4. Campionamento del segnale audio

Per convertire un'onda sonora analogica in segnale digitale, il computer deve essere in grado di misurarne l'ampiezza in istanti successivi periodicamente.

Ogni misura si chiama campione per cui la conversione A/D prende il nome di campionamento del suono.

Per la riproduzione di un suono digitale memorizzato nel PC è necessario effettuare la conversione D/A, cioè dalla forma digitale alla forma analogica.

4.1. Frequenza di campionamento

Più elevata è la frequenza di campionamento tanto maggiore è la rassomiglianza tra il segnale campionato e quello originario.

Spingere la frequenza di campionamento all'infinito pone un problema sul numero di campioni generati in un secondo. Se, ad esempio, la frequenza di campionamento fosse di 1 MHz, avremmo un milione di campioni al secondo per cui per cui un brano di 5 minuti (300 secondi) sarebbe convertito in 300 milioni di campioni. Ciascun campione, inoltre, può impegnare uno o più byte per cui il citato brano potrebbe avere una dimensione anche superiore a 1G byte !!

Riducendo la frequenza di campionamento oltre un certo limite, però, non saremmo in grado di ricostruire fedelmente la forma d'onda di partenza. Come fare ?

Ci viene incontro il teorema del campionamento di Shannon che dice che un segnale complesso avente massima frequenza f_max può essere completamente ricostruito se si effettua il campionamento ad una frequenza f_c almeno pari al doppio di f_max. In formula:

f_c ³ 2*f_max

Il limite f_c = 2*f_max è puramente teorico perché per la ricostruzione del segnale di partenza è necessario un filtro passa-basso di ordine molto elevato, praticamente impossibile da realizzare.

In genere si campiona ad una frequenza maggiore di 2*f_max.

In telefonia viene destinata alla voce una banda di frequenza da 300Hz a 3.4KHz e gli impianti telefonici, per la conversione A/D, campionano alla frequenza di 8KHz (maggiore del doppio di 3.4KHz).

In campo telefonico non ha importanza la qualità audio ma la intelligibilità del messaggio.

In campo radiofonico, invece, è importante anche la qualità dell'audio. Infatti nella modulazione di ampiezza AM viene destinata all'audio una banda di 10KHz per cui il campionamento per la conversione A/D deve avvenire ad una frequenza superiore a 20KHz (in FM la banda è di 15KHz).

I brani audio incisi su CD, infine, per poter essere fedelmente riprodotti devono essere campionati ad una frequenza superiore a 40KHz poiché la banda acustica del nostro orecchio va 20Hz a 20KHz.

Si riassumono nella seguente tabella 2 le tre frequenze di campionamento tipiche utilizzate per l'acquisizione digitale di segnali audio.

Tabella 2

4.2. Lunghezza del campione

Il dato campionato deve essere convertito in forma digitale. Se si destinano 8 bit ad ogni campione, la dinamica del segnale analogico viene suddivisa in:

2⁸ = 256 livelli. Nella ricostruzione si ottiene un tipico andamento a scalinata come si mostra in fig.3. Facendo click sul grafico si ottiene il relativo suono.

Fig.3 Onda sinusoidale di ampiezza 1V e frequenza 1KHz campionata a 11KHz con campioni a 8 bit in formato mono.

Assegnando ad ogni campione non 8 bit ma 16 bit la dinamica viene divisa in 2¹⁶ = 65536 livelli.
La conversione è più precisa ma il file prodotto ha dimensione doppia.

In genere, tuttavia, si preferisce un campionamento a 16 bit rispetto a 8 bit per ridurre il rumore di fondo.

In caso di campionamento stereo si generano due campioni per volta.

Per la produzione di brani audio in formato CDA da registrare su CD-R la scelta obbligata è:

 44.1KHz  a 16 bit stereo

 In questa modalità di funzionamento un minuto di riproduzione occupa 2.646.000 x 4 = 10.584.000 byte cioè poco più di 10Mbyte, cioè un brano di durata 5 minuti viene memorizzato in 50Mbyte.

Se il brano è memorizzato su CD-ROM, il driver deve leggere il file ad una velocità di 44.1 x 4 = 176.400 byte/secondo. Questo valore rappresenta la velocità base dei lettori di CD-ROM (il valore effettivo è pari a 150Kbyte al secondo).

Un lettore di CD-ROM si dice a doppia velocità, o 2X, se è in grado di leggere i dati ad una velocità doppia cioè a 300Kbyte/secondo.

Un CD-ROM da 650Mbyte ed uno da 700Mbyte, pertanto, possono contenere brani musicali della durata massima pari a, rispettivamente:

650 M /  150Kbyte/s = 4437 secondi = 74 minuti

700 M /  150Kbyte/s = 4779 secondi = 80 minuti

I lettori di CD-ROM per computer più recenti sono del tipo a 52x, cioè possono leggere dati digitali ad una velocità 52 volte superiore a quella necessaria per la riproduzione di un brano audio campionato a 44.1KHz, 16 bit, stereo. In realtà l'elevatissima velocità di lettura potrà avvenire solo nella parte più esterna del CD-ROM perché l'elevata densità delle informazioni nella parte interna determina, alle alte velocità di rotazione, una maggiore probabilità di errore di lettura. Spesso i lettori CD-ROM adeguano la velocità di lettura automaticamente anche in funzione della leggibilità del supporto CD-ROM.

Ultimo aggiornamento: 2 febbraio 2004