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Fondamentali del Segnale AUDIO DIGITALE [Cap 1]

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nico69

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Messaggio 11 feb 2009, 12:14

Fondamentali del Segnale AUDIO DIGITALE [Cap 1]

Premessa

Questo prontuario non lo trovate da nessuna parte . . . . sono miei approfondimenti che ho organizzato per collegare vari testi e . . . . . fissarmi le idee

INTRODUZIONE

L’avvento della tecnologia digitale ha rivoluzionato il settore audio andando, sempre più, a sostituire l’analogico grazie alla continua introduzione di processori più prestazionali.
All’inizio, viste le modeste risorse e possibilità a disposizione, le operazioni consentite erano elementari ma, necessarie e sufficienti alla nascita dei primi campionatori i quali, hanno determinato, prima, la nascita di nuovi generi musicali come il Funky e la musica Black in genere poi, l’House, la Techno, ecc.
Con l’aumentare della velocità di calcolo si è arrivati a manipolare, gestire il segnale audio digitale in tempo reale, qui la nascita dei primi “effetti” digitali quali riverberi, echi, ecc.
Oggi l’audio digitale viene impiegato fin dalla fase di registrazione e utilizzato su tutto l’intero processo di produzione musicale. Ad un prezzo relativamente ridotto, le operazioni di registrazione, mixaggio e masterizzazione, avvengono interamente nel dominio digitale.

IL SEGNALE AUDIO (teoria)

Il suono, come ben sappiamo, fisicamente, è una variazione della pressione dell’aria.
Questa variazione ripetuta ciclicamente un certo numero di volte in un intervallo di tempo, da vita ad un suono. La rappresentazione classica di un suono è un’onda più o meno complessa, all’interno di un grafico ad assi cartesiani ove, all’asse orizzontale X viene attribuito un valore temporale e, all’asse verticale Y viene attribuito il valore di ampiezza dell’onda.
Nel caso di un segnale audio analogico, un microfono capta la variazione ciclica della pressione atmosferica generata da un suono e, la converte, sotto forma di segnale elettrico. L’onda analogica che in questo caso rappresenta il segnale è continua. Ad ogni fattore tempo corrisponde un’ampiezza dell’onda.
Nel caso di un segnale audio digitale l’onda che si viene a creare è discontinua in quanto il processo di conversione da analogico a digitale (campionamento) avviene tramite il prelievo del segnale originario, ad un intervallo regolare di tempo, tralasciando i campioni di segnale tra un intervallo di tempo e l’altro.

Immagine

CAMPIONAMENTO (teoria)

Il processo di analisi e conversione di un segnale elettrico (analogico) in digitale (formato numerico) prende il nome di Campionamento. Come detto, l’ampiezza del segnale elettrico originario (asse Y), componente il suono emesso in quel momento temporale, viene rilevato (campionato), memorizzato per essere riprodotto successivamente. Sotto questo aspetto dobbiamo chiarire un concetto. La frequenza di banda del segnale audio udibile è ricompressa tra 20Hz-20KHz. In conseguenza, le frequenze fuori banda non interesserebbero il campionamento, occuperebbero inutile memoria, riprodurrebbero una frequenza di segnale dannoso per il ns. impianto. Questo valore (20Hz-20KHz)cioè, la banda di frequenza udibile, ci servirà per una serie di passaggi successivi. Rilevato il campione di suono, servirà associarlo in una sequenza temporale, nell’istante in cui dovrà essere riprodotto, assegnare un valore all’asse X. Si definirà così un intervallo di tempo, con il quale andremo ad analizzare e memorizzare il segnale originale, intervallo chiamato Frequenza Di Campionamento. In concreto, finita l’operazione di campionamento, avremo memorizzato un suono composto da una serie di campioni dell’audio originario i quali, verranno riprodotti ad intervalli di tempo regolari, suonati con la sequenza temporale memorizzata.
Viene spontaneo considerare che questi due suoni non sono uguali.
Nel suono Analogico (corrente elettrica continua) sono presenti tutte le frequenze componenti il segnale con una sequenza temporale continua. Nel suono Digitale, il segnale memorizzato è si “pari” all’originale ma, riprodotto ad intervalli di tempo, con discontinuità.
Possiamo quindi affermare di aver “perso” qual’cosa?
SI.
Questo però, a differenza di quanto si possa inizialmente immaginare, non determina una perdita di “fedeltà”.
Pensiamo una ripresa fotografica, nel caso, andiamo a memorizzare una sequenza di immagini (fotogrammi) ad un intervallo temporale determinato (frequenza) che, immortalano il momento della registrazione. In pratica, come nel segnale digitale, possediamo una serie di immagini nella loro sequenza temporale, non abbiamo acquisito e memorizzato una serie di fotogrammi orami “persi”.
Erano necessari? NO. Tutti sappiamo che riproducendo le immagini con sufficiente frequenza, la percezione è reale.
Il teorema di Nyquist asserisce che campionando il segnale audio con una frequenza temporale doppia a quella della banda in considerazione (cioè 44.1 KHz), il segnale continuo riprodotto è pari ed identico al segnale continuo originale.
Dunque nella fase temporale di campionamento abbiamo perso parti del segnale originario ma, questo, non determina un “decadimento” del suono, una perdita di “fedeltà”.
Il “decadimento” avviene nella fase di memorizzazione, nella conversione numerica in bit, chiamato quantizzazione. Ed adesso lo vedremo.
Torniamo ora alla nostra tensione elettrica continua (analogico) che deve essere rilevata (campionata), per essere convertita in un numero (digitale). Anche all’asse Y dovremmo decidere di assegnare una suddivisione per effettuare il rilievo dei campioni. Effettuando la suddivisione, si ripropone nuovamente il problema che “perdiamo”, omettiamo tutti i valori intermedi e, in conseguenza, i campioni prelevati dovranno essere approssimati al valore più vicino presente sull’asse Y. Immaginiamo di considerare, per semplicità in cm, un valore di cm 3,6 su un’asse ampio cm 10. Allora, suddividendo l’asse in 10 intervalli, avremo la corresponsione dell’asse in unita di cm. Per prelevare (campionare) il valore di segnale reale (suono) pari a “cm 3,6” avremo a disposizione il segmento 3-4 e, per approssimazione dovremo adottare il punto 4 che, non è il punto 3,6 ma realmente, il più prossimo al reale.
Questa operazione si chiama quantizzazione e determina il decadimento qualitativo del segnale audio digitale.
Quando andremmo a restituire il valore campionato, questo, non sarà come il valore reale di 3,6 ma, quanto approssimamene memorizzato e corrispondente a 4, non avremo più il suono originario.
E questo spiega perché le operazioni in formato Wave, sono distruttive.
Viene spontaneo considerare che aumentando la “definizione” della scala andremo sempre meno ad effettuare una approssimazione del valore reale e saremmo sempre più prossimi alla restituzione dello stesso. Avremo esattamente riprodotto il suono originario. Infatti. Continuando l’esempio sopra, andiamo adesso a suddividere nuovamente l’asse Y che era ampio cm 10 e, lo suddividiamo in 1.000 intervalli. Saremo arrivati alla “definizione” del decimo di millimetro. Il valore di 3,6 campionato risulterebbe addirittura con un ulteriore decimale e pari a 3,60. Riprodotto, avremo esattamente restituito, con eccedenza, il valore (suono) originario.
Questo nella realtà è impossibile perché dovremo avere a disposizione un numero infinito di bit per suddividere la scala e campionare il segnale senza approssimazione. Qui, si innescherebbero delle considerazioni su disponibilità di memoria, peso di un file audio, ecc.
Per effettuare la suddivisione della scala delle ampiezze del segnale audio (asse Y) si utilizza la numerazione del processore, i bit (formato binario) che semplicemente, si possono considerare degli interruttori che possono assumere la posizione di O (spento) o I (acceso) che, aggiunti, vanno disposti in parallelo. Se abbiamo a disposizione 1 bit, possiamo dividere la scala in 2 e cioè O (spento) e 1 (acceso). Aumentando un bit potremo suddividere la scala in quattro. Cioè, la combinazione di due interruttori che possono assumere due posizioni cadauno. La numerazione in bit avviene associando le varie combinazioni di un numero n. di interruttori. Una disponibilità di 16 bit corrisponde ad una possibilità di suddividere l’asse Y in 65.536 intervalli. Lo standard di registrazione dei CD audio riconosciuta anche dagli “audiofili” e che sarà successivamente partecipe di approfondimenti è:
- Frequenza di campionamento – 44.1 KHz
- Bit di quantizzazione – 16 Bit (65.536 int.)
A questo punto della riflessione risulta oramai chiaro che, il “degrado” che il suono assume con il campionamento digitale non è dovuto dal fatto che il segnale non è continuo, mancano parti di esso, ma deve essere imputato alla fase di memorizzazione, nella traslazione in numero, in conseguenza alla approssimazione che abbiamo adottato in base al numero di bit utilizzati. Allora la perdità di Fedeltà è esclusivamente imputata alla fase di quantizzazione e questa degenerazione avviene quanto più io adotti una bassa “risoluzione” di campionamento.
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Ottone

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Messaggio 13 feb 2009, 16:08

Re: Fondamentali del Segnale AUDIO DIGITALE [Cap 1]

non so che dire...però italianizzando un'espressione francese ti dico...sciapò! ...xD. veramente complimenti per la cultura!...e grazie :mrgreen:
non discutere mai con un idiota,ti porta al suo livello e poi ti batte con l'esperienza

###aggiornamento---> ho cambiato space; se ce la fate riaggiungetemi voi...io sto ripartendo da zero...xD grazie


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nico69

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Messaggio 13 feb 2009, 16:58

Re: Fondamentali del Segnale AUDIO DIGITALE [Cap 1]

Ringrazio per il feedback

Volevo aggiungere . . . . riguardo il trattato
In effetti, quando ho deciso di approfondire l'argomento mi sono procurato dei testi professionali ed ho fatto ricerche varie on-line.
Tutto il materiale che ho trovato non affrontava l'argomento integralmente ma parte di esso, alcuni aspetti. Ho dovuto leggere ed estrapolare i concetti legando i principi e dando un filo logico al discorso secondo quello che più interessava.

Quando ho avuto le idee chiare ho steso tutto in modo leggibile.
Questa è stata la cosa più bella perchè ho approfittato di una vacanza rilassante e redato il testo bordo piscina. Comunque solo la fase di stesura finale ha richiesto circa 5 giorni.

Un lavoroneeeeeeeeee :mrgreen:

Sono contento che è a disposizione di tutti
ed ancora più importante
che è possibile iniziare ulteriori approfondimenti

A disposizione :wink:
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Paride Bono Dj

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Messaggio 13 feb 2009, 17:51

Re: Fondamentali del Segnale AUDIO DIGITALE [Cap 1]

Grazie mille della guida...si impara sempre :P

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