Aliasing - Sobremuestreo (Oversamping)

El "aliasing" es un fenómeno que ocurre en la conversión analógico-digital de señales de audio. Cuando se digitaliza una señal de audio, se toman muestras de la señal en intervalos regulares de tiempo y se convierten en valores digitales. Si la frecuencia de la señal de audio es mayor que la frecuencia de muestreo del convertidor, pueden ocurrir errores en la conversión, y estos errores pueden resultar en una distorsión no deseada de la señal digital.

Alias ​​en el Producción musical ocurre cuando un Conversor analógico a digital (ADC) o un convertidor de digital a analógico (DAC) no pueden reproducir correctamente las altas frecuencias en los sistemas de audio digital. Esto puede provocar artefactos y distorsiones no deseadas en la señal de audio.

El alias se produce cuando una señal de audio se muestrea en frecuencias superiores a la frecuencia de Nyquist. La frecuencia de Nyquist es la mitad de la frecuencia de muestreo. Cuando una señal se muestrea a una frecuencia superior a la frecuencia de Nyquist, se crea una frecuencia con alias que no estaba presente en la señal original. Una frecuencia de alias de este tipo puede producir distorsiones y sonidos molestos.

Los artefactos de alias son distorsiones o patrones no deseados que pueden ocurrir al digitalizar una señal analógica, como una señal de audio. Especialmente cuando la frecuencia de muestreo es demasiado baja para reproducir la señal correctamente. Ocurren con mayor frecuencia al muestrear señales de alta frecuencia.

Un ejemplo bien conocido de aliasing es la aparición de distorsión no deseada cuando un convertidor analógico a digital (ADC) muestrea una señal de audio que contiene frecuencias superiores a la mitad de la frecuencia de muestreo (frecuencia de Nyquist). En este caso, las frecuencias por encima de la frecuencia de Nyquist no se capturan correctamente y, en cambio, se reproducen como frecuencias más bajas en la señal digital.

Para minimizar los artefactos de aliasing, debe utilizar una frecuencia de muestreo suficientemente alta y filtros antialiasing para garantizar que solo se muestreen las frecuencias dentro del rango de Nyquist. Esto es particularmente importante en la producción de música digital y la digitalización de señales de audio para garantizar una alta calidad de audio.

Un ejemplo cotidiano de aliasing ocurre en la grabación de video. Si alguna vez has visto un video en el que aparecen objetos en movimiento rápido y aparecen bordes o líneas diagonales que parecen temblar o moverse de manera extraña, es posible que estés viendo el efecto del aliasing. Esto ocurre porque el video está siendo grabado a una velocidad de fotogramas insuficiente, lo que hace que los bordes diagonales parezcan desvanecerse en la imagen.

En el caso de la conversión analógico-digital, el aliasing puede ocurrir cuando la señal de audio que se está digitalizando contiene frecuencias más altas que la frecuencia de muestreo del convertidor. Por ejemplo, si se está digitalizando una señal de audio que contiene frecuencias de hasta 20 kHz (la frecuencia máxima de audición humana), se debe utilizar una frecuencia de muestreo de al menos 40 kHz para evitar errores de aliasing.

Filtros

Un filtro de alias o filtro anti-aliasing es un filtro electrónico en el procesamiento de señales que minimiza o previene los artefactos de aliasing. Estos artefactos ocurren cuando una señal analógica no se muestrea adecuadamente y las frecuencias superiores a la mitad de la frecuencia de muestreo (frecuencia de Nyquist) no se capturan correctamente.

La tarea principal de un filtro de alias es garantizar que ninguna frecuencia por encima de la frecuencia de Nyquist entre en la señal digitalizada. Para hacer esto, el filtro atenúa o bloquea las frecuencias más altas antes de que se muestree la señal analógica. Esto evita que estas frecuencias aparezcan como artefactos de alias en la señal digital.

Los filtros de alias se pueden utilizar en diversos dispositivos y sistemas electrónicos, por ejemplo, en convertidores analógicos a digitales (ADC) de dispositivos de grabación de audio, en el procesamiento de imágenes en cámaras digitales y en muchas otras aplicaciones de procesamiento de señales. Son cruciales para garantizar una conversión de señal digital precisa y de alta calidad y minimizar artefactos no deseados.

El aliasing puede evitarse o minimizarse mediante el uso de técnicas de filtrado adecuadas. Por ejemplo, se puede utilizar un filtro de paso bajo para eliminar las frecuencias más altas de la señal de audio antes de la conversión, lo que reduce el riesgo de aliasing. También es importante utilizar una frecuencia de muestreo lo suficientemente alta para capturar con precisión las frecuencias más altas de la señal de audio sin error de aliasing.

Además de la grabación de audio, el aliasing también puede ser un problema en la síntesis de audio. Por ejemplo, cuando se crea una onda senoidal en un sintetizador digital, la frecuencia de muestreo del sintetizador puede determinar la calidad del sonido producido. Si la frecuencia de muestreo es demasiado baja, pueden producirse errores de aliasing en la forma de onda, lo que puede hacer que el sonido resultante sea más áspero o distorsionado.

En la producción musical, es importante tener en cuenta el aliasing al trabajar con plug-ins y efectos digitales. Al utilizar plug-ins de distorsión o de modulación, es posible que se generen frecuencias más altas de lo que el convertidor puede manejar, lo que puede producir errores de aliasing. Por lo tanto, es importante prestar atención a la frecuencia de muestreo al utilizar plug-ins y efectos en el proceso de producción musical.

De manera similar, en la grabación de audio, si una señal de audio contiene frecuencias muy altas y se graba con un muestreo insuficiente, la señal se verá "comprimida" y algunas frecuencias podrían ser interpretadas como otras, produciendo distorsión y aliasing en la señal grabada.

Por eso es importante asegurarse de que el equipo de grabación tenga una frecuencia de muestreo adecuada y filtros anti-aliasing para evitar que se produzca aliasing en las grabaciones de audio.

En conclusión, el aliasing es un fenómeno que ocurre en la conversión analógico-digital de señales de audio cuando la frecuencia de muestreo es insuficiente para capturar las frecuencias más altas de la señal de audio. Esto puede resultar en una distorsión no deseada de la señal digital. Para evitar el aliasing, es importante utilizar técnicas de filtrado adecuadas y una frecuencia de muestreo suficientemente alta al grabar, digitalizar o sintetizar señales de audio. En la producción musical, es importante tener en cuenta el aliasing al utilizar efectos digitales y plug-ins para garantizar una calidad de audio óptima.

Oversamplig (sobremuestreo)

En procesamiento de señal, el sobremuestreo es el proceso de muestreo de una señal a una frecuencia significativamente más alta que la frecuencia de Nyquist. Teóricamente, una señal de ancho de banda limitado puede reconstruirse perfectamente si se muestrea a la frecuencia de Nyquist o por encima de ella. La frecuencia de Nyquist se define como el doble del ancho de banda de la señal. 

El sobremuestreo es capaz de mejorar la resolución y la relación señal/ruido, y puede ser útil para evitar el aliasing (alias o solapamiento) y la distorsión de fase al reducir los requisitos de rendimiento del filtro anti-aliasing.

En procesamiento de señal, el sobremuestreo es el proceso de muestreo de una señal a una frecuencia significativamente más alta que la frecuencia de Nyquist. Teóricamente, una señal de ancho de banda limitado puede reconstruirse perfectamente si se muestrea a la frecuencia de Nyquist o por encima de ella. La frecuencia de Nyquist se define como el doble del ancho de banda de la señal. El sobremuestreo es capaz de mejorar la resolución y la relación señal/ruido, y puede ser útil para evitar el aliasing (alias o solapamiento) y la distorsión de fase al reducir los requisitos de rendimiento del filtro anti-aliasing.

Se dice que una señal está sobremuestreada por un factor de N si se muestrea a N veces la frecuencia de Nyquist.

El sobremuestreo puede facilitar la realización de filtros antialiasing analógicos.​ Sin sobremuestreo, es muy difícil implementar filtros con el corte preciso necesario para maximizar el uso del ancho de banda disponible sin exceder la frecuencia de Nyquist. Al aumentar el ancho de banda del sistema de muestreo, las restricciones de diseño para el filtro antialiasing pueden reducirse. Una vez muestreada, la señal puede filtrarse digitalmente y submuestrarse a la frecuencia deseada. En la tecnología moderna de circuitos integrados, el filtro digital asociado con esta disminución de muestreo es más fácil de implementar que un filtro analógico comparable requerido por un sistema sin sobremuestreo.