REGISTRAZIONE DIGITALE

Introduzione
Questo articolo è rivolto a quelle persone che hanno necessità di registrare dei suoni attraverso la propria scheda audio. Al fine di poter trattare con un computer tali segnali, è necessario renderli digitali, cioè discreti sia nel tempo che in ampiezza. La conversione dal dominio analogico a quello digitale avviene in due passaggi, mediante il campionamento e la quantizzazione del segnale. Cercheremo di capire come funzionano i convertitori analogico/digitale (A/D) e quali sono a grandi linee, i principi teorici che regolano il processo di conversione, per poi arrivare a comprendere il miglior modo per utilizzare le nostre schede audio per ottenere il massimo risultato.
Per poter registrare o elaborare in forma digitale le informazioni contenute in un segnale analogico, occorre sempre ricordarsi quanto segue: il segnale digitale spesso non gradisce di passare per periferiche che abbiano una risoluzione in bit inferiore a quella della periferica che lo ha generato

Segnale audio analogico

L'audio analogico è un segnale composto da diverse componenti frequenziali che oscillano nel tempo con lo stesso andamento di una corrente elettrica alternata. È abbastanza facile ottenere un segnale audio analogico da un suono , e viceversa ottenere un suono da un segnale audio analogico . Dispositivi elettromeccanici quali microfoni e altoparlanti effettuano questa trasduzione . Il segnale audio analogico può essere modificato con apposite apparecchiature, può essere amplificato , può essere memorizzato tramite registrazioni, può essere trasportato a distanza tramite apposite linee elettriche, può essere impiegato per modulare un'onda ad alta frequenza, creando una trasmissione radio.

Segnale audio digitale

Registrare in digitale significa convertire l'audio che entra in un'apposita interfaccia (la scheda audio nel caso del computer), in una sequenza di numeri in codifica binaria (zeri e uno); operazione, questa, che è compiuta da chip chiamati, appunto, convertitori analogico-digitali (A/D). In uscita, saranno invece i convertitori digitale-analogici (D/A) a riconvertire lo stream di dati in segnali audio amplificabili ed ascoltabili con delle comuni casse.Tra i vari metodi esistenti per digitalizzare un segnale audio analogico, i più utilizzati sono quelli che fanno uso della Pulse Code Modulation (PCM, modulazione a codice ad impulso) e della più recente Sigma-Delta, talvolta usate in combinazione per sfruttare i vantaggi di entrambe. Qualunque sia il metodo utilizzato, il segnale subisce comunque due distinti processi di campionamento: il primo è di tipo temporale e prende il nome di " campionamento " (sampling), il secondo riguarda invece l'ampiezza e viene definito " quantizzazione ".

CAMPIONAMENTO
Campionare un segnale significa rilevare i dati relativi all'ampiezza un certo numero di volte al secondo; quest'ultima quantità viene chiamata ' frequenza di campionamento' (sample rate) , e si misura naturalmente in Hertz ( oggi le schede arrivano a 192 KHz ). Ad esempio dire che un suono è campionato con una frequenza di campionamento di 44,1 Khz, vuol dire che in un secondo andremo a misurare la sua ampiezza 44.100 volte. È evidente che maggiore sarà la frequenza di campionamento di un suono, più fedele sarà la sua immagine digitale . Un elemento che occorre fare attenzione quando si effettua la campionatura è il teorema di Nyquist : ogni segnale a banda limitata può essere campionato e perfettamente ricostruito a patto che la frequenza di campionamento sia almeno il doppio della frequenza massima contenuta nella banda del segnale.
Ad esempio: se vogliamo campionare il segnale di un basso elettrico, nel quale la frequenza massima per ipotesi è 300Hz, la frequenza di campionamento dovrà essere come minimo di 600Hz, ossia dovranno essere presi almeno 600 campioni in un secondo.
Se però dobbiamo campionare il segnale di un violino, che arrivi, ad esempio, fino a 15.000 Hz, sarà necessaria una frequenza di campionamento di almeno 30.000Hz, ossia si dovranno prendere almeno 30.000 misurazioni al secondo.
"Nella pratica, in ragione del fatto che l'udito umano ha sia un limite superiore che uno inferiore per quanto riguarda le frequenze che possono essere percepite e in ogni caso si suppone che nessuno sia in grado di sentire suoni al di sotto dei 20 Hz o al di sopra dei 20.000 Hz, una frequenza di 40.000Hz dovrebbe essere sufficiente a campionare ogni possibile suono udibile dall'uomo".
Se non rispettiamo il teorema, e ad esempio campioniamo un segnale che ha una frequenza superiore alla metà di quella con cui stiamo campionando, succede che il segnale campionato avrà delle componenti indesiderate in quanto non sarà in grado a descrivere un segnale di frequenza superiore e quindi possono essere interpretati come frequenze che possono causare dei click, fischi, distorsioni etc..: questo fenomeno prende il nome di Aliasing .
C'è poi da considerare un altro fatto, c'è il rumore in tutte le fonti audio, ed il rumore ha un segnale piatto e quindi essendo un segnale a banda bassa è soggetto a campionatura. Per ovviare a questi inconvenienti si fa passare il segnale analogico in un filtro passa basso (detto appunto filtro anti-aliasing). Questo significa che quando vogliamo campionare un segnale, non possiamo scegliere una frequenza qualunque, ma dobbiamo sapere a quale frequenza dobbiamo campionare un segnale, si deve conoscere la frequenza di taglio del filtro anti-aliasing presente sulla scheda e campionare sempre e solo ad una frequenza doppia (o superiore). In caso di dubbi, basta campionare alla massima frequenza consentita dal scheda. Poi, una volta campionato il segnale, si possono fare in tutta tranquillità altre operazioni di filtraggio o di riduzione di frequenza.
Questo spiega perché i CD audio sono campionati a 44,1KHz in modo da poter usare un filtro reale, con una certa pendenza, che inizi a tagliare a 20 KHz e che porti effettivamente a zero la banda passante solo a 22,05 KHz...
Purtroppo, e questo è un problema, all'aumento della qualità (ciò vale anche per le immagini) aumentano anche le dimensioni dei file. Ad esempio, un minuto di musica a 22 kHz con una risoluzione di 8 bit richiede circa 1.25 MB mentre un minuto di audio in qualità CD (16 bit e 44 kHz) richiede 10 MB. Naturalmente se il suono è stereo queste dimensioni devono essere raddoppiate.

Quantizzazione

Un altro elemento rappresentativo del segnale digitale è l'ampiezza dell'oscillazione. Ognuna di queste ampiezze deve essere convertita in un numero binario, e quindi il numero di bit che vengono usati per tale conversione (16 bit permettono di assegnare all'ampiezza del campione un numero tra 0 e 65.536, mentre a 24 bit che oggi rappresenta la massima risoluzione possibile avremmo 2 24 = 16.777.216). Questa rappresentazione binaria spesso viene utilizzato il termine ‘ Risoluzione' (bit rate). Quindi quanto maggiore è il numero dei bit-rate destinati a rappresentare ogni singola ampiezza, più fedele sarà la dinamica del segnale riprodotto. La differenza che si crea tra il vero valore d'ampiezza e il valore arrotondato viene definita errore di quantizzazione . Molti errori di quantizzazione provocano un fruscio facilmente avvertibile nel file audio prodotto, in quanto si somma al segnale originale e quindi determina una riduzione del rapporto segnale/rumore del sistema. Infatti il rumore di quantizzazione è direttamente propozionale al passo di quantizzazione, cioè maggiore è il numero di bit utilizzati, minore è il rumore. In genere ogni bit contribuisce per circa 6 dB alle prestazioni del sistema, in termini di rapporto segnale/rumore; se N=16, allora: S/R = 98.1 dB. La qualità di un suono digitale dipende, perciò, in parte dalle sue dimensioni e in parte dalla frequenza di campionamento utilizzata. Poiché gli errori di quantizzazione sono più facilmente percepibili dall'orecchio umano rispetto a quelli dovuti alla bassa frequenza di campionamento, è consigliabile optare per un campionamento a 24 bit piuttosto che per uno a 16 bit . Se si è costretti ad utilizzare un campionamento a 16 bit, è preferibile scegliere una frequenza di campionamento elevata in modo da limitare l'effetto degli errori. Purtroppo, e questo è un problema, all'aumento della qualità aumentano anche le dimensioni dei file. Ad esempio, un minuto di musica a 22 kHz con una risoluzione di 8 bit richiede circa 1.25 MB mentre un minuto di audio in qualità CD (16 bit e 44 kHz) richiede 10 MB. Naturalmente se il suono è stereo queste dimensioni devono essere raddoppiate.

CONVERTITORI
La tecnica che si basa sul principio del campionamento è compiuta da chip chiamati convertitori, abbiamo un convertitore analogico-digitali (A/D) e in uscita un convertitore digitale-analogico (D/A). In una scheda audio i convertitori non sono tutti uguali, nel senso della qualità dei risultati che possono offrire, e sono proprio loro quelli che spesso fanno la differenza. I convertitori si distinguono fra loro per la quantità di rumore introdotto, per la capacità di non introdurre distorsioni, per la capacità di catturare il timbro più fedelmente possibile dall'analogico, e per una serie di altri particolari che alla fine ognuno li giudica molto spesso anche rispetto al proprio orecchio musicale.

Conclusioni
A questo punto risulta più facile capire alcune regole d'oro per campionare un suono:
1) usare la massima frequenza possibile, rispettando il teorema di Nyquist per eliminare frequenze transitorie.
2) usare la massima risoluzione possibile (mai al di sotto dei 16 bit), per non perdere le caretteristiche del segnale originale e per ridurre il rapporto segnale/rumore del sistema.
3) campionare il suono al massimo volume possibile (ovviamente evitando le distorsioni)
Tutte le operazioni di riduzione di frequenza, di bit, di volume e quant'altro vi venga in mente, andranno fatte sempre dopo.
Se poi, il suono campionato, risulta, nonostante tutto, affetto da fischi, allora significa che ci sono delle interferenze esterne: le cause principali, di solito, sono il monitor, interferenze radio (tipo i cellulari), disturbi sulla 50Hz (dovuti, in genere, a sovraccarichi: l'accensione del frigo o della lavatrice possono creare interferenze) oppure il segnale passa attraverso troppi sistemi: ricordate che tutto provoca rumore, più manipolate un suono, più esso sarà affetto da rumore.
4) Quando acquistate una scheda audio le specifiche che dovete guardare sono : il rapporto Segnale/Rumore, più è alto, migliore è la scheda, e se gestisce i driver ASIO con basse latenze.
5) Inoltre ogni passaggio dall'analogico al digitale (e viceversa) degrada un pò la qualità del segnale, sarà bene sottoporre quest'ultimo al numero minimo di conversioni possibile; per cui se dovete far passare il segnale da una macchina ad un'altra ed entrambe hanno ingressi ed uscite digitali, preferite senz'altro il passaggio tramite queste alla classica soluzione analogica.