Il viaggio di una nota tra convertitori analogici e digitali
Estendendo via via sempre più il range di formati rappresentabili attraverso “approssimazioni” digitali, ossia attraverso la codifica di eventi reali in sequenze binarie di 1 e 0,compatibili con il linguaggio-macchina dei computer al fine di renderli manipolabili dagli stessi, si è ovviamente arrivati anche al problema della rappresentazione del suono.
Prima di tutto è necessario comprendere la non facile ma necessaria conversione di un dato analogico in uno digitale.Quando si misura una grandezza, che sia essa una sequenza di sfumature di colore o un onda sonora, lo spettro delle sue variazioni è sempre una linea continua ed infinita di punti per cui tra due suoi punti sarà sempre possibile trovarne un terzo. Perché una grandezza sia trasmissibile e codificabile con un numero finito di bit è necessario, invece, far si che possa assumere solo un numero determinato di valori. Si approssima così un insieme continuo di punti infiniti ad un modello discreto e finito di valori; ciò avviene tramite la quantizzazione del segnale che permette quindi di associare una grandezza numerica ad ogni campione che è stato precedentemente scandito tramite un sistema di campionamento.
fonte: altervista.org
Il campionamento consiste nel “leggere” il valore del segnale ad istanti di tempo equispaziati.
La quantizzazione, invece, codifica i valori campionati assegnando ad ognuno di essi un valore discreto.
Questi due sono i passaggi base che effettua un ADC (convertitore analogico-digitale):
In primis il convertitore trasforma l'onda in entrata in un insieme di gradini. Questa trasformazione corrisponde a prendere, o più precisamente campionare, un solo valore dell'ampiezza del suono ad intervalli di tempo regolari. E' un procedimento simile a quello che effettua una cinepresa quando trasforma un’ immagine in movimento in una sequenza di fotografie. La grande differenza è che per ricostruire un filmato servono circa 45-55 immagini al secondo mentre per ricostruire un suono solitamente si usano più o meno 40.000 valori di ampiezza al secondo.
La quantità di valori di ampiezza che l'ADC preleva dal segnale analogico in un secondo è detta frequenza di Campionamento. Se la nostra scheda audio campiona ad una frequenza F, la massima frequenza che possiamo rappresentare in un suono sarà pari a F/2. Usando dunque come frequenza di campionamento 44100 Hz, come fa la maggior parte dei dispositivi, si prelevano dal suono 44100 valori di ampiezza al secondo e la massima frequenza che il suono potrà contenere sarà di 22000 Hz. Si può quindi affermare che tale frequenza di campionamento determina a che punto saranno tagliate le sfumature più acute del suono.
fonte: lucidalab.com
Il secondo passo si chiama quantizzazione e consiste invece nell’ identificare le altezze relative a ognuno di questi gradini con un numero binario, finalmente utilizzabile dal computer. Il numero corrispondente a ogni singolo gradino è chiamato campione sonoro.Quest’ultimo viene rappresentato, di solito, su 16 bit in modo tale da consentire ben 65536 intervalli possibili di ampiezza. Nel caso in cui si volessero utilizzare solo 8 bit per quantizzare il suono, i valori di ampiezza corrispondenti sarebbero "solo" 256, e questo implicherebbe un suono finale leggermente più distorto rispetto a quello a 16 bit.
Il computer, attraverso la conversione analogico-digitale è in grado di acquisire e memorizzare un suono codificandolo in una sequenza di numeri binari.Tuttavia è necessario un ulteriore passaggio che consenta di “ascoltare” tale successione, ovvero la sua conversione in un segnale analogico che verrà inviato ad un amplificatore e trasformato in onda sonora da un altoparlante.
Il componente che si occupa di questa trasformazione si chiama DAC, Convertitore Digitale Analogico, e rappresenta la porta di uscita del suono di un dispositivo digitale. Questo tipo di convertitore, detto di tipo ZOH (Zero-Order-Hold), lavora associando al codice binario di ogni intervallo di tempo il corrispettivo valore analogico, il quale viene mantenuto per tutto l’intervallo seguente di ampiezza t. Il segnale ottenuto è descritto da una funzione a scala che può essere “lisciata” applicando opportuni tipi di filtro.
fonte: elemania.org
fonte: ens.di.unimi.it
Un ultimo passaggio opzionale, ma spesso utile, è la compressione del file digitale. Infatti, l'apparato uditivo è strutturato in modo che le frequenze più forti presenti nello spettro del suono tendano a mascherare le frequenze vicine e cosicché queste ultime non vengano percepite e possono essere eliminate dal suono.
Attraverso la manipolazione dello spettro con appositi programmi è possibile eliminare le sequenze mascherate, ossia le armoniche che non verranno percepite, ottenendo un suono verosimile all'originale. Quest'ultimo tuttavia occuperà un numero di byte notevolmente inferiore. Si palesa la potenza di questo metodo se si considera la possibilità di eliminare fino al novanta per cento delle frequenze di un suono: un suono che in origine occupava 11 megabyte, dopo la compressione ne occupa solo uno e la perdita di qualità tra queste due rappresentazioni del suono è quasi indistinguibile.
Roberto Silvestro