| Artículos | 01 MAY 2002

Cómo funcionan las tarjetas de sonido

Tags: Histórico
Los secretos del hardware de audio del PC
Félix Torán.
En esta nueva entrega presentamos las tarjetas de sonido, el centro de procesamiento de información audible del PC. Mostraremos su estructura, su funcionamiento y las características más importantes.

En la anterior entrega tratamos un componente relacionado con la salida del PC: la tarjeta de vídeo. Dicho componente funcionaba como un coprocesador especializado en vídeo, que ayudaba a la CPU en la tarea de ofrecer información visible. En esta entrega enfocaremos otro tipo de información de salida: la audible. Desde sus comienzos hasta la actualidad, el PC ha podido generar sonidos de baja calidad mediante su altavoz interno. Sin embargo, no es posible escuchar sonido de alta calidad (por ejemplo, temas musicales con calidad de CD) utilizando el altavoz interno. En ese caso es necesario añadir hardware adicional dedicado a la información de audio. Dicho hardware se conoce comúnmente como tarjeta de sonido y, hoy en día, es un elemento clave en cualquier PC (Figura 1). Hay que remarcar que las tarjetas de sonido no suelen ser elementos dedicados exclusivamente a la salida de información. También son capaces de capturar información audible desde el exterior del PC, ya sea mediante un micrófono o cualquier otra fuente de audio. En línea con lo que ocurría con las tarjetas de vídeo, la tarjeta de sonido debe considerarse como un coprocesador dedicado a trabajar con información de audio, liberando a la CPU de dicha carga.
Como ya hemos introducido, las tarjetas de sonido se han convertido en un componente imprescindible en cualquier PC. De hecho, algunos PC se fabrican con el hardware de audio integrado en la placa base (algo que también ocurre con las tarjetas de vídeo). El usuario actual del PC reproduce con frecuencia música en diversos formatos, disfruta de películas en formato DVD (que, por supuesto, incluyen sonido de alta calidad), captura sonido del exterior del PC, asigna sonidos a los eventos lanzados por Windows, etc. Todas estas tareas, y muchas más, serían imposibles sin el uso de la tarjeta de sonido.

Funciones básicas
La mayoría de tarjetas de sonido implementan cuatro funciones básicas: reproducción, captura, síntesis y procesamiento de sonido.
En primer lugar, la tarjeta debe ser capaz de reproducir audio, ya sea desde lectores de CD o DVD, o desde ficheros almacenados en el disco duro, usando formatos estándares como WAV, MP3 y MIDI.
Además, la tarjeta debe ser capaz de realizar el proceso inverso, es decir, almacenar audio procedente de una fuente externa. Esto incluye capturar sonidos mediante un micrófono, o introducir sonido desde cualquier otra fuente (instrumentos musicales, reproductores de cintas, etc.). La información queda almacenada, generalmente, en el disco duro del PC en forma de ficheros.
La tercera función básica se centra en la síntesis de audio, o lo que es lo mismo, la creación de sonido. Nótese que las dos funciones anteriores se centran -básicamente- en una pura conversión de información entre los mundos analógico (exterior del PC) y digital (interior del PC). La síntesis de audio exige capacidad de procesamiento a la tarjeta.
Finalmente, otra importante función es el procesamiento de sonidos existentes (generalmente almacenados en el disco duro como archivos). De nuevo, la tarjeta de sonido aplica su capacidad de procesamiento, ahorrando todo ese trabajo a la CPU.
Si estas funciones fueran realizadas por la CPU, el rendimiento del sistema se vería afectado negativamente. En la anterior entrega apreciábamos la elevada cantidad de información que implica el procesamiento de datos de vídeo. En el caso del sonido, el volumen de información es menor, pero no deja de ser elevado, y por tanto el papel que desempeña la tarjeta es crucial.
En el ámbito práctico, las funcionalidades antes comentadas hacen posibles tareas como escuchar un CD-audio mientras se trabaja con el PC, escuchar el audio que acompaña a páginas web, reproducir temas musicales en formato MP3, escuchar los sonidos que acompañan a secuencias de vídeo para PC, disfrutar del chat con voz, crear música con el PC, escuchar los efectos sonoros que acompañan a los juegos, conectar instrumentos musicales al PC, etc.
Es conveniente citar que las tarjetas de sonido se dividen en dos tipos: half duplex y full duplex. Las tarjetas full duplex son capaces de producir (operación de salida) y capturar (operación de entrada) señales de audio de forma simultánea. En cambio, las tarjetas half duplex sólo pueden realizar una de estas operaciones cada vez. Muchas aplicaciones exigen una tarjeta full duplex para su correcto funcionamiento (por ejemplo, aplicaciones de videoconferencia y algunos juegos). Resulta sencillo comprobar esta característica desde Windows. Tan sólo es necesario abrir dos instancias de la grabadora de sonidos. En una de ellas se inicia la reproducción de un fichero de audio, mientras que en la otra se inicia la grabación de sonido. Si el proceso de grabación se puede realizar con éxito, se deduce que la tarjeta de sonido es full duplex.

Componentes fundamentales
El “corazón” de cualquier tarjeta de sonido está formado por tres subsistemas (ver Figura 2): el convertidor analógico/digital (CAD), el procesador digital de señales (DSP, Digital Signal Processor) y el convertidor digital/analógico (CDA).
El CAD actúa como interfaz con el mundo exterior del PC para la entrada de audio. En el exterior del PC, el sonido se encuentra en forma de ondas de presión (variaciones de presión en el espacio y en el tiempo). Gracias a un transductor primario, que suele ser un micrófono, dichas ondas de presión se convierten en señales eléctricas (variaciones de tensión en el tiempo). El CAD es capaz de tomar muestras de tensión sobre dichas señales, y asignar valores digitales (números binarios) a cada muestra. Con ello, se consigue una representación del sonido en formato digital que, ahora sí, puede ser tratado por un procesador. El uso de un micrófono no es imprescindible, ya que cualquier fuente de audio como un reproductor de cintas o un receptor de radio entrega el sonido -directamente- en forma de señales eléctricas.
El CDA realiza el proceso inverso, implementando la interfaz entre el PC y el mundo exterior para la salida de audio. El CDA toma una secuencia de datos digitales, y transforma dichos datos en niveles de tensión, creando una señal eléctrica analógica. Empleando después un transductor (típicamente unos altavoces o cascos), las señales eléctricas se convierten en ondas de presión, audibles por el ser humano.
Entre el CAD y el CDA se encuentra el DSP, que dota a la tarjeta de capacidad de procesamiento. El DSP es un procesador especializado en el tratamiento de señales digitales, para lo cual es necesaria una elevada capacidad de cálculo, que no es posible obtener mediante procesadores convencionales. Sus características son similares a las de un procesador de propósito general pero, en cambio, su arquitectura es diferente (típicamente Hardvard). Además, la organización de la memoria es también diferente. La principal diferencia se centra en la unidad aritmética, que ofrece procesamiento paralelo e incluye unidades especializadas (multiplicadores, etc.). El resultado general es una velocidad de trabajo de 2 a 3 veces mayor (los DSP son capaces de realizar millones de operaciones en coma flotante cada segundo). En conclusión, el DSP de la tar

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