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Audio analogico: tensione positiva e negativa

Un microfono converte le onde di pressione del suono in variazioni di tensione in un filo: una pressione elevata diventa una tensione positiva e una pressione bassa diventa una tensione negativa. Quando queste variazioni di tensione si spostano lungo un filo di un microfono, è possibile registrarle su nastro come variazioni di intensità magnetica oppure su dischi in vinile come variazioni della dimensione dei solchi. Un altoparlante funziona come un microfono al contrario, in quanto riceve i segnali in tensione da una registrazione audio e vibra per ricreare l’onda di pressione.

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Audio digitale: sequenze di zero e uno

A differenza dei sistemi di memorizzazione quali i nastri magnetici o i dischi in vinile, i computer memorizzano le informazioni audio in modo digitale come una serie di zero e di uno. Nella memorizzazione digitale, la forma d’onda originale viene suddivisa in singole istantanee chiamate campionamenti. Normalmente questo procedimento è noto come digitalizzazione o campionamento dell’audio, ma talvolta è detto conversione da analogica a digitale.Quando registrate da un microfono a un computer, ad esempio, i convertitori analogico-digitale trasformano il segnale analogico in campionamenti digitali che possono essere memorizzati ed elaborati dal computer.

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La frequenza di campionamento indica il numero di istantanee al secondo prelevate da un segnale audio. Questa frequenza determina l’intervallo di frequenza di un file audio. Maggiore è la frequenza di campionamento, più la forma della forma d’onda digitale sarà vicina a quella della forma d’onda analogica originale. Basse frequenze di campionamento limitano l’intervallo di frequenze che è possibile registrare, cosa che a sua volta può generare una registrazione che riproduce male il suono originale.

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I formati musicali digitali sono tanti, ed ognuno ha delle caratteristiche specifiche. La discriminante principale è il grado di compressione di ciascuno. Per “grado compressione” si intende una maggiore o minore sottrazione di informazioni rispetto al file originale (quello che è registrato sui CD, per intenderci).

I formati audio compressi usano algoritmi molto evoluti per stabilire cosa togliere e cosa tenere del file originale che devono comprimere. Alcuni interventi classici sono il taglio di frequenze molto alte e molto basse, quello di suoni deboli quando vi si sovrappongono suoni molto più forti e, in generale, l’eliminazione delle informazioni relative a suoni che, in base ad approfonditi studi di psicoacustica, per un motivo o per un altro non vengono percepiti dall’orecchio umano medio.

Tanto maggiore è la quantità di compressione applicata, tanto più piccolo sarà il file risultante, e tanto maggiore sarà anche la perdita di qualità. I formati musicali compressi più utilizzati, che sono AAC ed MP3, hanno avuto grande diffusione perché, a fronte di un dimagrimento dei file originali del 90% circa, eliminano informazioni in modo “intelligente”. La qualità dei file compressi in questi formati, quindi, è  soddisfacente per la maggior parte delle persone che ascoltano musica.

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Un codec audio è un dispositivo hardware o software sviluppato per descrivere ovvero codificare un flusso di dati audio sotto forma di dati numerici adatti ad essere memorizzati su un supporto digitale o trasmessi su un canale di comunicazione digitale.

In altri termini si tratta di uno strumento di codifica/decodifica di flussi di dati audio e/o di compressione degli stessi per ridurne lo spazio di memorizzazione.
I codec audio sono quindi strumenti in grado di trasferire dati e mutarne la loro natura. Correlativamente, possono effettuare anche una compressione dei dati in modo da ridurre la quantità di dati che compone un flusso audio. I codec possono effettuare una compressione senza perdita di informazioni o con perdita di informazioni. Nel caso di compressioni senza perdita di informazioni si possono ottenere dei fattori di compressione del 50% o meno mentre se si utilizzano compressioni con perdita di informazione si possono ottenere compressioni anche del 500% con qualità accettabile.

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ll  formato musicale audio compresso più diffuso è l’MP3. Il suo nome esteso è International Standards Organization – Motion Picture Expert Group Audio Layer 3 (ISO-MPEG Audio Layer 3). Meno male che l’hanno abbreviato in MP3. Si tratta di un algoritmo di compressione audio ideato nel 1987, ma che si è diffuso capillarmente negli anni ’90.

La qualità di un file MP3 dipende dal suo bit rate che è il numero di unità binarie (zeri o uni) che fluiscono ogni secondo di musica. Più alto è tale numero, più dettagliato è l’audio. Il bitrate minimo per una qualità audio sufficiente è considerato 128 Kbit al secondo, mentre il più alto possibile in questo formato di compressione è 320 Kbit al secondo. Il formato WAVE, come abbiamo visto, ha un bit rate di 1411 Kbit al secondo.

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Apple Lossless Encoder memorizza i dati in un contenitore MPEG-4 con estensione .m4a. Non è una variante del AAC, dato che utilizza un metodo di compressione basato sulla predizione lineare simile a quello utilizzato da altri codec lossless come il FLAC o lo Shorten.

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Che succede se comprimo un file già compresso?

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Che succede se comprimo un file già compresso?

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Accanto all’MP3 ci sono altri formati compressi di ampia diffusione. I più utilizzati sono WMA, OGG, ATRAC e AAC. Gli algoritmi che ne costituiscono le fondamenta sono diversi tra loro. Questo vuol dire che, quando vengono applicati ad un file musicale WAVE, eliminano informazioni diverse rispetto all’algoritmo MP3. Ma cosa succede se, invece di un file WAVE, comprimiamo un file già compresso in un altro formato? Per rispondere useremo un esempio.

Prendiamo tre file audio con il medesimo contenuto musicale, e rappresentiamoli come tre semplici stringhe numeriche.

La prima (che rappresenta il file WAVE) contiene il massimo delle informazioni possibile, cioè da 1 a 10.

La seconda (che rappresenta il file MP3) conterrà meno informazioni, perché alcune sono andate perse perse durante il processo di compressione da WAVE ad MP3.

La terza (il file AAC) idem, ma le informazioni perse rispetto al file di partenza saranno diverse, perché l’algoritmo di compressione è differente.

In pratica, ciascun algoritmo farà una cernita di cosa togliere e cosa tenere del file originario in modo che il risultato finale sia gradevole.

File WAVE: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

File MP3:    1 2     4         7     9

File AAC:    1     3 4     6         9

Se però al nostro file MP3 (quindi un file già compresso) applicassimo una compressione AAC, otterremmo come risultato un file audio a cui mancano sia le informazioni tolte dalla prima compressione, sia quelle tolte dalla seconda. La qualità dell’audio del file risultante sarà molto bassa, perché ciò che resta è frutto di due sottrazioni non omogenee.

Per questo motivo, applicando una compressione AAC al file MP3 dell’esempio precedente succederà questo:

DOPPIA COMPRESSIONE MP3+AAC:       1      4      9

Quindi, riassumendo: ciascun formato di compressione “ragiona” in modo diverso, bilanciando differentemente ciò che toglie e ciò che tiene per ottenere risultati soddisfacenti. E in questo frangente, l’unione non fa la forza: fa la fossa!