Conversione Analogica-Digitale e Digitale-Analogica

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1 Elementi di informatica musicale Conservatorio G. Tartini a.a Conversione Analogica-Digitale e Digitale-Analogica Ing. Antonio Rodà A / D (fonte C. Roads) 1

2 Campionamento Il campionamento di un segnale è la sua misurazione punto per punto in istanti ravvicinati. La frequenza di campionamento è definita come l'insieme delle misurazioni del segnale (i campioni) prese in un secondo. 2 domande sono fondamentali: Quanti campioni in un secondo sono necessari per ottenere una buona rappresentazione del segnale originale? Con che precisione è necessario misurare il segnale? Aliasing Secondo il teorema di Nyquist la frequenza di campionamento deve essere almeno doppia della massima frequenza presente nel suono da registrare (frequenza di Nyquist). Es: un segnale audio con una banda passante di 20 khz richiede una frequenza di campionamento di 40 khz ( campioni in un secondo). Se esistono delle frequenze superiori producono una distorsione armonica chiaramente percettibile detta aliasing. Per eliminare l'effetto aliasing bisogna filtrare il segnale con un filtro passa-basso prima della conversione per assicurare che la sua banda passante sia corretta. Esempio 2

3 Quantizzazione La quantizzazione opera sull'ampiezza del segnale campionato trasforma valori continui di tensione in valori discreti di ampiezza La precisione della scala di rappresentazione dell'ampiezza dipende dal numero di bit con cui viene rappresentato il segnale. Nella maggior parte dei sistemi digitali il segnale audio è quantizzato su 16 bit valori. Esempio Rumore di quantizzazione Il segnale risultante è quindi solo un'approssimazione del segnale analogico. Gli errori di approssimazione introdotti nella quantizzazione provocano del rumore che può essere quantificato in funzione del numero di bit utilizzato. Il rapporto segnale/rumore è dato dall'espressione seguente: S/R = 6 N (db), dove N è il numero di bit Con 16 bit S/R = 96 db N.B: le registrazioni su nastro hanno S/R di circa 65dB 3

4 Conversione A/D ideale Segnale analogico H1 Q Segnale digitale Filtro passa basso per evitare l aliasing: di solito vengono eliminate (filtrate) tutte le frequenze superiori ai 20 KHz Quantizzazione con N bit: nel CD Audio si usano 16bit Filtro passabasso Campionatore Quantizzatore Campionatore: la frequenza di campionamento dello standard dei CD Audio è di Hz (teorema di Nyquist) Conversione D/A ideale Segnale digitale H2 Segnale analogico Holder: trasforma il segnale discreto in segnale continuo Filtro passa basso holder Holder Filtro passa-basso filtro 4

5 Riassumendo La frequenza di campionamento condiziona la larghezza di banda del suono digitalizzato La precisione di quantizzazione (ossia il numero di bit) condiziona la dinamica del suono digitalizzato Convertitori reali Dither viene aggiunto del rumore bianco per evitare distorsione dei segnali a bassa intensità Sovracampionamento consente di migliorare il rapporto segnale rumore a parità di bit di quantizzazione Convertitori a 1 bit (sigma delta) sono i più utilizzati per realizzare i lettori CD e sfruttano il sovracampionamento per ottenere un rapporto S/N elevato 5

6 Formati dei file audio Per memorizzare su un supporto di memoria il suono digitalizzato, è necessario organizzare i dati in una forma ben precisa I più comuni formati sono: WAV: audio su PC. Suono monofonico o stereofonico, campionato a 8 o 16 bit, frequenze variabili (11025 Hz, Hz, Hz). AIFF - Audio Interchange File Format: formato di scambio per file audio, sviluppato da Apple per i file audio digitale. AU, SND: formati audio di computer NeXT e Sun. SMP, MAT, VOC: formati di file audio legati ad applicazioni particolari (Sample Vision, Matlab, ). RAW, PCM: formati per file audio con solo campioni senza compressione e senza informazione supplementare sul file stesso. Formati con compressione Per limitare il numero di dati necessari a rappresentare un suono digitalizzato, sono stati elaborati alcuni algoritmi e formati per la compressione (riduzione) dell informazione I più comuni sono: MP3 (esattamente MPEG1 layer 3) è uno standard che permette di ridurre un file audio fino a 12 volte la sua dimensione originale. MES - formato A2B sviluppato da AT&T con Dolby e l'istituto Fraunhofer, è la ultima generazione del formato MPEG. WMA - Windows Media Audio di Microsoft è stato concepito per proteggere i diritti d'autore. Riguarda audio e video. 6

7 Formati per la trasmissione audio digitale AES/EBU protocollo per trasmettere segnali audio fra dispositivi audio digitali professionali trasmette 2 canali audio digitali multiplexati attraverso un solo cavo microfonico a connettore XLR a 3 pin Lunghezza massima del cavo:100 metri. S/PDIF E una variante dell'interfaccia AES/EBU per uso non professionale. Sony e Philips sono proprietarie di questo standard. il collegamento fisico può essere ottico o coassiale - lo standard in genere è il connettore audio sbilanciato RCA. TDIF, ADAT, SDIF, MADI Formati per lo streaming audio Per ascoltare audio digitale attraverso reti di computer (es. Internet) sono utilizzati alcuni formati che consentono la trasmissione di un flusso continuo (streaming) di dati I più comuni sono: RA, RM - Real audio o Real Media, formato di RealPlayer. SWF - ShockWave Flash, formato dei programmi distribuiti da Macromedia come Director RMF - formato di Beatnik MP3 WMA 7

8 Supporti di memorizzazione Videocassetta DAT DCC Hard disk Floppy disk Mini Disc Compact Disc Semiconduttore 8