Nozioni di base sul suono digitale Digital

Il suono è una vibrazione, un’onda, prodotta da tutti gli elementi del nostro ambiente, come un vetro quando si sbatte (e si scontra con un altro), come la porta quando si bussa con le nocche per bussare… E gli altoparlanti sono elettromeccanici sistemi che generano una vibrazione basata su una corrente elettrica e con cui riusciamo ad imitare il suono della natura, ad imitare quell’onda generata dagli elementi fisici del nostro ambiente. 

Alla fine dell’Ottocento Edison inventò il fonografo, che riusciva a trasferire quelle vibrazioni che viaggiano nell’aria (suono) ad un cilindro per poi riprodurle nuovamente. La registrazione consisteva nella vibrazione dell’aria facendo vibrare un ago di registrazione che segnava quella stessa onda su uno strato di alluminio che circondava il cilindro. Quindi, muovendo il cilindro con un ago di lettura, vibrava mentre passava attraverso la scanalatura che era stata precedentemente incisa. Questa vibrazione è ciò che l’ascoltatore ha finito per sentire. 

E fondamentalmente, è così che funziona un disco in vinile, che ha reso popolare il trasferimento della seconda metà del 20 ° secolo. 

Questo modo di registrare la musica è noto come analogico (al contrario del digitale). 

Suono analogico 

Il suono nel mondo reale è analogico, l’onda sonora ha valori infiniti, dettagli infiniti. Quando questa onda sonora viaggia in un solco su un cilindro o un disco, quel solco ha anche infiniti valori e dettagli. 

Il suono non veniva registrato da molti anni mettendo un cantante davanti a un fonografo. Man mano che l’industria progrediva, «elettrizzava» il processo. Ora il cantante o lo strumento generavano le loro onde davanti a un microfono, che convertiva quelle vibrazioni dell’aria in un’onda elettrica, che viaggiava attraverso un cavo fino a raggiungere un apparecchio audio, dove amplificava, filtrava, mescolava con il suono di altri microfoni… e alla fine viaggiava (elettricamente) verso un registratore, ad esempio un disco, e generava un solco che captava quella vibrazione. 

Il suono analogico non era solo memorizzato nei groove. Anche l’uso di nastri magnetici, che arrivarono sul mercato interno come «cassette», divenne popolare. Qui, invece di un solco, avevamo un nastro con particelle magnetiche che erano orientate secondo un magnete (testa) loro indicato. Poi, per ascoltare quella musica, bastava che il magnete (testa) facesse il processo opposto, lasciandosi guidare dal campo magnetico delle particelle del nastro.

E serviva anche per trasmettere il suono via cavo (telefono) o via radio, prima l’AM e poi, più sofisticata, l’FM che ancora oggi viene usata regolarmente. 

Problema audio analogico

Così come il suono analogico è in grado di raccogliere infiniti valori e dettagli, è anche infinitamente alterabile da qualsiasi elemento esterno.

Così, quando il suono viaggia sotto forma di segnale elettrico attraverso il cavo, dal microfono che lo ha captato, viene alterato dall’interferenza elettromagnetica nella stanza, generata da altri dispositivi (amplificatori, luci, cavi elettrici…) oltre che dalla resistenza elettrica del cavo stesso. 

Quando raggiunge il dispositivo ricevente che lo elabora, viene anche alterato dalle stesse interferenze e dall’apparecchiatura stessa. 

Quando si incide facendo una scanalatura, viene alterata dal materiale e dalla sua resistenza, dal materiale dell’ago, dal suo precedente utilizzo, ecc. Una volta registrato, il disco viene alterato toccandolo con le mani, suonandolo, toccando la puntina, l’ambiente, l’umidità, il calore… tutto sta alterando quella registrazione e quindi quel suono.

Se parliamo di nastri magnetici, l’alterazione delle informazioni è molto semplice: i campi magnetici degli altoparlanti, dei cavi o della luce solare, provocano l’alterazione delle informazioni, così come l’umidità dell’ambiente in cui sono conservate. 

Nel caso della trasmissione radio, l’esposizione a qualsiasi interferenza e modifica del suono è molto più elevata, motivo per cui è il mezzo che offre la minor qualità ed è il più sensibile. 

Per non parlare dell’ultima fase della catena: il team lo legge, lo amplifica, lo invia agli altoparlanti e agli altoparlanti stessi. 

Per questo motivo, la musica analogica di qualità richiede apparecchiature molto costose e di alta qualità per cercare di ridurre al minimo (solo ridurre al minimo, non eliminare) tutti questi effetti negativi. Ad esempio cavi schermati per cercare di ridurre le interferenze elettriche, connettori placcati in oro o cavi speciali per ridurre la resistenza, materiali molto costosi e di alta qualità…

L’altro grosso problema sono le copie: se copi il contenuto, il contenuto copiato non è più uguale all’originale, si è parzialmente deteriorato. Se quella copia viene fatta un’altra copia, si deteriora sempre di più. Questo era molto facile da vedere quando si copiavano i nastri VHS.

Suono digitale: risoluzione

Nel mondo digitale non ci sono grigi infiniti, c’è solo bianco e nero, sì o no, 1 o 0, senza possibilità intermedie. Questa unità minima di informazione è nota come bit [b]. Questo ha una serie di problemi e una serie di vantaggi. 

Poiché il mondo reale ha più di 2 suoni, due colori, due lettere… è necessario mettere insieme più bit e rappresentare così più possibilità. 

Se abbiamo 2 bit possiamo memorizzare 4 valori:

• 00 (0)
• 01 (1)
• 10 (2)
• 11 (3)

Se abbiamo 3 bit sarebbero 8 valori, 4 bit 16 valori… e così via. La pratica usuale consiste nell’usare gruppi di 8 bit, che sono chiamati byte [B].

Quando un segnale sonoro viene digitalizzato, l’onda viene campionata per vedere il suo valore in un momento specifico e quel valore viene convertito in un numero (il numero più vicino). Lugo viene ricampionato e il valore successivo viene memorizzato e così via. Questa funzione è svolta da un dispositivo noto come convertitore digitale analogico (ADC). 

A seconda del numero di bit che abbiamo, otterremo una risoluzione inferiore o superiore nella digitalizzazione. Ad esempio, se usiamo 2 bit potremmo registrare 3 livelli differenti (da 0 a 3). Più bit abbiamo, più livelli diversi possiamo avere e più sarà fedele alla realtà. 

Assumiamo un’onda sonora analogica che duri 1 secondo.

Digitalizziamo questa onda con una risoluzione di 2 bit e prendiamo 11 campioni in un secondo. Ciò significa che al massimo possiamo usare 4 valori diversi. 

Questo verrà memorizzato come una sequenza di 11 numeri (sono stati effettuati 11 campioni) di 2 bit ciascuno. 

Quando trasformiamo quelle informazioni in un’onda, dovremo lavorare con le informazioni che abbiamo memorizzato. Come puoi vedere, non assomiglia molto all’originale. 

Tuttavia, se ripetiamo il processo di digitalizzazione con 4 bit, ogni campione potrebbe avere un valore tra 16 possibili, il che rende l’onda più simile all’originale.

Il prezzo da pagare per questa maggiore risoluzione è lo spazio occupato nello storage. Con 4 bit occupiamo il doppio che con 2 bit. E aumenterà man mano che aggiungiamo più bit. 

Suono digitale: la frequenza di campionamento.

Il convertitore analogico-digitale prende un campione dell’onda in un momento specifico e lo converte in un numero. Ma memorizzare la musica è necessario per prelevare campioni dell’onda nel tempo. 

Come per la risoluzione, se prendiamo pochi campioni useremo pochi dati ma l’onda finale sarà molto diversa dall’originale. Se prendiamo molti campioni, l’onda assomiglierà di più all’originale ma occuperà più spazio.

Il teorema di Shannon dice che dobbiamo prendere almeno due campioni in ogni onda della frequenza più alta che vogliamo digitalizzare. Se vogliamo digitalizzare una frequenza di 1.000 Hz, dobbiamo almeno campionare due volte, a 2.000 Hz (o 2 kHz). 

Suono digitale: quale risoluzione e frequenza scegliamo?

Se vogliamo una qualità perfetta, cioè che memorizziamo un suono identico alla curva analogica, poiché la curva analogica ha infiniti livelli differenti e infiniti dettagli, è necessario che usiamo una risoluzione infinita. Inoltre, dovremmo campionare infinite volte in un secondo. È impossibile. Inoltre, su tutti i dischi rigidi del pianeta terra non ci sarebbe spazio sufficiente per memorizzare un secondo di suono. 

La cosa logica sarebbe cercare il valore sufficiente, cioè il valore minimo di risoluzione e frequenza di campionamento che rende il suono abbastanza buono che l’orecchio umano non è in grado di distinguerlo. Mettere di più non contribuisce a nulla, occupa solo spazio e larghezza di banda nella sua trasmissione.

Alla fine degli anni ’70 e all’inizio degli anni ’80 fu definito lo standard per il CD (compact disc), il primo sistema audio digitale di massa. A quel tempo, fu stabilito che la risoluzione adeguata per l’alta qualità sarebbe stata di 16 bit (65.536 valori diversi). Tuttavia, negli studi e in alcuni file digitali che vengono commercializzati, possiamo raggiungere risoluzioni di 24 o 32 bit. 

Per quanto riguarda la frequenza, si considera che l’orecchio umano (di un giovane che sente molto bene) è in grado di sentire da 20 Hz a 20.000 Hz (20 kHz) quindi dovremmo campionare almeno al doppio della velocità per rispettare. Quando il CD è stato definito si è convenuto che la cosa corretta da fare fosse campionare a 44,1 kHz. Ovviamente può essere campionato ad una frequenza più alta, come 48 kHz, 96kHz, 192 kHz… 

Quindi, lo standard di un CD è di assumere un valore compreso tra 65.536 possibili (16 bit, notate che nell’esempio abbiamo usato 4 bit che suppongono solo 16 combinazioni) e 44.100 volte al secondo.

I vantaggi del suono digitale

Sebbene abbiamo visto che il suono digitale non può mai avere la qualità teorica del suono analogico, è sufficiente superare la soglia di ciò che è percepibile dall’orecchio umano per poter avere una qualità uguale nella pratica.

Il grande vantaggio del suono digitale è che, a differenza dell’analogico, non è sensibile alle condizioni ambientali e non si deteriora. 0 non può essere convertito in 1 o 1 in 0 a meno che non incontriamo enormi interferenze. Inoltre, i sistemi digitali di solito dispongono di misure di rilevamento degli errori, in modo che se il lettore rileva che un suono è arrivato in modo errato, può richiedere che venga letto nuovamente. 

Pertanto, le informazioni possono viaggiare attraverso un cavo senza subire alcuna alterazione con materiali più semplici ed economici rispetto al suono analogico. Non sono necessari connettori speciali, solo che il cavo è in grado di trasmettere il volume di dati previsto. 

D’altra parte, puoi fare una copia esattamente uguale all’originale. Cioè, se l’originale dice 0011010 e la copia dice 0011010, la copia e l’originale sono perfettamente uguali. E così possono essere copiati dalla copia della copia della copia all’infinito senza perdere alcuna qualità. 

Pertanto, i vantaggi del suono digitale sono l’inalterabilità delle informazioni e la capacità di copiare senza perdita. Ovviamente se tagliamo a metà un CD, lo graffiamo o creiamo uno strato di muffa, non sarà leggibile, né zero né uno, ma sarà sempre molto più inalterabile delle informazioni analogiche. 

Uno dei punti in cui si ottiene una maggiore differenza è nella trasmissione via etere (radio) che consente di inviare informazioni senza alcuna alterazione, a differenza dei mezzi analogici. 

Qualcuno dirà: ma nel DTT (televisione digitale), ad esempio, a volte ci sono difetti o l’immagine. Questo perché in DTT non puoi chiedere all’emittente di inviarti le informazioni che ti sono arrivate in modo errato e quindi devi utilizzarle anche se non sono corrette. Ma se viene raggiunto un minimo di trasmissione corretta, l’immagine è la stessa che è stata inviata senza alcuna alterazione.