Suono digitale 3.0

ITP Sergio Capone

Il suono

Il suono (dal latino sonus) è la vibrazione prodotta da un corpo in oscillazione.

Tale vibrazione, propagatasi nell'aria o in un altro mezzo elastico, raggiunge l'orecchio che, tramite un complesso meccanismo interno, è responsabile della creazione di una sensazione "uditiva" direttamente correlata alla natura della vibrazione.

Il suono e l’orecchio umano...

• In natura il campo di onde udibili si estende da 0 a 22,05 kHz. (infrasuoni, suoni, ultrasuoni)

• L’orecchio umano, al contrario, può percepire suoni compresi tra 20 e 20.000 Hz. e quindi con frequenze nella gamma generabile anche da un comune altoparlante di un personal computer.

Suono e audio digitale

Il modo più semplice, per generare un suono digitale, è generare in uscita dal timer del PC un’onda quadra della frequenza voluta che, alternando valori bassi a valori alti, consente di mantenere costante la frequenza di vibrazione di una membrana, per esempio nell’altoparlante di un PC.

L’audio digitale considera la gestione del suono in funzione del tempo (flusso).

Altoparlante del PC

• Grazie al “timer” è possibile generare tutte le frequenze tra 18,2 Hz e 1,2 MHz

• In linea di massima, i costruttori di altoparlanti per PC fanno riferimento ad una precisa tabella di frequenze in cui l’indice rappresenta l’ottava di appartenenza della nota rispetto alla scala musicale internazionale.

Tabella di frequenze standardper P.C. (16,35 Hz. / 3951,07 Hz.)

La scheda audio ...

è dotata in genere di 4/5 prese:• Entrata (verso trasduttori di Input)

– MIC (microfono)– LINE IN (digitalizzazione audio esterno)

• Uscita (verso trasduttori di Output) – LINE OUT (audio per registrazione)– SPEAK (altoparlanti esterni)– S/P DIF (Sony/Philips Digital Interface Format)

L’hardware

Una comune scheda audio

Colori

Colore Funzione

  Rosa Entrata analogica per il Microfono.

  Azzurro Entrata analogica.

  Verde Uscita stereo principale (per cuffie o altoparlanti frontali).

  Nero Uscita per gli altoparlanti posteriori (nei sistemi surround).

  Argento Uscita per gli altoparlanti laterali (nei sistemi surround).

  ArancioneUscita digitale S/PDIF (a volte utilizzata come uscita analogica per il subwoofer).

La digitalizzazione (Mic o Line In)

1. Il suono è un’onda di pressione che viene trasformata dal sistema emittente in una analoga onda di tensione elettrica.

2. Il valore di questa onda viene campionato con una certa frequenza, e ogni valore viene convertito a 8/16 bit da un ADC (Analog Digital Converter).

La digitalizzazione (Mic o Line In)

3. l’ADC invia le informazioni digitali ad un processore DSP (Digital Signal Processor) che ha funzioni di elaborazione del suono, tra cui il livello di compressione.

4. il DSP invia i dati alla CPU che di norma memorizza su disco, senza compressione, in un PC Intel (Microsoft) il software crea un file nel formato .WAV standard de facto per tutti in un PC Motorola (Mac) un file .AIFF

Riproduzione digitale di un file Wave

1. la CPU legge il file dal disco e lo invia al processore DSP sulla scheda sonora.

2. il DSP, se necessario lo decomprime, lo elabora inviando i dati al DAC (Digital Analog Converter), che ricostruisce l’onda di tensione originaria, e la invia amplificandola all’altoparlante.

3. L’altoparlante riproduce il suono originario.

Il teorema di Nyquist-Shannon

• Se una grandezza funzione del tempo (segnale) viene campionata ad una frequenza doppia della massima frequenza che compone il segnale, non si ha perdita di informazione nella trasformazione come sequenza di codici binari.

Così, considerando i limiti da 0 a 22,05 kHz, il campionamento ottimale è di 44,1 kHz.

I limiti del campionamento

• Il numero di bit utilizzati nel campionamento determinano anche proporzionalmente l’errore che otteniamo.

• In genere 16 bit sono ritenuti sufficienti in quanto: 216 = 65.536 livelli di segnale.

• 16 bit però, come è facile immaginare, utilizzano molta memoria e necessitano di un notevole numero di calcoli.

Compact Disc digital audio

• I CD audio contengono:

a) suono campionato a 44,1 kHz stereofonico a 16 bit

b) il formato CD contiene 600 Mbyte utili• I CD audio, sono in grado di

memorizzare:

circa 70 minuti di musica con una qualità che rimane inalterata nel tempo.

I limiti del file Wave

• Dati i problemi di memoria utilizzata dai file PCM (waw) è nata nel 1981 la tecnologia MIDI (Musical Instruments Digital Interface).

• MIDI, indica il protocollo standard per l'interazione degli strumenti musicali elettronici (anche tramite un computer).

doppio click sull’icona dell’altoparlantino

Il file MIDI

• Questo standard memorizza nel file particolari istruzioni che indicano i timbri delle diverse parti (traccie) che compongono un brano musicale, le singole note dei vari strumenti con i valori di volume e durata più un segnale di sincronia per gli strumenti e gli effetti speciali.

...e la loro creazione

• I file MIDI sono costruiti da particolari strumenti chiamati SEQUENCER MIDI

• I sequencer MIDI sono strumenti implementabili via software.

• I file MIDI possono memorizzare intere canzoni in pochi Kbyte

• Il karaoke è un’estensione del MIDI.

Riproduzione MIDI

In lettura le istruzioni MIDI vengono interpretate dal processore DSP della scheda che riconosce strumenti e note e ne ordina la riproduzione, questa può avvenire con due diverse tecnologie:

• Sintetizzatore a modulazione di frequenza

• Sintesi WaveTable

Sintesi WaveTable

• La tecnologia ora più usata: i suoni vengono generati usando (o modificando) campioni sonori precedentemente digitalizzati dei vari strumenti, conservati in una apposita memoria della scheda sonora.

• I risultati che si ottengono sono di un maggior realismo del suono.

L’evoluzione degli standard MIDI

Lo standard MIDI è però uno standard legato allo strumento, il suo sviluppo ha quindi portato a slegare il file dallo strumento stesso creando così i file MIDI indipendenti dalla piattaforma.

• il General MIDI (GM)

• e il più recente General Standard (GS)

MIDI e tecnica

• La velocità di trasmissione prevista dallo standard MIDI è di 31,25 Kbit/s al secondo.

• Si è quindi reso necessario progettare una inferfaccia appositamente a questo scopo l’interfaccia “storica” e più usata è la Roland MPU- 401(anche codec software), per il grande buffer di cui dispone.

Cavo MIDI ...

• I connettori IN/OUT MIDI sono inadatti per le ristrette misure delle schede audio

• La presa game port delle schede audio è stata così convertita nei PC a questa doppia funzione

… e connettori MIDI

I diffusori

Tecnicamente “casse acustiche” hanno indicazioni di potenza, cioè:

• la potenza dell’amplificazione è in Watt• la potenza del segnale sonoro è in Watt

musicali

Le due potenze devono essere correlate.

Inoltre le casse acustiche devono essere schermate.