Informática musical

¿Sabías que sólo uno de cada tres bits del CD es para audio?

    En este artículo...

Te contamos algunos detalles sobre los CDs para animar las charlas de los cafés de este verano y que os ganéis a conciencia el título de 'chiflados del audio'. ¿Sabías que dos terceras partes de un CD son inútiles? Bueno, inútiles no, pero desde luego dos de cada tres bits no son de audio. Eso permite, entre otras cosas, que podamos hacer una buena rayadura en un CD sin que se note al reproducirlo.

CDs
¿Sabes cómo limpiar correctamente un CD?

2/3 partes del CD no son audio

Las muestras en el CD se graban en paquetes o tramas (frames) de 6 muestras por cada canal (L y R). Son por tanto 6 muestras * 16 bit/muestra * 2 canales = 192 bits útiles los que lleva cada trama. El disco gira a una velocidad variable, más rápida en el centro, que es por donde se inicia la lectura, para asegurar una velocidad de lectura lineal constante: cada trama ocupa un segmento de aprox. 0,16 mm en la espiral que se registra en el disco. Los 192 bits van repartidos en dos bloques (eso tiene que ver con el CIRC del que hablamos un poco más adelante) de 96 bits y cada bloque lleva otros 32 bits de códigos de protección contra errores. Además encabezando cada trama hay un campo adicional de de 8 bits que se llama subcódigo y que es útil para llevar información que se pueda leer rápidamente cuando andamos saltando de canción en canción, para registrar la información de tiempo, y cosas parecidas.

Por si eso eran pocos añadidos, un pequeño patrón que tiene un formato imposible en los bits normales se usa para marcar el arranque de cada trama (sync). Es algo habitual en cualquier medio digital de transmisión o de almacenamiento: la necesidad de marcar el comienzo de cada paquete con un patrón atípico para facilitar la extracción de los mismos.

Trama en el CD-Audio
pablofcid

Con todo, todavía estamos lejos de los prometidos 2/3 de inutilidad. El mayor factor se debe a que este conjunto ampliado de bits se somete a un tipo de registro en el soporte que no graba directamente los unos y ceros. Los pits y lands, que es como se llaman las elevaciones y valles que hay por debajo del plástico del CD y que el láser puede leer, no son directamente esos bits. Existe una codificación que se llama modulación EFM (eight to fourteen) que convierte cada 8 bits en 17 (14 por la EFM más 3 de separación). Ese más que doblar la velocidad de bits es el mayor responsable de la 'ineficacia' del CD.

Pero no es porque sí: la ventaja es que los patrones de 17 bits elegidos para representar cada byte (cada grupo de 8 bits) son tales que ocupan menos ancho de banda final que los propios bytes originales. Es una de esas magias de lo digital: hay tantos patrones de 17 bits para elegir que permiten esa configuración peculiar, en la que la distancia entre los cambios de estado es mayor que en los bytes originales.

El campo ‘sync’ del que hablábamos antes lo que contiene es precisamente otro juego de 27 bits más a esa nueva velocidad y con un patrón imposible en los datos ordinarios (no es asimilable a los 256 patrones con los que se representan los bytes en la modulación EFM) y por tanto fácilmente identificable.

Volviendo a lo que nos ocupa, al final cada trama contiene 588 (27+(8+96+32+96+32)*17/8) bits para representar los 192 bits de audio, por lo que una muestra de 16 bits acaba ocupando 49 bits en el canal. La velocidad de datos en el muestreo original (1.41 millones de bits/seg.) se convierte así en 4.3218 millones sobre el soporte, aunque gracias a EFM ocupen menos ancho de banda que lo que implicarían los 1.41 millones de bits originales haciendo más sencillo el diseño de todo el sistema.

Así que, en cierta forma, dos terceras partes del CD no llevan información audio, sino otros acompañantes necesarios para que el audio pueda llegarnos bien a pesar de los errores y problemas que pueden presentar el soporte y los sistemas de lectura. Problemas grandísimos dado lo minúscula que es la forma de registrar la información: la espiral del CD en la que van los pits y lands es de sólo 0,5 micras.

Aún hay más

No he mencionado que el CD se emplea un CIC (Cross Interleave Code, código de entrelazado cruzado) llamado CIRC (con R por Reed-Solomon, el tipo de corrección de errores que implementa). Sin entrar en detalles eso corresponde a que las muestras que se registran en el soporte formando cada trama no son muestras contiguas del audio original. Usando 'buffers' (memoria) para poder realizar retardos, las muestras originalmente consecutivas se combinan y reubican a lo largo de más de 100 tramas. Es algo así como si las muestras, inicialmente bien ordenadas, se 'barajaran' en un desorden predeterminado y conocido antes de registrarlas.

El resultado combina en cada trama del disco bits seleccionados de una duración 100 veces mayor. El efecto de un rayajo local, al deshacer el barajado, acaba distribuido a lo largo de más de un centenar de esos grupos de 6 muestras, de forma que incluso la desaparición de una trama completa ocasionaría uno o dos bits afectados cada 6 muestras.

Se usan dos códigos de protección contra errores, por eso los dos bloques en la trama: uno detecta/protege frente a errores muy contiguos en el audio original, mientras el otro opera sobre grupos de muestras que distan entre sí más de 100 veces la duración de las tramas pero que están registradas de forma próxima en el soporte. Uno intenta detectar y corregir errores en la secuencia de bits que aparece en el soporte, y el otro en la secuencia final de muestras. De esa forma cualquier error que persista tras la etapa de corrección de errores sobre los bits tal como están en el soporte, se acaba distribuyendo hacia instantes distantes (dispersos esas 100 tramas) con lo que sólo actúa afectando a pocas muestras contiguas y el segundo código que protege grupos próximos de muestras puede a menudo corregirlo.

Cuando todo falla

Cuando los algoritmos de protección contra errores no pueden corregir por existir demasiados bits afectados, muchas veces sí pueden alertar de que hubo un error. Cuando el error irrecuperable afecta a muestras aisladas o grupos de muy pocas muestras, puede hacerse una interpolación de las muestras correctas próximas a la defectuosa para reemplazarlas.

Si el error dura varias muestras no es posible una nterpolación razonable, y entra en juego el silenciamiento (mute). Al observarse una condición de error mantenida, es preferible el silencio al ruido que produciría el error. Aprovechando el buffering, ese silenciamiento puede hacerse gradual hasta hacer la intensidad cero en el comienzo de las muestras erróneas, para luego recuperarla también gradualmente cuando se dispone de muestras buenas. Si el tiempo de 'mute' es corto (de 3 ms. o menos) puede no ser demasiado apreciable. Lo habréis escuchado más de una vez en algún CD, sobre todo si el reproductor es bueno. Los baratillos a veces nos regalan algún sonoro crujido indeseable.

Cuántos milímetros de ‘rayajo’ se pueden tolerar

En conjunto la tasa teórica de errores en el soporte CD (estipulada en torno a 1/100.000 o 1/1.000.000) pasa a ser, gracias al CIRC, de sólo 1/10.000.000.000 o 1/100.000.000.000. Es posible corregir hasta 3874 bits erróneos consecutivos (2.5 mm de pista), y cancelar por interpolación hasta 13282 (7.7mm).

Dicho lo cual… mejor no lo comprobéis con vuestro CD favorito. Tened en cuenta que además de vuestro rayajo están los múltiples fallos invisibles dentro del propio soporte del CD, que son de hecho la principal razón para tanta protección. Y la asociación de vuestro rayajo con algún fallo interno puede ser mortal.

Pablo Fernández-Cid
EL AUTOR

Pablo no puede callar cuando se habla de tecnologías audio/música. Doctor en teleco. Ha creado diversos dispositivos hard y soft y realizado programaciones para músicos y audiovisuales. Toca ocasionalmente en grupo por Madrid (teclados, claro).

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Comentarios
  • #1 por Kraken1 el 17/07/2017
    La pucha. O_o
  • #2 por insula el 17/07/2017
    :yuju:
  • #3 por Javier Bleda el 18/07/2017
    Tanto Reed Solomon tanto CRC y luego es el formato que mas falla.
  • #4 por Lauren el 18/07/2017
    Para mi el formato perfecto es el Mini-disc. Carcasa que lo protege de la manipulación, lo puedes borrar las veces que quieras y grabar de nuevo, ordenar, renombrar, trocear, las pistas, no se borran como creen algunos con un imán, ya que para interferir en las partículas magnéticas del disco se necesita calentarse a mas de 180 ºC y suena mil veces mejor que un mp3 e imperceptible a un CD si se ha echo la copia por fibra óptica.

    Tengo Cd´s de hace 20 años, que aun teniendo todas las precauciones del mundo, algunas pistas ya no suenan y cintas de cassette con más de 40 años a sus espaldas que suenan casi como el primer día.

    Para mi el CD es un formato extremadamente frágil y de longevidad muy limitada.
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  • #5 por robinette el 18/07/2017
    Alguien escribió:
    Para mi el CD es un formato extremadamente frágil y de longevidad muy limitada.

    Cierto. Y se sabía. Pero era necesario vendernos y fomentar el consumo. Cuantos de nosotros no habremos comprado en CD lo que ya teníamos en cinta o vinilo. :D

    En cuanto al minidisc vs CD... similar al ya famoso Beta vs VHS. Mejor formato pero menos rentable por los costes de fabricación.

    Vaya tiempos... :loco:
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  • #6 por Mister Carrington el 18/07/2017
    #4 El problema del Mini-Disc no era, evidentemente, el soporte que estaba bien protegido sino la maldita carrera de la compresión. En este caso se grababa utilizando el ATRAC (Adaptive Transform Acoustic Coding) desarrollado por Philips/Sony.

    ¡Ya se jorobó el WAV o AIFF!

    Excelente artículo en línea de los del profesor Cid.

    Y aconsejo, -si me lo permitís-, por aquello de la culturilla general echar un vistazo a las deliciosas biografías de los mencionados en el artículo Irving S. Reed y Gustave Solomon.
  • #7 por husak el 18/07/2017
    Gracias a diós que ha muerto este formato
  • #8 por Libertizer el 18/07/2017
    cada dia son mas los ordenadores no traen reproductores de CD ni DVD de serie... cada dia que pasa este formato cae en picao para el uso musical...

    supongo que se quedara en un formato minoritario como los disquetes, mientras el vinilo se posiciona como formato de lujo para las masas del coleccionismo y le disfrute musical.

    aun se fabrican discos floopy con sus lectoras por usb para ordenadores, tambien para sintes viejos y samplers... imagino que al cd le pasara eso, se quedara como un formato mas enfocado a la informatica para hacer backpus y cosas asi y no siendo usado tanto a lo musical. el CD no dejara de existir ya que vendra bien para soluciones informaticas, para salvar discos duros desde un sistema autoarrancable y cosas parecidas.
  • #9 por Lauren el 18/07/2017
    Tengo grabados el album de REM Out Of time que lo grabé con mi primer minidisc en 1993, hice una copia del CD original por fibra. Bueno, pues a día de hoy, la canción del CD original la 10 Country Feedback y a 11 Me In Honey no suenan, la primera con chispeos y se para y la segunda directamente el reproductor tanto de casa como del coche dice que no hay nada grabado, lo hice para descartar desgaste del laser tanto de un reproductor como de otro, otros CD´de la casa EMI originales, están borrados todos ni siquiera reproduce la primera canción. Sin embargo, la copia del mismo en un minidisc sony y a fecha de hoy, 1993-2017: 24 añitos... ahí esta... sonando desde la pista 1 a la 11 sin errores de ningún tipo.. y el cassette pues idem... copia realizada dos meses después del minidisc en cinta de cromo de la marca carrefour. Pues ahí esta, sonando como una condenada. Almacenados todos ellos sin humedad ni historias raras.

    Conclusión del CD: Nos han vendido reposa-vasos plateados para apoyar las bebidas o para espantar a los pájaros en los huertos, prometiéndonos que sería el sistema eterno e in-rayable de audio y almacenaje de datos. Según los estudios garantizan 50 años libre de errores y de conservación íntegra de los datos, pero la humedad y el oxígeno del aire son muy cabrónes y hace de las suyas en las capas de laca de los cd´s y termina por penetrar y oxidar la capa plateada aunque sea imperceptible. También influye el grabar a 2x de velocidad que a 16x de velocidad. A más velocidad menor grado de penetración del láser en la capa plateada y por lo tanto, menor tiempo de duración impresa la información y más propensa a tener errores la información.

    Para mí donde se ponga un vinilo o un sistema magnético secuencial como pueda ser una cinta de bobina o cassette o por último optando un sistema con TOC magneto-óptico protegido de la manipulación como pueda ser un minidisc, que se quite el CD.
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  • #10 por Mister Carrington el 18/07/2017
    #9 Son lo hechos y los has explicado estupendamente.

    De momento sólo sabemos que el soporte cinematográfico dura más de 100 años, y la piedra más de 1.000 No digo más.
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  • #11 por Ettore el 18/07/2017
    A que volvemos al magnetofón...
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  • #12 por carlosi104 el 18/07/2017
    Hola amigos.

    ¡Qué ensañamiento con el CD!

    El CD es un gran invento. Su robustez es extrema si no se manipula, la calidad del audio apenas es mejorable aumentando la resolución. Tengo una colección de cientos de discos comprados en los años 80 y 90, hace meses que poco a poco los estoy copiando en disco duro para reproducirlos con comodidad, y de los más de 100 que llevo pasados no ha fallado ni uno.

    En comparación, un disco duro suele fallar, cuando no quedar completamente inservible entre 2 y 5 años después de su compra.

    Y qué decir del Minidisc. Justo ayer puse uno en mi estantería como decoración prácticamente sin usar, con varios discos sin abrir. Mientras que el CD ha acercado la alta fidelidad a toda una generación, el Minidisc cumplía todas las condiciones para desaparecer al poco de nacer: Las grabadoras de CD ya estaban en el mercado, los discos tenían mucha menos capacidad real que los CD, el formato del audio era ultra secreto mientras que las patentes del mp3 estaban a la vista y era cuestión de software implementarlas en los reproductores de CD y encontrarlos en Internet, los DAT podían grabar sin pérdidas y Napster acechaba a la vuelta de la esquina.
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  • #13 por neutrok el 18/07/2017
    ¿entonces un CD tiene más de 700 mb de almacenaniento? ¿o toda esa información que no es audio está también incluida en la capacidad total?
  • #14 por pablofcid el 18/07/2017
    Todo ese extra es necesario para poder registrar la información, independientemente de que los bits útiles de la trama sean audio u otra cosa.
    Hay pequeñas diferencias entre cd-audio y cd-rom, pero esta cuestión de los códigos de protección, los campos adicionales para conformar la trama, y la modulación efm están presentes en los dos.
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  • #15 por Elkin Marenco el 19/07/2017
    #9 No se qué clase de CD's tengas pero todos los CD's originales que poseo están en excelente estado incluyendo el Future Schock de Herbie Hancock que es el CD más antiguo que tengo (1983)
  • #16 por larch el 19/07/2017
    Cuando haces una ralladura como sea un pelin grande el CD salta y ni deja escuchar, yo he tenido CD sin usar y se han estropeado solos.....desde mi punto de vista el CD es un mal invento
  • #17 por tmadani el 20/07/2017
    sigue existiendo el cd?
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  • #18 por < YOLO > el 20/07/2017
    Streaming

    Say no more.
  • #19 por Mister Carrington el 21/07/2017
    #18

    Claro, claro. Como que el territorio mundial está cubierto al 100% por Internet.

    Por favor, mira con atención las cifras de "penetración sobre la población". http://www.exitoexportador.com/stats.htm
  • #20 por robinette el 21/07/2017
    Alguien escribió:
    Por favor, mira con atención las cifras de "penetración sobre la población". http://www.exitoexportador.com/stats.htm

    Que puede que coincidan con el consumo de música. :D
    En las zonas rurales llega la TV (y no todas las cadenas), pero la venta de música en esas zonas... :?