Audio digitale

Campionamento e quantizzazione a 4 bit di un segnale analogico (rosso) usando Pulse Code Modulation.

L’audio digitale è una tecnologia che usa segnali digitali per la riproduzione del suono. Include la conversione analogico-digitale, la conversione digitale-analogica, la memorizzazione e la trasmissione.

L’audio digitale è emerso per la sua utilità nella registrazione, manipolazione, produzione di massa e distribuzione del suono. La moderna distribuzione di musica su Internet attraverso i negozi on-line dipende dalla registrazione digitale e dagli algoritmi di compressione digitale. La distribuzione dell’audio come file di dati piuttosto che come oggetti fisici ha ridotto significativamente i costi di distribuzione.

Panoramica dell’audio digitale

Passando dall’analogico al digitale

Dal cilindro di cera alla cassetta compatta, la memorizzazione e la riproduzione della musica audio analogica si sono basate sugli stessi principi su cui si basa l’udito umano. In un sistema audio analogico, i suoni iniziano come forme d’onda fisiche nell’aria, vengono trasformati in una rappresentazione elettrica della forma d’onda, attraverso un trasduttore (per esempio, un microfono), e vengono memorizzati o trasmessi. Per essere ricreato in suono, il processo è invertito, attraverso l’amplificazione e poi la riconversione in forme d’onda fisiche attraverso un altoparlante. Anche se la sua natura può cambiare, le sue caratteristiche fondamentali, simili alle onde, rimangono inalterate durante la sua memorizzazione, trasformazione, duplicazione e amplificazione. Tutti i segnali audio analogici sono suscettibili di rumore e distorsione, a causa del rumore intrinseco presente nei circuiti elettronici.

L’audio digitale è la tecnologia di rappresentazione dell’audio in forma digitale. La catena audio digitale inizia quando un segnale audio analogico viene convertito in segnali elettrici – impulsi “on/off” – piuttosto che in segnali elettromeccanici. Questo segnale viene poi ulteriormente codificato per combattere eventuali errori che potrebbero verificarsi nella memorizzazione o trasmissione del segnale. Questa “codifica di canale” è essenziale per la capacità del sistema digitale di ricreare il segnale analogico al momento della riproduzione. Un esempio di codice di canale è la modulazione da otto a quattordici bit usata nel Compact Disc audio.

Un segnale analogico è convertito in un segnale digitale a una data frequenza di campionamento e risoluzione di bit; può contenere più canali (2 canali per lo stereo o più per il suono surround). In generale, maggiore è la frequenza di campionamento e la risoluzione in bit, maggiore è la fedeltà, così come maggiore è la quantità di dati digitali.

Qualità del suono

Anche se l’obiettivo dei sistemi analogici e digitali è di riprodurre perfettamente l’audio, ci sono diversi ostacoli per raggiungere questo obiettivo. Essi includono:

• Rumore di fondo analogico nel circuito di cattura, e hanno capacità e induttanza intrinseche che limitano la larghezza di banda del sistema, e la resistenza che limita l’ampiezza.
• Rumore di quantizzazione digitale nel circuito di cattura, e la frequenza di campionamento limita la larghezza di banda e la sua risoluzione di bit limita la gamma dinamica (risoluzione della creazione di ampiezza).

Per ottenere una migliore fedeltà, sono necessari componenti di qualità superiore, che aumentano il costo complessivo.

Processo di conversione

Un segnale audio digitale inizia con un convertitore analogico-digitale (ADC) che converte un segnale analogico in un segnale digitale. L’ADC funziona a una frequenza di campionamento e converte a una risoluzione di bit nota. Per esempio, il CD audio ha una frequenza di campionamento di 44,1 kHz (44.100 campioni al secondo) e una risoluzione di 16 bit per ogni canale (stereo). Se il segnale analogico non è già limitato in banda, allora un filtro anti-aliasing è necessario prima della conversione, per prevenire l’aliasing nel segnale digitale. (L’aliasing si verifica quando le frequenze sopra la frequenza di Nyquist non sono state limitate in banda, e invece appaiono come artefatti udibili nelle frequenze più basse).

Una panoramica del processo di conversione digitale <-> analogico.

Alcuni segnali audio come quelli creati dalla sintesi digitale hanno origine interamente nel dominio digitale, nel qual caso la conversione da analogico a digitale non avviene.

Dopo essere stato campionato con l’ADC, il segnale digitale può essere alterato in un processo chiamato elaborazione del segnale digitale dove può essere filtrato o avere effetti applicati.

Il segnale audio digitale può poi essere memorizzato o trasmesso.La memorizzazione dell’audio digitale può avvenire su un CD, un lettore MP3, un disco rigido, un’unità flash USB, CompactFlash, o qualsiasi altro dispositivo di memorizzazione dei dati digitali. Le tecniche di compressione dei dati audio – come MP3, Advanced Audio Coding, Ogg Vorbis, o Flac – sono comunemente impiegate per ridurre la dimensione del file.L’audio digitale può essere trasmesso in streaming ad altri dispositivi.

L’ultimo passo per l’audio digitale è quello di essere riconvertito in un segnale analogico con un convertitore digitale-analogico (DAC).Come gli ADC, i DAC funzionano a una specifica frequenza di campionamento e risoluzione di bit, ma attraverso i processi di sovracampionamento, upsampling e downsampling, questa frequenza di campionamento può non essere la stessa della frequenza di campionamento iniziale.

Storia dell’uso dell’audio digitale nella registrazione commerciale

La registrazione digitale commerciale di musica classica e jazz è iniziata nei primi anni ’70, pionieristicamente da aziende giapponesi come Denon, la BBC e l’etichetta discografica britannica Decca (che a metà degli anni ’70 ha sviluppato registratori audio digitali di loro progettazione per la masterizzazione dei loro album), anche se registrazioni sperimentali esistevano già dagli anni ’60.

La prima registrazione PCM a 16 bit negli Stati Uniti fu fatta da Thomas Stockham alla Santa Fe Opera nel 1976, su un registratore Soundstream. Nella maggior parte dei casi, non c’è stato alcuno stadio di missaggio; una registrazione digitale stereo è stata fatta e usata inalterata come nastro master per la successiva pubblicazione commerciale. Queste registrazioni digitali non mixate sono ancora descritte come DDD poiché la tecnologia coinvolta è puramente digitale. (Le registrazioni analogiche non mixate sono anche solitamente descritte come ADD per indicare una singola generazione di registrazione analogica.)

Anche se la prima registrazione digitale in assoluto di un pezzo di musica non classica, la cover di Morrissey-Mullen della hit di Rose Royce “Love Don’t Live Here Anymore” (pubblicata nel 1979 come EP in vinile) fu registrata nel 1978 negli studi di registrazione Abbey Road della EMI, il primo album di musica popolare interamente registrato in digitale (DDD) fu Bop Till You Drop di Ry Cooder, registrato alla fine del 1978. Non fu missato, essendo registrato direttamente su un registratore digitale 3M a due tracce in studio. Molti altri artisti di punta furono i primi adepti della registrazione digitale. Altri, come l’ex produttore dei Beatles George Martin, sentivano che la tecnologia di registrazione digitale multitraccia dei primi anni ’80 non aveva raggiunto la sofisticazione dei sistemi analogici. Martin usava il mixaggio digitale, comunque, per ridurre la distorsione e il rumore che un nastro master analogico avrebbe introdotto (quindi ADD). Un primo esempio di una registrazione analogica che è stata mixata digitalmente è il disco dei Fleetwood Mac del 1979, Tusk.

La valutazione soggettiva

La valutazione della fedeltà è un problema di lunga data con i sistemi audio in generale. Anche se i segnali audio possono essere misurati e analizzati da strumenti specializzati secondo standard più esigenti di quelli che si possono ottenere a orecchio, tali misurazioni non sempre rivelano se certi suoni sono valutati come “buoni” o “cattivi” da un dato ascoltatore. I parametri che riguardano la qualità audio includono le capacità uditive, le preferenze personali, la posizione rispetto ai diffusori e le proprietà fisiche della stanza. Naturalmente, la valutazione soggettiva non è unica per l’audio digitale. Tuttavia, l’audio digitale aggiunge altri elementi al dibattito, come gli algoritmi di compressione con perdita e i modelli psicoacustici.

Tecnologie audio digitali

• Digital Audio Broadcasting (DAB)
• Digital audio workstation
• Lettore audio digitale

Tecnologie di archiviazione:

• Nastro audio digitale (DAT)
• Compact disc (CD)
• DVD DVD-A
• MiniDisc
• Super Audio CD
• vari formati di file audio

Interfacce audio digitali

Le interfacce specifiche per l’audio includono:

• AC97 (Audio Codec 1997) interfaccia tra circuiti integrati sulle schede madri dei PC
• Intel High Definition Audio Un sostituto moderno di AC97
• Interfaccia ADAT
• Interfaccia AES/EBU con connettori XLR
• AES47, Audio digitale professionale AES3 su reti Asynchronous Transfer Mode
• I²S (Inter-IC sound) interfaccia tra circuiti integrati nell’elettronica di consumo
• MADI Multichannel Audio Digital Interface
• MIDI interconnessione a bassa larghezza di banda per il trasporto dei dati degli strumenti; non può trasportare il suono
• S/PDIF, sia su cavo coassiale o TOSLINK
• TDIF, formato proprietario Tascam con cavo D-sub
• Bluetooth via A2DP

Naturalmente, qualsiasi bus digitale (come USB, FireWire e PCI) può trasportare audio digitale.

Vedi anche

• Compact Disc
• DVD
• Musica
• Suono

• Borwick, John. 1996. Sound Recording Practice, 4a edizione. Oxford: Oxford University Press. ISBN 0198166087.
• Ifeachor, Emmanuel C., e Barrie W. Jervis. 2002. Elaborazione digitale dei segnali: A Practical Approach, 2nd edition. Harlow, UK: Prentice Hall. ISBN 0201596199.
• Rabiner, Lawrence R., e Bernard Gold. 1975. Teoria e applicazione dell’elaborazione digitale del segnale. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. ISBN 0139141014.
• Stanley, William D., Gary R. Dougherty, and Ray Dougherty. 1984. Elaborazione digitale dei segnali. Reston, VA: Reston Pub. Co. ISBN 083591321X.
• Watkinson, John. 2005. The Art of Digital Audio, 3a edizione. Oxford: Focal Press. ISBN 0240515870.

Tutti i link recuperati il 23 ottobre 2017.

• Audio digitale. (Tutorial.)
• Introduzione alla computer music: Volume uno, capitolo cinque: Audio digitale.

Porta logica | circuito digitale | circuito integrato (IC)

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