Digitalizzazione Audio

Per lavorare con la moderna tecnologia digitale si deve convertire un segnale analogico (definito da una vibrazione meccanica o da una variazione di tensione di un circuito elettrico) in una sequenza di numeri; sequenza che per i dispositivi elettronici è più facilmente digeribile. Un computer (o qualsiasi altro dispositivo digitale non potrebbe mai registrare veramente un segnale tempo continuo perché avrebbe bisogno di una quantità infinita di memoria.
La conversione di un segnale analogico in digitale si dice digitalizzazione o campionatura.
In sostanza campionare un segnale analogico (quindi tempo continuo) di equazione y = f (t) significa creare un insieme di valori che riassumono il comportamento della funzione a determinati intervalli di tempo; minori saranno questi intervalli, maggiore sarà l’approssimazione.
Sarà quindi possibile descrivere un suono, o un intero brano musicale, per mezzo di semplici numeri binari. Poiché la logica del computer si basa esclusivamente sui numeri binari (detta appunto logica binaria) i dati sonori digitali sono elaborati dal calcolatore alla stregua di qualsiasi altra informazione come ad esempio un’immagine o un file di testo. Ed è stato proprio lo sviluppo contemporaneo dei computer e degli studi sui semiconduttori a rendere possibile la rapida evoluzione di questo tipo di tecnologia. La possibilità di lavorare così apertamente su segnali digitali permette di poter eseguire su di essi un ampio numero di operazioni di modifica.
Precedentemente si è visto come sia possibile convertire un segnale analogico in un segnale digitale. Per realizzare questo compito occorre però un dispositivo chiamato ADC, Analog Digital Converter (Convertitore Analogico Digitale). Al contrario per ascoltare il suono generato o riprodotto digitalmente da un calcolatore bisogna convertirlo in un segnale analogico. Il dispositivo utilizzato per questo scopo viene detto DAC, Digital Analog Converter (Convertitore Digitale Analogico). Questi due dispositivi possono essere integrati nel calcolatore stesso (più esattamente nella scheda audio) o essere dispositivi separati. Oggi ormai tutti i personal computer sono dotati, accanto ad una scheda video, di una scheda audio equipaggiata di convertitori A/D e D/A.
Ma che cosa significa più esattamente che in un CD audio il suono viene campionato a 44.100 hz? La forma d’onda audio, ossia il segnale elettrico corrispondente all’andamento della pressione sonora, viene trasformato in una sequenza di numeri, a loro volta codificati in bit. Queste stringhe di bit, riprodotte 44.100 volte al secondo riprodurranno il segnale sonoro originario.
La conversione A/D può essere scomposta in tre operazioni successive: il filtraggio, che elimina dal segnale di ingresso tutto ciò che non interessa nel processo di digitalizzazione, il campionamento, che serve a realizzare lo spezzettamento della scala temporale, e la quantizzazione, che corrisponde a classificare il valore analogico come appartenente ad una tra N possibili classi di valori predefiniti.
Il campionamento è una delle operazioni fondamentali del processo di digitalizzazione di un suono tanto che esso viene talvolta utilizzato per indicare l’intera operazione di conversione A/D, arrivando a chiamare segnali campionati in luogo di segnali digitalizzati o di campionatori in luogo di apparecchi per la digitalizzazione. Lo scopo del campionamento è quello di estrarre campioni da un segnale variabile, in corrispondenza di istanti di tempo successivi, operazione che può essere assimilata a fotografare ripetutamente il segnale nel suo sviluppo temporale (naturalmente più fotografie scattiamo più la forma d’onda digitale assomiglierà a quella analogica). Questa operazione corrisponde a spezzettare l’asse del tempo in piccoli segmenti tutti di eguale durata t. Come risultato si ottiene un altro segnale analogico dal caratteristico aspetto a gradini, ogni gradino corrisponde ad un campione.
I campioni vengono estratti dal segnale originale in istanti di tempo successivi distanti tra di loro della quantità t denominata periodo di campionamento. L’inverso del periodo di campionamento viene denominata frequenza di campionamento (espressa in Hertz). Quest’ultima, secondo il teorema di Shannon, deve essere almeno il doppio della frequenza del segnale sonoro da campionare.
L’operazione di quantizzazione consiste nel convertire un valore di tensione in un numero. Si tratta in pratica di stabilire, per ogni tensione di ingresso, quale sia il valore di uscita più vicino tra gli N disponibili, e memorizzare l’indice dell’intervallo nella memoria numerica che equipaggia il dispositivo. Con questa operazione viene approssimato il valore della frequenza in funzione della risoluzione. Se la risoluzione di un campionamento è di n bit significa che l’ampiezza del campione può assumere solo due elevato alla n valori interi. Se il valore del campione non rientra in questo intervallo viene, allora, approssimato.