriculares intraurales “True Wireless” o los subwoofers activos de más alto nivel rubricados por marcas como REL Acoustics o Wilson Audio. Por su propia naturaleza, el DSP también está presente en otros muchos ámbitos de la electrónica de consumo, caso del vídeo, la informática o los smartphones.
Mucho más que potencia de cálculo pura y dura
Lo primero que hay que saber del DSP es que, como su nombre sugiere, es el tratamiento de señales por medios digitales. Los orígenes del procesado de señal se sitúan en la ingeniería eléctrica, siendo la forma de onda tratada una de tipo eléctrico transportada por un cable o una línea telefónica o una onda de radio. Recordemos que una señal es un flujo de información que representa cualquier cosa, desde una grabación musical hasta datos procedentes de un satélite en una ubicación remota. Por su parte, el término digital procede de “dígito”, consistiendo una señal digital en una corriente o flujo de números que, por regla general, aunque no obligatoriamente, se expresan en forma binaria, léase con unos y ceros “lógicos”. Por lo tanto, una señal digital es “manipulada” mediante cálculos numéricos.
En sus orígenes, el DSP se ejecutada vía válvulas de vacío con los primeros ordenadores que vieron la luz, y hasta hace medio siglo la única manera de efectuar operaciones sencillas relacionadas con aplicaciones de audio vía DSP era mediante circuitos integrados individuales, normalmente situados en los aparatos en cuestión (puertas lógicas, sumadores, multiplexores, etc.). En aquel entonces, los programas requeridos por el DSP para cumplir su misión se llevaban a cabo cableando a mano las configuraciones necesarias, puesto que no se disponía de software tal y como lo conocemos en la actualidad. En consecuencia, el más mínimo cambio implicaba modificar el hardware. Además, la implementación de una función DSP exigía conocer en profundidad cada uno de los circuitos integrados empleados o la estructura de sincronismos de los mismos (los llamados cronogramas).
En realidad, el diseñador tenía que inventar lo que se suponía que el circuito tenía que hacer desde una perspectiva cien por cien hardware. En la actualidad, los cálculos asociados al DSP son habitualmente ejecutados por un único “chip” dedicado, pudiendo un procesador de audio recurrir a uno o varios dependiendo de la cantidad y la clase de tratamiento requerido. Por ello, un “chip” DSP de hoy en día es, de hecho, un ordenador altamente complejo, exclusivo y de alta velocidad, capaz de efectuar un elevado número de millones de operaciones con cada muestra de audio.
Ideas clave para comprender el DSP
Tendemos a usar el término DSP de modo genérico, asociándolo a un sistema completo, incluyéndose en el mismo los convertidores A/D y D/A y la electrónica que hay entre ambos. Para ser más correctos, en DSP hace referencia al elemento y/o “chip” encargado de gestionar flujos numéricos. Veamos a continuación algunos de los términos y definiciones clave relacionados con esta técnica:
*Audio digital: Puede definirse como el uso de técnicas de muestreo y cuantificación para almacenar o transmitir información de audio con ceros y unos lógicos. O como el uso de números para representar contenidos de audio.
*Digitalización: Conversión de información de audio en un flujo binario.
*Señal digital: Un contenido cuantificado (limitado a un bloque de valores específico) en palabras digitales en puntos discretos del tiempo. La precisión de un valor digital depende del número de bits empleados para representarlo.
A menudo se habla de “Digital Audio Processor”, es decir, Procesador Digital de Audio o sus siglas DAP para referirnos a los convertidores A/D, convertidores D/A, sistemas de entrada/salida analógicos asociados, otras interfaces de entrada/salida asociadas (Ethernet, etc.), fuentes de alimentación y componentes varios necesarios para que se comporten como un todo. Así como la combinación de los elementos citados para obtener una herramienta que pueda trabajar con números a muy alta velocidad, a la que se suministran datos de audio y los proporciona modificados. Un aspecto fundamental a considerar es que la reproducción de audio tiene lugar en tiempo real y debido a ello no es posible esperar a que, tal y como sucede en otras tecnologías digitales, el procesador propiamente dicho o el usuario intervenga. Al fin y al cabo, es evidente que no se puede detener el concierto que estamos escuchando mientras esperamos que se cierre su “manipulación”. Este es el motivo por el que los DAP necesitan “chips” específicos muy potentes (“chips” DSP) para ejecutar cálculos complejos.
Una tecnología continuamente depurada que aporta beneficios espectaculares
En la práctica, el Procesado Digital de Señal puede ser limitado por la cantidad de datos o el tratamiento realizado dentro de las disponibilidades temporales del algoritmo que lo gobierna. Así, un “chip” DSP que maneje contenidos de audio (música, una banda sonora) muestreados a 192 kHz dispone de menos tiempo para manipularlos (ejecución del monto de tareas implicadas incluida) que trabajando con una frecuencia de muestro de 48 kHz. Puesto que la cantidad de tiempo requerido para ejecutar un determinado algoritmo es finita, la gestión del tiempo es, insistimos en ello, una parte fundamental del diseño de software para DSP. Al respecto, bien está saber que una de las definiciones de algoritmo más respetadas en el ámbito del audio reza así: “Un conjunto estructurado de instrucciones y operaciones concebido para efectuar una tarea de tratamiento de señal.”
Dicho con otras palabras, se trata de emular la actividad de un sistema, en nuestro caso de audio, de manera natural, o sea manejar datos de manera continua en tiempo real, pero con la precisión y la flexibilidad que caracterizan a lo digital. En términos de ejecución, el DSP se basa en filtros (digitales), aunque explicarlo al detalle no figura entre los objetivos del presente Blog, ya que hay tecnología farragosa de por medio. Esto no nos impide comentar brevemente cómo trabaja un filtro digital básico y por qué logra mejorar a su equivalente analógico. De entrada, hay que tener muy claro que ambos filtros son diferentes, tanto en su aspecto físico como en su manera de trabajar. Así, un filtro analógico está constituido por elementos tales como resistencias, condensadores y amplificadores operacionales para producir el filtrado requerido.
Por el contrario, un filtro digital cuenta con un procesador digital para llevar a cabo cálculos numéricos con valores muestreados de la señal, pudiendo ser un ordenador genérico, léase un PC, o un “chip” DSP especializado. Los filtros digitales ofrecen varias ventajas con respecto a sus homólogos analógicos, siendo la primera de ellas que son programables, ergo que es posible cambiar su memoria fácilmente sin afectar al hardware. Asimismo, los filtros digitales tienen la ventaja de poder ser diseñados, evaluados e implementados fácilmente en un ordenador común o una estación de trabajo, pudiendo algunos de ellos adaptarse a cambios en las características de la señal (de ahí el nombre de “adaptativos”).
Un universo de aplicaciones
Del DSP hay que subrayar igualmente que su condición “numérica” le libera de la influencia, por lo general negativa, de parámetros como la temperatura de los partes que constituyen su homólogo, que lo hay, analógico.
Lo cierto es que en la actualidad el Procesado Digital de Señal permite, gracias a la potencia del hardware disponible y a la presencia de algoritmos a medida cada vez más refinados, hacer prácticamente de todo en el campo del audio, desde adaptar la respuesta de una configuración de cajas acústicas a la sala donde está instalado hasta “integrar” unos cascos intraaurales en el canal auditivo del usuario y, por supuesto, hacer que el sonido envolvente multidimensional o 3D puedan simple y llanamente existir.
