Frequenza di campionamento: Come funziona

La frequenza di campionamento è un parametro che ritroviamo tra le impostazioni dei nostri dispositivi audio, spesso però non tutti conoscono il suo significato e la sua funzione. In questo articolo andremo a scoprire che cos’è la frequenza di campionamento e a cosa serve.

La frequenza di campionamento è la velocità con cui un convertitore campiona o misura un segnale da analogico a digitale. Questo parametro, unito alla profondità di bit, ci consente di migliorare l’ascolto e l’acquisizione tramite i nostri dispositivi audio, come le schede audio.

L’informazione che viaggia attraverso il nostro PC parla una lingua binaria formata da tanti 0 e 1, tipica di tutti i dispositivi digitali. Per emettere un suono è però necessario immettere della tensione elettrica nelle nostre casse. Questa operazione di “traduzione” da un segnale digitale a uno analogico, e viceversa, viene gestita dai convertitori di segnale.

Le schede audio, dotate di questi convertitori, hanno il compito di leggere un segnale analogico (continuo) e di tradurlo o campionarlo in un segnale digitale (discreto). Il mondo digitale è un dominio così detto discreto in quanto ammette valori interi limitati in un intervallo.

Come scegliere la frequenza di campionamento migliore

Tutte le frequenze di campionamento offerte dalle schede audio consentono una corretta riproduzione e acquisizione di un segnale audio. La differenza tra le possibili configurazioni di frequenza di campionamento e profondità di bit, sta nella quantità di informazioni che il tuo pc deve elaborare e quindi nella quantità di operazioni che deve effettuare. In altri termini, maggiore sarà la frequenza di campionamento maggiori dovranno essere le prestazioni di un processore.

Quando selezioniamo una frequenza di campionamento di 44.100 Hz (Hertz) stiamo elaborando un segnale che viene campionato 44.100 volte in un secondo. Ciò significa che per ogni secondo di registrazione avremo 44.100 campioni. Sapevi che la frequenza di 44.100 Hz è lo standard dei CD audio? C’è una spiegazione al perché di questo numero.

intervallo delle frequenze udibili dall'essere umano
Intervallo delle frequenze udibili dall’essere umano

La frequenza di campionamento ideale, secondo il teorema del campionamento di Nyquist-Shannon, deve essere maggiore del doppio della frequenza massima di un determinato intervallo. Nel caso di un segnale sonoro, l’intervallo di frequenze che prendiamo in considerazione fa riferimento alla banda di frequenze percepibile dall’udito umano, che si stima tra i 20 Hz e i 20.000 Hz. Ecco che i conti tornano! La frequenza di campionamento minima adottata dalle schede audio è infatti di 44.100 Hertz, ovvero più del doppio della frequenza massima percepibile dall’uomo.

Considerando che lo standard nel mercato della musica è stato per anni il Compact Disc, non stupisce che la frequenza di campionamento a 44.100 sia più che valida per un uso comune. Se stai lavorando invece con l’audio, aumentare la frequenza di campionamento ti permetterà di:

  • campionare più informazioni del tuo segnale audio e quindi avere un’immagine del tuo segnale audio più ricca
  • aumentare le risorse necessarie per elaborare i segnali
  • migliorare la qualità degli effetti sonori
  • migliorare la qualità di operazioni di alterazioni del tempo e del tono (time-stretching e pitch-shifting)

Frequenza di campionamento e profondità di bit

Parallelamente alla frequenza di campionamento troviamo un altro parametro che è la profondità di bit o bit depth. Se la frequenza di campionamento ci consente di ricostruire le forma d’onda di un determinato segnale, la profondità di bit ci permette invece di ricostruire la dinamica dei nostri campioni.

massima configurazione dei supporti ottici per frequenza di campionamento e profondità di bit
Configurazione massima ottenibile dai supporti ottici

La profondità di bit rappresenta la quantità di bit di informazioni presenti in ogni campione. Tra gli esempi più comuni troviamo:

  • CD audio, registrato a 16 bit
  • DVD audio, registrato fino a 24 bit

In ogni bit abbiamo 2n possibili soluzioni. Nel caso dei dischi audio a 16 bit abbiamo dunque 216 valori ovvero, 65.536 livelli per rappresentare la dinamica del nostro campione. Maggiore sarà la profondità di bit, migliore sarà il modo con cui verrà rappresentata la dinamica del nostro segnale audio. Le schede audio, convertono questi livelli da bit in mV (millivolt) per consentire l’invio di una tensione elettrica e quindi la riproduzione sui nostri diffusori.

La profondità di bit non influisce sulla frequenza massima riproducibile, definita dalla frequenza di campionamento ma sull’intervallo dinamico e sul rapporto segnale rumore.

Scegliere la migliore scheda audio

Le componenti più importanti di una scheda audio sono i convertitori, in quanto a secondo della loro qualità costruttiva, permettono di riprodurre un segnale fedele all’originale. Dei convertitori di buona qualità hanno un basso errore di rappresentazione del segnale.

In pratica, quando il segnale analogico viene trasformato in un numero intero codificato in codice binario, a causa dei limiti costruttivi delle attuali tecnologie, si tiene conto di un errore (errore di quantizzazione), il quale rappresenta l’incertezza con cui è possibile ricostruire la tensione analogica in ingresso.

Sul mercato è facile trovare schede audio che soddisfino l’uso più comune in ambito casalingo, se ovviamente si vuole investire sulla qualità di acquisizione e di riproduzione, è necessario acquistare schede audio di fascia alta.

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Chi è Nils Lewin
Mi chiamo Nicola Bombaci alias Nils Lewin, sono un ingegnere informatico con la passione per la musica e l’audio. Durante la mia crescita professionale ho deciso di fondere questi due mondi apparentemente diversi tra loro.
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