Codifica dei suoni Fisicamente un suono rappresentato come

Codifica dei suoni • Fisicamente un suono è rappresentato come un’onda che descrive la variazione della pressione dell’aria nel tempo (onda sonora) t • Sull’asse delle ascisse viene rappresentato il tempo e sull’asse delle ordinate viene rappresentata la variazione di pressione corrispondente al suono stesso

Codifica dei suoni • Si effettuano dei campionamenti sull’onda (cioè si misura il valore del segnale a intervalli di tempo costanti ∆t ) e si codificano in forma digitale le informazione estratte da tali campionamenti t Periodo di campionamento Tcamp ∆t • Quanto più frequentemente il valore di intensità del segnale viene campionato, tanto più precisa sarà la sua rappresentazione • Il numero di campioni raccolti per ogni secondo definisce la frequenza di campionamento f. Camp che si misura in Hertz (Hz)

Codifica dei suoni • La sequenza dei valori numerici ottenuti dai campioni può essere facilmente codificata con sequenze di bit (quantizzazione) Una approssimazione! t • La rappresentazione del segnale è tanto più precisa quanto maggiore è il numero di bit utilizzati per codificare l’informazione estratta in fase di campionamento

Codifica dei suoni (esempio) • Se volessimo codificare la musica di qualità CD dovremmo: – Usare due registrazioni corrispondenti a due microfoni distinti – Campionare il segnale musicale producendo 44100 campioni al secondo (44. 1 KHz) – Per ogni campione (che è un numero) si usano 16 bit per codificarlo Campionare a 16 bit vuol dire avere 216 valori da assegnare alla forma d’onda in quel punto (65356) – Per cui, il numero di bit che sarebbero necessari per codificare ogni secondo è pari a: 2 x 44100 campioni x 16 bit/campione = 1. 414. 200 bit ca. 172 k. Byte • Un brano di circa 3 minuti quindi occupa circa 35 MByte • Per facilitare la trasmissione in rete di flussi multimediali (sia audio e che video) si ricorre ad algoritmi di compressione

Riassumendo: per digitalizzare un segnale. . . . CAMPIONAMENTO: si estraggono ad intervalli regolari dei campioni del segnale. La frequenza con cui si estraggono i campioni è detta frequenza di campionamento (misurata in Hz). QUANTIZZAZIONE: si convertono i valori numerici che rappresentano le ampiezze del segnale (variabili in origine in un intervallo continuo) in un numero finito di valori. CODIFICA: Il segnale, dopo essere stato campionato e quantizzato, per poter essere utilizzato dall’elaboratore, deve ancora essere convertito in digitale, secondo un’opportuna codifica. (8 oppure 16 bit)

Segnali audio - Campionamento • Esiste una frequenza di campionamento (detta valore di Nyquist) che garantisce la ricostruzione fedele del segnale. • Teorema Nyquist - Shannon : Il segnale può essere ricostruito completamente se è stato campionato ad una frequenza Fc maggiore del doppio della frequenza della componente del segnale di frequenza più alta f. M (Fc >= 2 f. M) • Es. l’orecchio umano è in grado di percepire frequenze tra i 20 Hz e i 22 KHz la frequenza di campionamento per l’audio (limite di Nyquist) si pone quindi attorno ai 44 KHz.

Larghezza di Banda • La larghezza di banda (di una trasmissione, di un segnale o di un canale di comunicazione) è la velocità di trasmissione dell'informazione. • Nel caso delle comunicazioni digitali la banda si misura direttamente in bit al secondo (kbit/s, Mbit/s ecc. ), mentre per le comunicazioni analogiche la banda si misura in modo indiretto, ed è data dall'intervallo di frequenze occupato dal segnale: per esempio, una comunicazione telefonica analogica occupa le frequenze che vanno da 300 a 3400 Hz, quindi ha una banda di 3100 Hz (cioè 3400 - 300). • L'intervallo di frequenze è strettamente correlato alla quantità di informazione che può fluire attraverso un canale, in base al teorema del campionamento di Nyquist-Shannon.

Il teorema del campionamento di Nyquist-Shannon (1949) definisce il minimo della frequenza di campionamento di un segnale, necessario per evitare distorsioni dello stesso. Dato un segnale, con larghezza di banda finita e nota, la frequenza minima di campionamento di tale segnale deve essere almeno il doppio della sua massima frequenza: Fc >= 2 f. M Il campionamento è un passo del processo di conversione analogico-digitale di un segnale. Consiste nel prelievo di campioni (samples) da un segnale analogico e continuo nel tempo ogni t secondi. t è l'intervallo di campionamento, mentre Fc=1 campionamento (es. 1 k. Hz 1/1. 000 s = 1 ms) / t è la frequenza di

Simulazione di un Segnale sinusoidale a frequenza 27 Hz campionato con differenti frequenze di Campionamento (Sample) fc=37 fs fc=1 KHz fc=10, 5 fs fc=333 Hz fc=1, 8 fs fc=50 Hz fc=110 Hz . . Un errato campionamento ha generato una frequenza differente da quella del segnale (freq. di aliasing)

PRODUZIONE DEL SUONO • L’orecchio umano riesce a udire suoni da 20 Hz a 20 KHz con una sensibilità maggiore nell’intervallo tra 2 e 4 KHz • (la voce umana varia da 500 Hz a 2 KHz) • Per il teorema di Shannon e Nyquist la frequenza di campionamento di un’onda sonora deve essere doppia rispetto alla massima frequenza da riprodurre per ottenere una conversione completa del segnale analogico • Alla qualità audio CD la frequenza di campionamento è di 44. 1 KHz (il doppio di 22. 05 KHz) • Campionare a 16 bit vuol dire avere 216 valori da assegnare alla forma d’onda in quel punto (65356) • Campionare a 8 bit vuol dire averne solo 256

PRODUZIONE DEL SUONO • Per la voce un campionamento accettabile è di 8 bit a 22 KHz • 10 sec di audio digitale stereo a 44. 100 Hz equivalgono a 1. 764. 000 byte (1, 68 Mb) per questo motivo in un Cd audio trovano posto solo circa 70 min di musica • Formati audio: • Wave (. wav) formato nativo di Microsoft Windows • MP 3 MPEG(Motion Picture Expert Group) layer 3 Usa un complesso algoritmo di compressione basato sulla fisiologia dell’orecchio (mascheramento) che riduce l’occupazione dei file da un minimo di 12 a 1 fino ad un massimo di 96 a 1 • Real Audio (Real Networks) formato per lo streaming audio/video • AIFF utilizzato da Apple in Quick. Time • MIDI – Codifica le note e gli strumenti che devono eseguirle – Efficiente, ma solo musica, non voce, scarsa qualità del suono

Convertitori Analogici Digitali (ADC) e Digitali Analogici (DAC)

Dispositivi di codifica (ADC) Cavo elettrico 1 Trasporta il segnale elettrico analogico fino al ADC Suono onda di pressione dell’aria Analog to Digital Converter Cavo elettrico 2 Trasporta il segnale elettrico digitale verso il computer Microfono Converte il suono in segnale elettrico Analog to Digital Converter Quantizzazione Campionamento Segnale analogico Segnale campionato 10001001010001 Segnale digitale

Dispositivi di codifica (DAC) • Esiste anche il processo inverso, che trasforma l’informazione da digitale ad analogica. Nel caso del suono questo compito è svolto dal D. A. C. (Digital to Analog Converter) che trasforma il segnale digitale in segnale elettrico analogico; tale segnale viene successivamente trasformato in onda sonora dalle casse acustiche. Cavo elettrico 1 Trasporta il segnale elettrico digitale verso il DAC Digital to Analog Converter Cavo elettrico 2 Trasporta il segnale elettrico analogico fino alla cassa Cassa Acustica Trasforma il segnale elettrico analogico in suono Suono onda di pressione dell’aria

Digitale Analogico

Analogico Digitale

Bitrate • Nell’ambito multimediale il bitrate rappresenta la quantità di informazione che è memorizzata/trasmessa per unità di tempo. • Tipicamente il bitrate è scelto in modo tale da ottimizzare due parametri contrastanti come la qualità del materiale multimediale e la quantità di banda occupata Audio (MP 3) • 32 kbit/s — MW (AM) qualità • 96 kbit/s — FM qualità Video (MPEG 2) • 16 kbit/s — Videochiamata • 128 – 384 kbit/s — Videoconferenza • 1 Mbit/s — VHS qualità • 5 Mbit/s — DVD qualità • 15 Mbit/s — HDTV qualità

Supporti digitali a tecnologia ottica La scrittura e lettura di un supporto ottico si basa sulla tecnologia laser: Il disco è costituito di un materiale riflettente che presenta delle incisioni (zone opache) sulla superficie. Un raggio laser, attraverso un sistema di lenti, viene diversamente riflesso (zone incise o no). Tramite un prisma il raggio riflesso viene deviato su una cellula fotoelettrica che rileva il fascio e produce una sequenza di cifre binarie.

Supporti digitali a tecnologia ottica

Supporti digitali a tecnologia ottica

Supporti digitali a tecnologia ottica Compact Disk (CD) 650 MByte (si utilizza una sola faccia) Digital Versatile/Video Disk (DVD) 9 – 17 GByte (25 volte la capacità di un CD) Sono esteriormente simili (diametro 120 mm e spessore 12 mm)

Supporti digitali a tecnologia ottica (CD) Compact Disk – Read Only Memory (CD - ROM) (scrivibile ma non riscrivibile) Compact Disk – Read Write (CD-RW) (riscrivibile n volte) Compact Disk – Audio (CD-Audio) (utilizzato per la musica)

Formati file audio (non compressi) Wav Utilizzato su sistemi operativi Microsoft Windows. Valori consentiti: Frequenza di campionamento: 11 KHz, 22 KHz o 44 KHz Livelli di quantizzazione: 8 bit o 16 bit Numero di canali: 1 o 2 (stereofonia) Queste informazioni sono contenute nel file, ma restano trasparenti all’utilizzatore. Svantaggio: Dimensioni eccessive: milioni di bit per qualche minuto di musica!

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