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Oversampling

Aggiornamento: 26 gen

O sovracampionamento. Cos'è, come è nato e come funziona questo (s)conosciuto.



Una tecnica molto usata in ambito HiFi, introdotta per la prima volta dalla Philips nel 1984.

Un esempio fra tutti è rappresentato dal modello CD 104 (in foto), nato per soddisfare le esigenze degli amanti del buon suono e già in grado di effettuare oversampling 4X.

L’idea che sta alla base di questo procedimento è quella di spostare le operazioni di filtraggio nel campo digitale, dove, con l'ausilio di un filtro digitale di risposta finita all'impulso (FIR), non si introducono alterazioni di fase. La prima parte del procedimento consiste nell’inserire un certo numero di zeri tra un campione e l’altro. Ad esempio, se in un segnale campionato a 44100 Hz si inserisce uno zero in ogni campione, la frequenza di campionamento viene moltiplicata per 2 e lo spettro del segnale digitale rimane esattamente lo stesso (c).

A questo punto c’è spazio per un filtraggio digitale passa basso, che elimina gran parte delle componenti indesiderate (d) Il passaggio all'analogico con un convertitore S&H a 88100 Hz produce il segnale in (e) che può essere trattato in modo molto più agevole con un blando filtraggio passa banda.



Come innanzi accennato, la Philips nei suoi primi CD player usava un sovracampionamento 4x, un filtraggio passa basso operante a 28 bit e una riduzione a 14 con associato noise-shaping. Questo permetteva di usare convertitori a 14 bit, più economici di quelli a 16, che a quei tempi erano costosi e non molto affidabili. Successivamente questa tecnica si è evoluta usando fattori di oversampling anche maggiori (per esempio 8x) insieme a convertitori sempre più raffinati (18 bit, 20 bit, 24 bit).


Per il trattamento di segnali audio ad alta fedeltà la minima frequenza accettabile è quella usata per il CD Audio ovvero 44100 Hz; attualmente sono molto usate frequenze maggiori (48000 Hz, 96000 Hz e anche 192000 Hz), non tanto per riprodurre gli ultrasuoni - operazione inutile se non per intrattenere i pipistrelli domestici - quanto per rendere più semplici alcune fondamentali operazioni come il:


Filtraggio Anti-Alias


Prima della conversione è indispensabile sottoporre il segnale analogico ad un filtraggio passa basso, a un frequenza inferiore o uguale alla frequenza di Nyquist.

Questa operazione porta con sé molte problematiche in quanto un filtraggio analogico ripido è di difficile implementazione e comporta problemi di fase che danno origine a danni udibili nel risultato. D’altra parte, se la frequenza di Nyquist è 22050 Hz, il filtraggio deve necessariamente essere ripido, altrimenti “insieme all’acqua sporca si butta via anche un po’ di bimbo” (le frequenze sotto i 20000 Hz).


Uno dei principali vantaggi delle frequenze di campionamento elevate è la possibilità di utilizzare, in questa fase, un filtraggio analogico più blando.

L'oversampling o sovracampionamento è una metodologia decisamente vincente, molto usata sia nella conversione Analogico-Digitale, che in quella Digitale-Analogica.

Supponiamo di volere in uscita un segnale campionato a 44100 Hz: come abbiamo visto, è indispensabile un filtro anti-alias a pendenza molto ripida.


Se invece si effettua il campionamento a 176400 Hz otteniamo tre vantaggi considerevoli:

• Il filtro anti-alias può avere una pendenza dolce e partire per esempio da 25000 Hz;
• Il rumore in banda audio si riduce di 6 dB (3 dB per ogni raddoppio di frequenza).
• È possibile effettuare operazioni successive alla quantizzazione con un filtraggio digitale o un rimodellamento del rumore.


 


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