Capire le Basi dei File Audio Digitali

Se hai la fine dei 40 anni o più, allora probabilmente sei cresciuto con un giradischi o un lettore a cassette in casa come modo per ascoltare musica acquistata. Tra il 1982 e il 1983, il compact disc entrò nel mercato e cambiò per sempre il modo in cui la musica veniva memorizzata e trasportata. In questo articolo, vedremo come funziona l'audio digitale e sfateremo alcuni dei miti intorno alla conversione tra i domini analogico e digitale.

Cos'è l'Audio Digitale?

In termini più semplici, un file audio digitale è una rappresentazione di un segnale analogico usando una serie di parole digitali. Nel dominio digitale, cioè un computer, l'informazione può essere memorizzata come un 1 o uno 0.

I computer possono combinare stringhe di 1 e 0 per rappresentare caratteri in un documento di testo, colori in una fotografia, comandi in un programma o livelli di tensione in un file audio.

Per decenni, lo standard per memorizzare l'audio nel dominio digitale è stato lo standard Red Book Compact Disc Digital Audio (CD-DA) di una frequenza di campionamento di 44,1 kHz con una profondità di 16 bit.

La frequenza di campionamento descrive quanto spesso un livello di tensione viene misurato e memorizzato. Per catturare l'intero spettro udibile del suono, il teorema di campionamento Nyquist-Shannon afferma che la frequenza di campionamento deve essere almeno due volte più alta della frequenza più alta che vuoi registrare perché possa essere ricreata con accuratezza.

La seconda considerazione nella conversione di un segnale analogico al dominio digitale è la necessità di memorizzare un'adeguata quantità di risoluzione per rappresentare correttamente il segnale originale. Lo standard Red Book usa una lunghezza di parola digitale di 16 bit. Ciò significa che c'è una stringa di 16 1 e 0 che può essere usata per rappresentare 65.536 livelli di tensione. Se stai convertendo l'output di un microfono in digitale, e la tensione massima è 1 volt, allora una risoluzione di 16 bit significa che la risoluzione è 0,000015258789 volt. Questo è un sacco di dettaglio.

Infine, lo standard Red Book afferma che due canali audio saranno campionati simultaneamente per creare una registrazione stereo.

Un Po' di Matematica Veloce sull'Audio Qualità CD

Per gli interessati, è facile calcolare il bitrate effettivo di un file audio qualità CD. Poiché campioniamo il segnale audio 44.100 volte al secondo, e ogni campione ha un livello di tensione rappresentato da una parola a 16 bit, e lo facciamo per due canali, 44.100 per 16 per due è 1.411.200, o 1.411 kilobit al secondo.

Per calcolare quanto spazio ci vorrebbe per memorizzare una canzone come "Bohemian Rhapsody" dei Queen, puoi semplicemente moltiplicare 1.411.200 per il numero di secondi nella canzone (in questo caso, 355 secondi) per un totale di 500.976.000 bit, o circa 60 megabyte di dati.

Come Vengono Creati i File Audio Digitali?

Un dispositivo chiamato convertitore analogico-digitale (ADC) è responsabile per prendere il segnale analogico e convertirlo in un valore rappresentato digitalmente. Questi dispositivi sono comuni e si trovano collegati al microfono nel tuo smartphone o al microfono Bluetooth nella tua auto. Sono incredibilmente compatti e, rispetto a quando furono introdotti per la prima volta, economici.

Gli ADC funzionano in diversi modi, ma descriveremo le basi. Immaginate, se volete, una serie di interruttori comparatori, ciascuno impilato uno sopra l'altro e referenziato a una tensione sempre crescente. Manterremo l'esempio semplice e diremo che abbiamo otto interruttori, ciascuno dei quali si attiva a incrementi di 0,125 volt. Se alimentiamo un segnale analogico nel nostro albero di interruttori comparatori con un livello di 0,3 volt, i due interruttori inferiori si accenderanno, e otterremo la parola digitale 0010 (che è 2). Se aumentiamo la tensione a 0,8 volt, attiveremo tutti tranne gli ultimi due interruttori e otterremo la parola 0110 (che è 6).

Contare in Digitale

Contare in digitale è facile, una volta che capisci come funziona. Ogni spazio in una parola digitale rappresenta un valore di 2 alla potenza della posizione. Quindi, il primo spazio è 2 alla potenza di 0, che è 1. Il secondo spazio è 2 alla potenza di 1, che è 2, il prossimo spazio è 2 alla potenza di 2 che è 4, e così via.

2^0 = 1 | 2^1 = 2 | 2^2 = 4 | 2^3 = 8

Per codificare un valore usando questo formato, semplicemente assegniamo un 1 o uno 0 a ogni segnaposto in modo che la somma dei valori rappresentati dai segnaposti con un 1 rappresenti il valore originale.

0000 = 0 | 0001 = 1 | 0010 = 2 | 0011 = 3 | 0100 = 4

0101 = 5 | 0110 = 6 | 0111 = 7 | 1000 = 8

Nel nostro esempio sopra, stiamo usando una risoluzione molto bassa di 3 bit, il che significa che possiamo mostrare solo otto livelli diversi. Questa risoluzione limitata, ovviamente, introduce un certo errore – noto come errore di quantizzazione. La matematica può diventare molto complicata molto rapidamente. Basti dire che nel nostro esempio, il nostro digitalizzatore teorico non sa la differenza tra una tensione di 0,63 e 0,73 volt. Questo è un grande errore e non funzionerebbe in un tentativo di campionare audio. Fortunatamente, la nostra risoluzione a 16 bit ci dà 65.536 livelli tra cui scegliere.

Che Dire di Quei Grafici a Gradini Pazzi?

Avete senza dubbio visto immagini di marketing che mostrano un confronto della risoluzione audio qualità CD versus audio ad alta risoluzione 96 kHz, 24 bit.

Mentre il concetto di avere una frequenza di campionamento più alta e più risoluzione è accurato, non significa che il segnale audio qualità CD soffra in alcun modo.

Per dimostrare questo, abbiamo creato due toni di prova a 20 kHz in Adobe Audition. La prima traccia ha una frequenza di campionamento di 96 kHz e una risoluzione di 24 bit.

Come potete vedere, la forma d'onda appare liscia e dettagliata e mostra circa cinque campioni per ciclo.

La seconda traccia è la stessa onda sinusoidale a 20 kHz memorizzata a una frequenza di campionamento di 44,1 kHz e una risoluzione di 16 bit.

Come potete vedere, non c'è differenza significativa nella forma delle due forme d'onda. Ancora più importante, entrambe sembrano onde sinusoidali e nessuna ha gradini in esse.

Capire l'Audio Digitale

Memorizzare il segnale audio nel dominio digitale offre distinti vantaggi di packaging e affidabilità rispetto ai supporti di memorizzazione analogici come dischi in vinile e nastri magnetici. Naturalmente, i file digitali non si degradano nel tempo. I file digitali sono anche impermeabili a problemi di velocità di riproduzione. Se il tuo giradischi o lettore a cassette sta suonando troppo lentamente, la musica non suonerà bene.

In un articolo futuro, vedremo le opzioni di formato file disponibili per memorizzare file audio digitali. Fino ad allora, assicurati di passare dal tuo rivenditore specializzato locale in miglioramenti mobile per vedere tutti gli ultimi aggiornamenti di unità sorgente compatibili con media digitali disponibili per la tua auto, camion o SUV.