Blog recording - Il campionamento digitale

Il Blog di Alessandro Fois. 


Il campionamento digitale.

Per poter essere utilizzata e manipolata all’interno della Daw, ogni sorgente elettroacustica entrante nel nostro sistema di registrazione deve essere convertita in un codice numerico contenente le informazioni della forma d’onda corrispondente e le sue variazioni nella traccia del tempo.

Questo processo è definito campionamento digitale (audio sampling).

La conversione A/D e D/A

Come sappiamo, la prima delle funzioni della DAW è la conversione A-D, cioè la conversione da segnale elettro-acustico analogico a codice acustico-digitale capace di conservare con la massima precisione possibile le informazioni del segnale originario.

Durante ogni fase della lavorazione, poi, al fine di poter effettuare il monitoraggio audio, una coppia di convertitori D-A trasformerà in tempo reale il codice digitale uscente in un segnale elettroacustico analogico, al fine di essere riprodotto dai monitor audio, permettendoci così di ascoltare ciò che stiamo facendo.

Risulta subito evidente che questi convertitori dovranno avere una qualità elevata, al fine di garantire la massima fedeltà nel doppio processo di conversione richiesto dal processo di campionamento digitale

La frequenza di campionamento

Il risultato della conversione A-D è definita “campionamento digitale” o “digital sampling”, in quanto la copia reale di un suono viene confezionata in piccoli pacchetti, ciascuno definito “sample”, avente una durata direttamente proporzionale alla frequenza di campionamento utilizzata durante l’operazione.

La cosiddetta frequenza di campionamento ci indica quindi quanti sample al secondo vengono utilizzati nel corso riproduzione audio, al fine di fornire al convertitore le coordinate di livello sonoro necessarie per “ri-disegnare” la forma d’onda in ciascun punto di sampling.

Ogni sample, infatti, contiene un pacchetto di informazioni (o coordinate) più o meno dettagliato al fine di definire le caratteristiche che l’onda sonora assume in quel punto.

Come certamente già sappiamo, le frequenze di campionamento utilizzate nell’audio professionale standard sono n.6, e si esprimono in kilo-hertz (Khz). 

Esse sono:

44.148.0 – 88.2 – 96.0 – 176.4 – 192.0

Delle suddette, le n.3 scritte in grassetto sono di gran lunga le più utilizzate.

  • La frequenza di 44.1 Khz è lo standard del campionamento del CD audio, è spesso utilizzata nelle sessioni di registrazione multi-traccia, è supportata anche dai vecchi registratori DAT ed è uno dei più utilizzati nella scrittura degli Mp3
  • La frequenza di 48.0 Khz è lo è lo standard utilizzato per la traccia audio dei DVD video, è anche la più utilizzata nelle sessioni di registrazione multi-traccia, è supportata anche dai vecchi registratori DAT ed è anch’esso molto utilizzata nella scrittura degli Mp3 e dei file audio AAC
  • La frequenza di 96.0 Khz, infine, è il miglior standard utilizzato per la traccia audio dei dischi Blue Ray video, è raramente utilizzata nelle nelle sessioni di registrazione multi-traccia a causa dell’alto dispendio di risorse imposte alla CPU, ai DSP e agli Hard Disk; tale frequenza di sampling è talvolta utilizzata in progetti con basso numero di tracce oppure in studi di registrazione dotati di grandi risorse DSP e di velocissimi SSD per lo storaggio audio; essa è a mio avviso da preferire per le sessioni di mastering

Le altre n.3 frequenze hanno poca utilità pratica in quanto:

  • La frequenza di 88.2 Khz può essere utilizzata con successo soltanto per operare il mastering, per i progetti da incidere su CD al fine di evitare le troncature dei Sample dopo il mastering nel campionamento finale a 44.1 Khz (è la metà esatta di 88.2 Khz, per cui il cambio di frequenza non produrrà troncature incommensurabili).
  • Le frequenze restanti (176.4 e 192.0 Khz) sono invece, secondo il mio parere e per i motivi già esposti al Capitolo 2, un esubero di qualità non necessaria, che posso consigliare di utilizzare soltanto per esportare mix da conservare o nel caso in cui si voglia operare un mastering ad altissima frequenza per minimizzare i problemi di ri-campionamento, a condizione di disporre in misura sufficiente di risorse DPS o CPU, al fine di assicurare una lavorazione agevole.
  • Ogni frequenza di campionamente inferiore ai 44.1 Khz non è definita professionale, in quanto non garantisce una risposta in frequenza standard, cioè sino ai 20.000 hz (la frequenza di campionamento deve essere infatti almeno doppia della più alta frequenza che si vuole riprodurre).

La questione dei Bit

Abbiamo detto che la frequenza di campionamento digitale stabilisce, per ogni secondo di ascolto del suono, la quantità di sample, in ciascuno dei quali vengono fornite al convertitore le necessarie coordinate per costruire la forma d’onda in quel punto.

E’ questo elemento che definisce quindi la cosiddetta risoluzione del suono, al pari dei pixel in ambito grafico e fotografico: più piccoli sono i pixel e più brevi sono i samples, e maggiore sarà la definizione. 

In ambedue i casi il risultato sarà raggiunto quando neppure l’occhio più attento sarà in grado di percepire la discontinuità dovuta alla “grana” del campionamento, percependo invece l’elemento visivo o sonoro come “continuo”.

In un sistema a 48 Khz, ad esempio, per ogni secondo di audio avremo 48.000 punti di definizione dell’onda sonora (chiamati appunto sample, campionamenti), che verrà ricostruita secondo le informazioni più o meno dettagliate fornite dai samples stessi.

Ma quale sarà l’accuratezza delle informazioni fornite da ciascun sample? Tali informazioni, infatti, possono essere più o meno ricche di dettagli (paragonabili in qualche modo alla profondità colore dei sistemi visivi grafico-fotografici) che, a loro volta, influiranno sulla fedeltà della copia digitale del suono originario.

Tale accuratezza è definita dal numero dei Bit.

I bit del campionamento utilizzano il sistema binario, per cui avremo:

  • 1 bit = 2 informazioni
  • 2 bit = 4 informazioni
  • 3 bit = 8 informazioni
  • 4 bit = 16 informazioni (e 24 db di dinamica utile)
  • 5 bit = 32 informazioni
  • 6 bit = 64 informazioni
  • 7 bit = 128 informazioni
  • 8 bit = 256 informazioni (e 48 db di dinamica utile)

I primi sistemi di campionamento digitale del suono erano appunto ad 8 bit, capaci di definire una qualità sonora appena “passabile”, ben lontana da quella attuale.

Le cose sono andate migliorando quando lo standard è stato incrementato a: 

  • 12 bit = 4.096 informazioni (e 72 db di dinamica utile)

Sino ad arrivare finalmente a:

  • 16 bit = 65.536 informazioni (e 96 db di dinamica utile, quanto basta per rendere fruibile con buona precisione ed efficacia ogni contrasto dinamico utile, reale o musicale)

Il sistema a 16 bit è lo standard del CD audio e, in generale, della musica registrata in forma di master.

IL DVD e il Blue Ray, invece, utilizzano il più recente standard a:

  • 24 bit = 16.777.216 informazioni (e 144 db di dinamica utile)

Nelle  sessioni multi-traccia, durante la manipolazione audio, oramai si utilizza sempre il campionamento a 24 bit (o addirittura a 32 bit) per i motivi che vedremo qui di seguito.

Tirando le somme

E’ evidente il notevolissimo incremento di dinamica e di dettaglio apportato al suono con gli incrementi di numero di bit e delle frequenze di campionamento digitale.

Occorre però soffermarci su alcune considerazioni di ordine pratico:

  • Numerosi test di seria attendibilità (vedi Capitolo 2) hanno dimostrato in maniera inconfutabile che nessun ascoltatore, per quanto sensibile, attento e competente sia (in qualità di musicista, fonico, audiofilo o altro), è risultato in grado di discernere tra una registrazione a 16 bit e la medesima a 24 bit, così come nessuno di tali ascoltatori è stato mai in grado di riconoscere alcuna differenza tra una registrazione alla frequenza di 44.1 Khz e la medesima registrata a frequenze superiori.
  • Ne consegue che la qualità indotta da un alto numero di bit superiore a 16 e da un’alta frequenza di campionamento superiore a 44.1 Khz sono entrambe non apprezzabili dall’orecchio umano.
  • La scelta di una alta frequenza di campionamento, e ancora più di un alto numero di bit, è quindi giustificabile soltanto nel corso delle sessioni di lavoro (quindi nel mixing multi-traccia e nel mastering), in quanto l’elevato numero di manipolazioni necessarie per plasmare il suono e missarlo, possono indurre delle lievi degradi della qualità dello stesso, che si manifesteranno in misura notevolmente ridotta e quindi mai apprezzabile soltanto utilizzando alti valori sia di bit che di frequenza di sampling.
  • La sessione di recording e di mix, inoltre, permetterà l’utilizzo della altissima escursione dinamica messa a disposizione dal campionamento a 24 bit, i cui 48 db in esubero rispetto ai sistemi a 16 bit permetterà di poter utilizzare livelli di segnale di intensità medio-alta durante le manipolazioni, evitando di incorrere in cadute dinamiche o rumore di fondo, come poteva succedere nei sistemi a 16 bit nei quali era infatti d’obbligo lavorare sempre a livelli molto elevati, similmente al processo analogico multi-traccia
  • il raddoppio della frequenza di campionamento raddoppia la grandezza dei file audio (un file a 192 Khz ha una dimensione quadrupla rispetto all’analogo scritto a 48 Khz), e richiede quindi, per le sessioni con molte tracce, HD molto veloci oppure un sistema costituito da più HD-SSD d’uso contemporaneo, inoltre anche le risorse del computer e/o delle DSP sono messe a dura prova nelle medesime proporzioni e anche oltre; un file audio a 24 bit, invece, è in esubero di grandezza soltanto di n.1,5 volte rispetto all’equivalente file a 16 bit, e non richiede quindi un grande sforzo supplementare per le risorse della CPU e delle DSP
  • Ne consegue che ormai sarà consigliabile lavorare sempre a 24 bit per ottimizzare il dettaglio e la dinamica; sarà invece consigliabile scegliere una frequenze di campionamento più elevata (sino a 96 Khz) soltanto per progetti a basso numero di tracce (compreso il mastering) o se si può disporre di uno studio con grandissime risorse DSP e, in ogni caso, per progetti ad elevato budget.

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