Conversione Analogica-Digitale e Digitale

Elementi di informatica musicale
Conservatorio “G. Tartini” a.a. 2001-2002
Conversione
Analogica-Digitale e
Digitale-Analogica
Ing. Antonio Rodà
A
/
D
(fonte C. Roads)
1
Campionamento
n
Il campionamento di un segnale è la sua
misurazione punto per punto in istanti
ravvicinati.
n
La frequenza di campionamento è definita
come l'insieme delle misurazioni del segnale
(i campioni) prese in un secondo.
n
2 domande sono fondamentali:
n
n
Quanti campioni in un secondo sono necessari
per ottenere una buona rappresentazione del
segnale originale?
Con che precisione è necessario misurare il
segnale?
Aliasing
n
Secondo il teorema di Nyquist la frequenza di
campionamento deve essere almeno doppia della massima
frequenza presente nel suono da registrare (frequenza di
Nyquist).
n
n
n
Es: un segnale audio con una banda passante di 20 kHz richiede
una frequenza di campionamento di 40 kHz (40.000 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
Quantizzazione
n
La quantizzazione opera sull'ampiezza del segnale
campionato
n
n
n
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 à 65536 valori.
Esempio
Rumore di quantizzazione
n
n
n
n
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 à S/R = 96 dB
N.B: le registrazioni su nastro hanno S/R di circa 65dB
3
Conversione A/D “ideale”
Segnale
analogico
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
Campionatore: la frequenza di
campionamento dello standard
dei CD Audio è di 44.100 Hz
(teorema di Nyquist)
Filtro passabasso
Campionatore
Quantizzatore
n
n
n
Segnale
digitale
Q
H1
Conversione D/A “ideale”
Segnale
digitale
H2
Segnale
analogico
Filtro passa
basso
Holder: trasforma il
segnale discreto in
segnale continuo
n
n
Holder
Filtro passa-basso
holder
filtro
4
Riassumendo
n
n
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”
n
Dither
n
n
Sovracampionamento
n
n
viene aggiunto del rumore bianco per evitare distorsione dei
segnali a bassa intensità
consente di migliorare il rapporto segnale rumore a parità di bit di
quantizzazione
Convertitori a 1 bit (sigma delta)
n
sono i più utilizzati per realizzare i lettori CD e sfruttano il
sovracampionamento per ottenere un rapporto S/N elevato
5
Formati dei file audio
n
n
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:
n
n
n
n
n
WAV: audio su PC. Suono monofonico o stereofonico,
campionato a 8 o 16 bit, frequenze variabili (11025 Hz, 22050 Hz,
44100 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
n
n
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:
n
n
n
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
Formati per la trasmissione
audio digitale
n
AES/EBU
n
n
n
n
S/PDIF
n
n
n
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.
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
n
n
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:
n
n
n
n
n
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
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Supporti di memorizzazione
n
n
n
n
n
n
n
n
Videocassetta
DAT
DCC
Hard disk
Floppy disk
Mini Disc
Compact Disc
Semiconduttore
8