Cómo funciona tarjeta de sonido

Actualizado a: 19 de enero de 2024

Una tarjeta de sonido, sea externa, integrada o como tarjeta de expansión, es el componente encargado de procesar las señales de audio de un equipo. Si quieres saber cómo puede funcionar realmente este sistema y qué es el DSP, aquí te mostramos todo lo que deberías conocer al respecto.

¿Qué es una tarjeta de sonido?

La función principal de una tarjeta de sonido es procesar sonidos, comúnmente música, en diferentes formatos (mono, estéreo, varias configuraciones de altavoces) y con distintos niveles de control. La fuente puede ser un CD o DVD, un archivo de audio, una transmisión o cualquier dispositivo externo conectado a la entrada de la tarjeta de sonido. También es posible grabar el audio. Sin embargo, en ocasiones, el hardware y los controladores de la tarjeta de sonido no permiten la grabación de una fuente mientras se está reproduciendo.

Además, se puede utilizar una tarjeta de sonido en conjunto con software para generar formas de onda personalizadas, actuando como un generador de señales de audio, procesarlas mediante transformada de Fourier, distorsionarlas, atenuarlas, corregir fases, etc. Incluso existen programas que permiten utilizar una tarjeta de sonido como un osciloscopio de audio.

¿Sabías que el oído humano solo puede escuchar de entre los 20 Hz y los 20 Khz. Todas las frecuencias más bajas o altas que eso no se pueden oír, ya que son infrasonidos o ultrasonidos. Además, debes saber que a las frecuencias más bajas se les denomina graves, mientras a las más altas se les denomina agudos. Así mismo, la frecuencia media de la voz masculina es de 106 Hz y con un rango de 77 Hz a 482 Hz. Mientras que la voz femenina tiene una frecuencia media de 193 Hz, con un rango de 137 Hz a 634 Hz.

Tipos de tarjeta de sonido

Existen varios tipos de tarjetas de sonido, como los siguientes:

• Integrada: es aquella que viene incorporada en la placa base. Es la opción más básica y se encuentra en la mayoría de los ordenadores personales. Suelen ofrecer funcionalidades básicas de reproducción y grabación de sonido, pero pueden tener limitaciones en términos de calidad de audio y opciones de configuración.
• Dedicada PCI/PCIe: estas tarjetas de sonido se conectan a través de una ranura PCI o PCIe. Son una opción más potente y avanzada en términos de rendimiento y características de audio. Las tarjetas de sonido PCIe ofrecen una mayor calidad de sonido, mayor ancho de banda y una menor latencia en comparación con las tarjetas integradas o las USB. Son especialmente populares entre los entusiastas del audio y los profesionales de la música y el sonido.
• Externa USB: estas tarjetas de sonido se conectan a través de un puerto USB de la computadora. Son una opción popular para aquellos que necesitan una mejora en la calidad de audio o desean opciones de entrada/salida más avanzadas. Las tarjetas de sonido USB son portátiles y fáciles de usar, ya que se pueden conectar y desconectar fácilmente. Suelen ofrecer una calidad de sonido superior a las tarjetas integradas y pueden admitir múltiples canales de audio.

Estos son solo algunos tipos esenciales, puede haber otras con otras interfaces, o se pueden catalogar según sean para uso básico, profesional, etc.

¿Sabías que existe un código de color estándar para los puertos de las tarjetas de sonido? Pues sí, tenemos el rosa para la entrada de micrófono, el celeste para la entrada de audio analógico line level, color verde para la salida de audio analógico para altavoces/auriculares, la naranja para line level de salida, negro para la salida de audio analógico para Surround, plateado/gris para la salida Surround de canales opcionales, una especial marrón para salida especial, dorada para el puerto de juego/MIDI con salida 15-pin D. El resto de conectores son todos minijacks 3.5mm.

Estándares de sonido

Seguramente habrás visto algunas características en tu tarjeta de sonido como Roland, Sound Blaster, AC97, etc. Pues bien, esto no solo es parte del modelo, sino que está indicando el estándar del sonido empleado:

Un poco de historia

Hasta 1988, las tarjetas de sonido compatibles con IBM PC eran muy raras. Para la mayoría de los usuarios, el único medio de reproducción de sonido y música era el altavoz interno de la PC, el speaker que emite los pitidos durante el arranque… El hardware se limitaba principalmente a la emisión de ondas cuadradas. El resultado era un sonido descrito como «pitidos y chirridos», lo que llevó al apodo común de «beeper».

Algunas empresas, como Access Software, desarrollaron técnicas para reproducir sonido digital a través de los altavoces de la PC, como el RealSound. Sin embargo, el sonido resultante tenía mucha distorsión, un volumen bajo y generalmente requería detener otros procesos mientras se reproducían los sonidos.

Otros equipos de los años 80s, como la Commodore 64, contaban con soporte de hardware para la reproducción de sonido digital o síntesis de música, lo que dejaba a la PC de IBM en desventaja en términos de capacidades multimedia.

Las primeras tarjetas de sonido para la plataforma IBM PC no se diseñaron específicamente para juegos o aplicaciones multimedia, sino para usos de audio específicos, como la composición musical con el AdLib Personal Music System, IBM Music Feature Card y Creative Music System, o la síntesis de voz con Digispeech DS201, Covox Speech Thing, Street Electronics Echo, entre otras.

En 1988, un grupo de ejecutivos de compañías de videojuegos afirmaron que estas limitaciones de sonido en el PC estaban evitando que se convirtiera en una plataforma gaming. Pedían que se necesitaba una tarjeta de sonido con mejor capacidad. Y así fue como nacieron las primeras tarjetas de sonido para PC, con la progresión que hemos tenido hasta la actualidad.

Algunos fabricantes destacados fueron AdLib, que fue de los primeros en crear una tarjeta de sonido para IBM PC con chip de sonido Yamaha YM3812 (OPL2), también llegaría Creative Labs con sus C/MS o Creative Music Systems, y más tarde con sus Sound Blaster, que marcarían una era gloriosa para la compañía. Otros fabricantes conocidos fueron Roland con su MT-32 y LAPC-I, Realtek, etc.

Hay que decir que cuando Creative presentó la Sound Blaster, comenzó a integrar el puerto de juegos para el joystick, además de la capacidad de audi. Estos pasos los siguieron otros muchos para tarjetas externas e integradas.

Alguna de estas tarjetas de sonido comenzaron a soportar varios estándares de sonido, como AdLib, Sund Blaster, Covox, etc.

Sobre principios del año 2000, el estándar de audio AC’97 se hizo muy popular, sustituyendo a Sound Blaster, y casi transformándose en un estándar de bajo coste para muchas placas base con tarjeta de sonido integrada, como las de Realtek.

Por supuesto, el hardware de las tarjetas de sonido también fue evolucionando, desde las primeras ISA, hasta las PCI, pasando por las actuales PCIe, etc., como hemos visto en el apartado de los tipos existentes. Por supuesto, también fueron agregando funcionalidad Plug-and-Play (P&P), soporte IRQ y DMA, síntesis MIDI, más canales de audio (por ejemplo, hasta 8 para las 7.1), y cada vez tenían mejoras de calidad de sonido.

Cómo funciona una tarjeta de sonido

A nivel de hardware, el funcionamiento se basa en lo siguiente:

• Para más información acerca de cómo funciona desde el lado del software, puedes leer este artículo sobre cómo funcionan los drivers

Señal: Analógico vs. Digital

Existe una diferencia fundamental entre los sonidos y los datos informáticos. Los sonidos son de naturaleza analógica, ya que están compuestos por ondas que se propagan a través de un medio material. Cuando estas ondas hacen vibrar los tímpanos de las personas, estas perciben el sonido. Por otro lado, las computadoras se comunican de forma digital, utilizando pulsos eléctricos que representan los valores binarios 0 y 1. Al igual que una tarjeta gráfica, una tarjeta de sonido actúa como un traductor entre la información digital de la computadora y la información analógica del mundo exterior.

El sonido se genera a través de la propagación de ondas en un medio físico, como el aire o el agua.

Una tarjeta de sonido básica es una placa de circuito impreso que utiliza cuatro componentes para realizar la conversión entre la información analógica y digital:

• Conversor de analógico a digital (ADC).
• Conversor de digital a analógico (DAC).
• Una interfaz para conectar la tarjeta a la placa base.
• Conexiones de entrada y salida para altavoces, micrófono, etc.

Como puedes comprobar, una tarjeta de sonido, al igual que ocurría con la tarjeta gráfica, es casi un ordenador en sí misma, con una serie de componentes de procesamiento, así como una interfaz de E/S.

Por otro lado, hay que decir que en lugar de tener chips separados para las conversiones,, con un ADC y DAC, las tarjetas de sonido actuales suelen tener un chip combinado.

Algunas tarjetas de sonido usan un chip codificador/decodificador, también llamado CODEC , que realiza ambas funciones.

Evidentemente, las tarjetas de sonido más potentes y modernas suelen incluir otros elementos para potenciar sus capacidades, pero estos son los básicos…

Conversores: ADC y DAC

Imagina utilizar tu equipo para realizar una grabación de tu voz. En primer lugar, hablas a través de un micrófono que está conectado a tu tarjeta de sonido. El convertidor analógico a digital (ADC) se encarga de traducir las ondas analógicas de tu voz, captadas a través de la membrana del micrófono y convertida en una onda eléctrica, en datos digitales que el PC puede comprender. Para lograr esto, el ADC muestrea o digitaliza el sonido, tomando medidas precisas de la onda en intervalos regulares.

La frecuencia de muestreo, medida en kHz, indica la cantidad de mediciones por segundo. Cuanto más alta sea la frecuencia de muestreo de una tarjeta de sonido, más precisa será la reproducción de la onda.

Si deseas reproducir la grabación a través de los altavoces, el convertidor digital a analógico (DAC) realizará los mismos pasos, pero en sentido inverso. Gracias a mediciones precisas y una frecuencia de muestreo rápida, la señal analógica restaurada puede ser casi idéntica a la onda de sonido original.

Sin embargo, incluso con frecuencias de muestreo altas, existe una cierta pérdida de calidad de sonido. Además, el proceso físico de transmitir el sonido a través de cables puede causar distorsión. Los fabricantes utilizan dos medidas para describir esta reducción en la calidad del sonido:

• Distorsión armónica total (THD), expresada como porcentaje.
• Relación señal/ruido (SNR), medida en decibelios.

Tanto para el Distorsión Armónica Total (THD, por sus siglas en inglés) como para la Relación Señal-Ruido (SNR, por sus siglas en inglés), valores más bajos indican una mejor calidad. Algunas tarjetas de sonido también ofrecen soporte para entrada digital, lo que permite a las personas almacenar grabaciones en formato digital sin necesidad de convertirlas a formato analógico.

Existen diversos métodos que los ordenadores y las tarjetas de sonido pueden utilizar para generar sonidos. Uno de ellos es la síntesis de modulación de frecuencia (FM), donde la computadora combina múltiples ondas sonoras para crear formas de onda más complejas. Otro método es la síntesis de tabla de ondas, que utiliza muestras de instrumentos reales para reproducir sonidos musicales. La síntesis de tabla de ondas a menudo utiliza múltiples muestras del mismo instrumento, tocadas en diferentes tonos, para lograr una reproducción más realista. En general, la síntesis de tabla de ondas produce reproducciones de sonido más precisas que la síntesis FM. Y también está el PWM o modulación por ancho de pulsos, etc., todo esto lo vimos en los estándares que vimos anteriormente…

DSP (Digital Signal Processor)

Además de los componentes básicos necesarios para el procesamiento de sonido, muchas tarjetas de sonido incluyen hardware adicional o conexiones de entrada/salida, que incluyen el denominado DSP.

Digital Signal Processor (DSP), al igual que una unidad de procesamiento de gráficos (GPU), un DSP es un microprocesador especializado que se encarga de realizar cálculos para la conversión analógica y digital. Su función es aliviar la carga de trabajo de la CPU de la computadora. Los DSP pueden procesar múltiples sonidos o canales de forma simultánea. En el caso de las tarjetas de sonido que no cuentan con su propio DSP, la CPU se encarga de realizar el procesamiento.

El funcionamiento básico de un DSP implica los siguientes pasos:

• Muestreo: la señal analógica de entrada se convierte en una señal digital mediante un convertidor analógico a digital (ADC). La señal analógica se muestrea y se toman muestras en intervalos regulares para representarla en forma digital.
• Procesamiento: el DSP realiza operaciones matemáticas y algoritmos en las muestras digitales. Estas operaciones pueden incluir filtrado, ecualización, compresión, descompresión, modulación, demodulación, entre otras. El DSP utiliza su capacidad de cálculo para realizar estas operaciones de manera eficiente y en tiempo real.
• Salida: después de procesar la señal, el DSP envía los datos resultantes a un convertidor digital a analógico (DAC). El DAC convierte los datos digitales nuevamente en una señal analógica, que puede ser transmitida a través de altavoces, auriculares u otros dispositivos de salida de audio.

La ventaja de un DSP radica en su capacidad para realizar cálculos complejos en tiempo real, lo que lo hace especialmente adecuado para aplicaciones de procesamiento de señales, como el procesamiento de audio, video, telecomunicaciones y procesamiento de imágenes. Su arquitectura optimizada y su conjunto de instrucciones especializadas permiten un rendimiento eficiente y una mayor capacidad de procesamiento en comparación con los microprocesadores generales utilizados en las CPU convencionales.

Algunas de las operaciones matemáticas comunes realizadas por un DSP incluyen:

• Operaciones aritméticas: suma, resta, multiplicación y división de números digitales para realizar cálculos matemáticos básicos en las señales.
• Filtrado: aplicación de filtros digitales, como filtros pasa bajas, pasa altas o pasa banda, para eliminar o realzar ciertas frecuencias en la señal.
• Transformadas: aplicación de transformadas matemáticas, como la Transformada de Fourier (FFT) o la Transformada de Coseno Discreta (DCT), para analizar y representar la señal en el dominio de la frecuencia.
• Modulación y demodulación: procesamiento de señales moduladas, como la modulación en frecuencia (FM) o la modulación de amplitud (AM), para transmitir y recibir información en diferentes frecuencias.
• Compresión y descompresión: utilización de algoritmos de compresión de datos, como MP3 o AAC, para reducir el tamaño de los archivos de audio sin una pérdida significativa de calidad, y la descompresión para restaurar los datos originales.

Estas son solo algunas de las operaciones matemáticas comunes que los DSP pueden realizar. Su versatilidad y potencia de procesamiento les permiten ejecutar una amplia variedad de algoritmos y técnicas para el procesamiento y análisis de señales digitales en tiempo real.

Otros componentes

Además de lo anterior, también existen otros componentes esenciales para una tarjeta de sonido, que como dije es casi un ordenador en sí mismo:

• Memoria: al igual que una tarjeta gráfica, una tarjeta de sonido puede utilizar su propia memoria para agilizar el procesamiento de datos.
• Conexiones de entrada y salida: La mayoría de las tarjetas de sonido cuentan, como mínimo, con conexiones para micrófono y altavoces. Algunas tarjetas incluyen tantas conexiones de entrada y salida que requieren una caja de conexiones adicional. Esta caja de conexiones suele instalarse en una de las bahías de unidades del equipo.
• Más: también podría haber otros componentes adicionales como chips para acelerar la codificación y decodificación de distintos codecs de audio, etc.

Recuerda que para que todo esto funcione adecuadamente, junto con el kernel del sistema operativo para gestionar los recursos de audio, se necesita un controlador o driver de sonido, y también firmware para esta tarjeta de sonido.

Hay que decir, que los PCs actuales aún siguen conservando el speaker en el interior para emitir beeps cuando la tarjeta de sonido no está activa aún, por ejemplo para emitir beeps de error durante el arranque y el P.O.S.T. del BIOS/UEFI.

APIs de sonido

Una API de audio (Application Programming Interface) es un conjunto de funciones y protocolos que permiten a los desarrolladores de software interactuar y controlar el audio en una aplicación o sistema. Estas APIs proporcionan una capa de abstracción que facilita la manipulación de funciones relacionadas con el sonido, como la reproducción, grabación, mezcla, efectos y procesamiento de audio.

Una API de audio puede ofrecer diversas funcionalidades, como reproducir y controlar archivos de audio, gestionar dispositivos de entrada y salida de sonido, aplicar efectos de sonido en tiempo real, ajustar el volumen, establecer la latencia del audio y mucho más. También puede incluir soporte para diferentes formatos de audio, como MP3, WAV o MIDI.

Las API de audio son utilizadas por los desarrolladores para crear aplicaciones multimedia, reproductores de música, editores de sonido, sistemas de grabación, software de videojuegos y cualquier otro programa que requiera manipulación y control del sonido. Estas APIs permiten una interacción más eficiente y coherente con el hardware y los controladores de audio subyacentes, proporcionando una capa de abstracción uniforme y simplificando el desarrollo de aplicaciones de audio.

Es decir, en este sentido, tenemos que la tarjeta de sonido es similar a la tarjeta gráfica, que también tenía sus APIs gráficas, como DirectX 3D, Vulkan, OpenGL, etc. En este caso tenemos otras, como son Direct Sound de Microsoft para Windows, OpenAL, MacronFX, QSo, etc.