1. Caratteristiche multimediali del personal computer

Fra le caratteristiche multimediali del personal computer ricordiamo la registrazione e della riproduzione del suono.

E' possibile riprodurre l'audio di un CD musicale in formato CDA, di musica elettronica sintetizzata in formato MIDI, di voci, effetti speciali, brani musicali memorizzati sull'hard disk in uno dei tanti formati specifici tra cui il WAV.

Accanto ai formati elettronici musicali standard troviamo il formato MP3 che consente di compattare i file in formato WAV riducendo le dimensioni del file a meno del 10% delle dimensioni originali senza apprezzabile degrado della qualità audio.

E' possibile registrare l'audio proveniente da un microfono o da altra sorgente memorizzando su hard disk il file prodotto in un formato consentito dal software di registrazione utilizzato. Quasi tutti i software di registrazione audio permettono l'utilizzo del formato WAV.

I software dedicati ai file audio consentono numerose funzioni di elaborazioni vocali come filtraggio, fader, eco, riverbero, riduzione del fruscio e dei "tick", modifica della velocità, conversione da un formato all'altro, ecc.

Per poter utilizzare le prestazioni audio è necessario possedere, all'interno del PC, una scheda audio che ha il compito, durante la fase di registrazione, di convertire il segnale elettrico analogico proporzionale all'intensità del suono in segnale elettrico digitale in grado di poter essere memorizzato nel PC.

In fase di riproduzione, la scheda audio deve effettuare la conversione opposta, ossia deve trasformare i dati digitali in segnale analogico che, opportunamente amplificato dalla scheda audio o da un amplificatore esterno, viene inviato agli altoparlanti.

Nel successivo paragrafo saranno analizzate alcune caratteristiche delle schede audio.

2. Schede audio

La scheda audio si inserisce in uno slot di espansione a 16 bit del PC (connettore nero) oppure nel connettore PCI (quello bianco). Su molte schede madri di computer, la scheda audio è già integrata su di essa.

La scheda audio presenta, nella parte posteriore del PC, una serie di prese Jack ed un connettore a D a 15 poli a cui collegare un Joystick o un dispositivo MIDI.

Si mostra in fig.1 lo schema a blocchi di una scheda audio (Sound Blaster a 16 bit). Attualmente le schede audio sono in grado di trattare dati a 128 bit.

Di seguito si indicano le tipiche funzioni dei connettori e delle prese Jack della scheda audio.

• Line In: permette di collegare alla scheda audio dispositivi quali riproduttori di nastri, ecc.;
• Mic In : consente di collegare un microfono per l'ingresso vocale;
• Line Out: consente di collegare amplificatori esterni;
• Uscita altoparlanti: consente di collegare altoparlanti. L'amplificatore interno ha una potenza massima di 4 Watt per canale su un altoparlanti da 4 Ohm (2 Watt su altoparlanti da 8 Ohm);
• Connettore Joystick/MIDI: permette di collegare un Joystick o un MIDI kit;
• Connettore PC speaker: consente di inviare agli altoparlanti esterni collegati alla scheda audio il suono che normalmente va allo speaker del PC;
• Connettore CD: consente l'ascolto, dagli altoparlanti collegati alla scheda audio, dei brani musicali contenuti nel CD ROM.

Fig.1 - Le prese jack ed i connettori della scheda audio.

Una scheda audio è perfettamente in grado di digitalizzare un suono analogico, copiarlo in memoria o su disco rigido, leggerlo e riconvertirlo per l'ascolto. Per queste operazioni sono necessari le prese jack precedentemente indicate.

Il connettore per Joystick non serve solo per giocare ma permette di collegare tra loro vari strumenti musicali e di controllarli da un'unica tastiera-master secondo lo standard MIDI.

Lo standard MIDI, in riproduzione, consente di "suonare" simultaneamente un certo numero di strumenti, indicati col termine voci, grazie ad un circuito integrato interno alla scheda audio che funziona  da sintetizzatore FM secondo la tecnologia Yamaha OPL2 e OPL3.

Fra le tante caratteristiche che determinano la buona qualità di una scheda audio occorre ricordare:

• il numero di bit nei quali viene convertito un valore analogico campionato; le prime schede audio erano a 8 bit ma ben presto apparvero quelle a 16 bit, sufficienti per una buona resa acustica, quelle a 32 bit e a 64 bit; maggiore è il numero di bit minore è l'errore di quantizzazione commesso nella conversione A/D e più la riproduzione risulta esente da fruscio;
  
• la frequenza di campionamento che rappresenta il numero di campioni convertiti da analogico a digitale in un secondo; maggiore è la frequenza di campionamento migliore è l'approssimazione della forma d'onda originale; tipicamente i valori sono 11KHz, 22KHz e 44.1KHz;
  
• gestione degli effetti tridimensionali, surround e riverbero in tempo reale, da 20 a 48 canali MIDI, capacità di compressione sonora.

Si riassumono nella tabella 1 le caratteristiche tecniche salienti delle schede audio tratte dalla rivista PC Magazine:

Tabella 1

Le moderne schede audio consentono la riproduzione di effetti sonori particolari come, ad esempio, il surround sound, il suono 3D, ecc.

Il cuore della scheda audio è un unico processore che contiene sia il convertitore A/D, per l’acquisizione dell’audio, che il convertitore D/A per la sua riproduzione. Presenta al suo interno, altresì, tutta la circuitistica per la gestione dei file midi.

A titolo d’esempio, la recente scheda audio Sound Blaster Live! utilizza il processore EMU10K1 sviluppato da E-mu Systems (azienda acquisita da Creative), contenente al suo interno 2 milioni di transistor e capace di 1000 MIPS (Milioni di istruzioni al secondo).

È un potente sintetizzatore musicale in grado di gestire numerosi effetti come riverbero, chorus, flanger, pitch shifter, ecc. applicabili in tempo reale sulla sorgente sonora.

Dispone di 64 voci in hardware, che unite alle 192 messe a disposizione dalla sintesi wavetable, forniscono un totale di 256 voci di sintesi musicale.

Sono presenti 48 canali MIDI con 128 strumenti compatibili GM - GS e 10 set di percussioni. Sono disponibili configurazioni con banchi di memoria da 2, 4 o 8 MByte; inoltre è possibile usare fino a 32 MByte della Ram di sistema per immagazzinare i propri campioni audio tramite la tecnologia SoundFont.

Il campionamento può avvenire a 8 o 16 bit con frequenze di 8, 11.025, 16, 22.050, 24, 32, 44.100 o 48 KHz, utilizzando un algoritmo di interpolazione a 8 punti. Il segnale viene processato con una profondità di 32bit per poi essere reso a 8 o 16 bit tramite dithering.

Una delle caratteristiche esclusive di questo processore è la tecnologia “E-mu Environmental Modeling”, che, oltre a consentire l'immersione totale nell'ambiente, permette ai suoni di interagire tra di loro secondo un rapporto causa-effetto, consentendo la riflessione e il riverbero dei suoni.

È possibile, ad esempio, simulare una grande sala o un teatro con buon realismo; chiudendo gli occhi, si può determinare con buona approssimazione la direzione di provenienza di un suono. Per ottenere questo è necessario disporre di almeno 4 diffusori acustici; la Sound Blaster Live può gestirne fino a 8.

È noto che la scheda audio del personal computer è in grado di memorizzare segnali elettrici provenienti da una linea esterna o da un microfono. La scheda presenta un convertitore A/D in grado di trasformare il segnale analogico di ingresso in forma numerica per la sua memorizzazione su hard-disk in formato WAV od altro formato.

Per l’acquisizione di segnali analogici al computer, pertanto, potremmo utilizzare, come canale di ingresso, quello della scheda audio.

Per una corretta acquisizione al fine di una successiva elaborazione dei dati, dobbiamo tenere presente le seguenti condizioni:

1. l’ingresso è accoppiato in “alternata” con banda passante compresa tra 20Hz e 20KHz circa;

2. l’ampiezza del segnale di ingresso non deve superare 2V picco-picco per evitare distorsioni;

3. l’ingresso può essere mono o stereo e quindi possiamo introdurre due segnali analogici distinti contemporaneamente.

a prima condizione ci impedisce di acquisire segnali costanti o lentamente variabili nel tempo.

La seconda condizione ci impone l’utilizzo di un circuito di condizionamento dell’ampiezza.

La terza condizione ci consente di acquisire simultaneamente anche due segnali analogici alla volta.

Per il software di acquisizione potremmo far uso di quelli di elaborazione audio esistenti in commercio, di tipo “freeware” o di tipo “shareware” disponibile su Internet come, ad esempio, il noto programma Goldwave  di cui si mostrano le barre degli strumenti in fig.1.1.

Fig.1.1. - Barre degli strumenti del programma Goldwave per l’acquisizione, l’elaborazione, il salvataggio e la riproduzione di suoni.

Il programma presenta una serie di funzioni che consentono l’editing del segnale acquisito: selezione, cancellazione, taglia, copia incolla, filtri, effetto doppler, fade in e out, ricerca della massima ampiezza, normalizzazione del segnale ad un valore assegnato, ecc.

Per l’acquisizione del segnale dalla sorgente microfonica, ad esempio, occorre innanzitutto specificare al programma i seguenti dati col comando File/New:

• Mono o stereo;

• La frequenza di campionamento;

• La durata massima di registrazione.

Se il segnale da acquisire è uno solo si sceglierà Mono. Se la massima frequenza del segnale da campionare è, ad esempio 1KHz, per il teorema di Shannon la frequenza di campionamento dovrà essere almeno pari al doppio della massima frequenza del segnale. Conviene scegliere come “sampling rate” il valore 5000Hz. Volendo acquisire per mezzo minuto, sceglieremo, come “lunghezza”, 30 secondi.

Il programma Goldwave consente, anche, di generare forme d’onda a partire direttamente da una qualsiasi formula matematica che possiamo inserire attraverso il comando Tool / Expression Evaluator…che rimanda ad una finestra in cui applicare la formula o scegliere le funzioni standard disponibili.

La forma d’onda generata può essere inviata in uscita alla scheda audio attivando la funzione Play dalla finestra Device Control che si attiva dal menù Tools.

È ovvio che il segnale di uscita può essere inviato sull’oscilloscopio per la sua visualizzazione.

Il file acquisito ed elaborato può essere salvato su disco nei vari formati audio oppure nel formato di testo TXT. Per far ciò è sufficiente aprire File/Save as.., assegnare il nome ed impostare il formato TXT dalla casella a discesa Salva come.

Dopo l’acquisizione ed il salvataggio dei dati nel file di testo è interessante eseguire delle elaborazioni con un foglio elettronico, ad esempio Excel.

Occorre prestare attenzione alla fase di lettura del file di testo da parte del foglio elettronico. In particolare i dati numerici inseriti nel file hanno il punto come delimitatore dei decimali, pertanto, per cambiare il punto decimale in virgola si può procedere in due modi:

1.  dopo aver inserito in una colonna i dati numerici, si seleziona la colonna e col comando Modifica/Sostituisci è possibile la sostituzione;

2.  in fase di lettura del file di testo da parte di Excel, si attiva una procedura automatica di importazione guidata di testo che, tra le altre opzioni, consente di indicare il separatore dei decimali.

Si potrà, poi, procedere a tutte le elaborazioni che desideriamo attivare, ad esempio, ricerca del massimo, del minimo, del valor medio, media geometrica, deviazione standard, tendenza, ecc.

Inoltre, com’è ovvio, è possibile la rappresentazione grafica come si mostra nella seguente figura 1.2.

Fig.1.2. - Grafico ottenuto con Excel relativo ad segnale elettrico acquisito dalla scheda audio ed esportato in formato testo con Goldwave.

Ultimo aggiornamento: 2 febbraio 2004