Il segnale digitale

[Dragonball (POL)]

Il suono digitale

Sono moltissime le attività didattiche che si concretizzano attraverso l'ascolto. In classe si lavora spesso sul suono e sulla musica, sul rumore e sul silenzio, sulla voce e sulla parola. In tutti questi contesti il computer può essere di grande aiuto. Ma per prima cosa cerchiamo di capire la differenza tra il suono analogico e quello digitale.

In questo articolo cercheremo di gettare le basi delle conoscenze relative al suono digitale.
Molti insegnanti nelle loro attività didattiche quotidiane utilizzano già le macchine analogiche per la registrazione o la riproduzione del suono, come il registratore, la radio, il videoregistratore. Ad esempio, la scelta delle musiche da inserire come sottofondo in uno spettacolo teatrale: usando un riproduttore di audiocassette con un lettore e un registratore si compone la successione dei brani scelti dai bambini. Molto spesso i brani provengono da altre audiocassette e quindi la qualità del suono risente dei fastidiosi rumori di fondo dovuti ai diversi passaggi di registrazione. Con il computer questo inconveniente potrebbe essere facilmente risolto applicando dei filtri, ma ancora oggi a molti insegnanti non viene in mente di utilizzare il PC in questo modo.
In un prossimo articolo mi soffermerò più a lungo sulle attività didattiche che prevedono l'uso della musica o del suono digitali; in questa sede cercherò di affrontare solo quegli aspetti tecnici di base che possono essere d'aiuto all'insegnante che vuole avere un primo approccio col suono digitale.
Iniziamo col capire il passaggio del suono analogico al suono digitale. La caratteristica fondamentale del suono analogico è la riproduzione, attraverso uno strumento elettrico o elettronico (come il microfono o la chitarra elettrica) del segnale sonoro secondo un "tempo continuo". Cosa significa? Se ad esempio percuotiamo la corda di una chitarra acustica, lo strumento musicale produce delle "vibrazioni" che generano delle variazioni di "pressione" dell'aria che circola fuori e dentro la cassa acustica. Queste variazioni di pressione si propagano fino a raggiungere l'orecchio. Il suono viene riconosciuto dal cervello come un segnale che si riproduce continuamente nel tempo fino a che le variazioni di pressione non cessano con il cessare delle vibrazioni. La chitarra elettrica (che è uno strumento analogico) sfrutta lo stesso principio di quella acustica con la differenza che le vibrazioni generano una variazione di "tensione" piuttosto che di pressione; in questo caso, nella variazione da 1 a 2 volt, la tensione può assumere infiniti stadi intermedi.
Per trasformare un segnale analogico in un suono digitale è necessaria una scheda di acquisizione sonora. Essa avrà la funzione di "campionare" cioè suddividere in tante parti il suono analogico acquisito. L'operazione è quella di trasformare un segnale continuo nel tempo in una sequenza di 0 e 1 che sono gli stadi caratteristici dell'informazione binaria che determinano il segnale discreto.
Così si presenta graficamente la digitalizzazione del segnale analogico:



L'onda sinusoidale rappresenta il segnale analogico (segnale tempo continuo); il suono digitale è rappresentato dagli scalini (segnale discreto).

Il numero dei campioni audio per ogni secondo si chiama "frequenza di campionamento" e si misura in Hz. I valori assunti dalle schede di acquisizione audio semi professionali sono i seguenti: 11,025 kHz; 22,050 kHz; 44,1 kHz; 48 kHz. Aumentando la frequenza, il numero dei campioni acquisiti sarà maggiore e quindi migliore sarà la qualità dell'audio.




Un altro parametro che contribuisce a migliorare la qualità dell'audio digitale è la "risoluzione": come per l'immagine digitale essa determina il grado di sfumatura del colore, per l'audio ne determina la definizione. Anche la risoluzione assume diversi valori: principalmente 8 e 16 bit (con le schede di acquisizione audio di medio livello). Ovviamente, aumentando la risoluzione, il suono acquisito risulterà più ricco di dettagli.




In conclusione, la qualità complessiva dell'audio dipende dai due fattori (frequenza di campionamento e risoluzione) nel loro insieme. Nella tabella che segue possiamo vedere in pratica alcune differenze di qualità dell'audio:


Frequenza (kHz) Risoluzione (bit) Qualità
11,025 8 Telefono
11,025 16 Tv
22,050 16 Audiocassetta
44,1 16 CD audio
48 16 Registratore DAT

Provate a registrare un suono col microfono inserito nella scheda audio del vostro computer e poi cambiate i parametri, riprendendoli dalla tabella, e salvateli con nomi diversi. Potrete verificare la diversa qualità del suono, ma vedrete anche che le dimensioni dei file crescono con l'aumentare della qualità.


Praticamente il segnale digitale essendo discretizzato in ampiezza e in frequenza da meno informazioni rispetto al segnale continuo,ma è + preciso perchè eliminando le informazioni inutili tipiche del segnale continuo ai fini di eleborazione e riproduzione del segnale,elimina molte interferenze ed è + comodo e economico da rielaborare grazie al costo contenuto dell'elettronica.

Solitamente una semplice catena di acquisizione dati è strutturata in questo modo:
A)Sensore(trasduttore)
B)Amplificatore
C)Eventuali filtri in analogico per tagliare le frequenze che non interessano
C)Convertitore Analogico/Digitale
D)Elaboratore

Il sensore è un trasduttore che trasduce appunto una grandezza fisica come la temperatura o la pressione in un grandezza elettrica tipo la tensione.
L'amplificatore serve appunto ad amplificare il segnale se molto piccolo.
I filtri ho già spiegato prima a cosa servono.
Il convertitore serve a convertire il segnale analogico in digitale sotto forma di un codice binario di 1 0 1 0 per poter poi essere elaborato dal PC
L'elaboratore serve a fare le prove sul segnale attraverso campionamenti e verificare il segnale.

Va anche detto che esistono anche sensori che trasducono il segnale immediatamente in digitale,non necessitando di alcun convertitore A/D.

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[Dwaine]

In Origine Postato da Dragonball
Il suono digitale
[...]
Praticamente il segnale digitale essendo discretizzato in ampiezza e in frequenza da meno informazioni rispetto al segnale continuo,ma è + preciso perchè eliminando le informazioni inutili tipiche del segnale continuo ai fini di eleborazione e riproduzione del segnale,elimina molte interferenze ed è + comodo e economico da rielaborare grazie al costo contenuto dell'elettronica.
[...]

Faccio un'aggiunta a titolo di completezza:
In un segnale digitale si verifica perdita di informazione SOLO a causa della discretizzazione in ampiezza e non della discretizzazione nel tempo. Il risultato può stupire essendo piuttosto intuitivo pensare che 'leggendo' un segnale nel tempo, anche con intervalli di campionamento molto fitti, si perda comunque tutta l'informazione fra un intervallo di lettura ed il successivo.
Ciò che si verifica in realtà è che, a patto di scegliere una frequenza di campionamento fc sufficientemente elevata, il segnale discretizzato contiene TUTTA L'INFORMAZIONE del segnale continuo, il quale può essere ricostruito senza errori a partire dai campioni. Frequenze di campionamento superiori ad fc non portano ad alcun miglioramento del segnale campionato e generano a tutti gli effetti informazione ridondante.

Questo risultato (naturalmente dimostrabile) è noto come Teorema del campionamento:
Un segnale reale tempo-continuo X(t) può essere ricostruito esattamente dai suoi campioni Xc(t) se la frequenza di campionamento fc è maggiore del doppio della frequenza massima di X(t)

NOTA: Per frequenza massima di X(t) si intende la massima frequenza avente magnitudine significativa nello spettro di frequenze di X(t).

Ad esempio, lo standard utilizzato dai CD, a fronte di una frequenza massima del segnale musicale di 20kHz prevede una frequenza di campionamento di 44.1kHz, garantendo appunto una ricostruzione esatta di tutti i segnali nella banda del 20kHz (quella udibile).

Saluti