Armazenamento de Sinais de Áudio

Apresentação em tema: "Armazenamento de Sinais de Áudio"— Transcrição da apresentação:

1 Armazenamento de Sinais de Áudio
Fita magnética e Gravadores analógicos Gravadores digitais e CD Arquivos de som para computador

2 Gravação/Armazenamento
Definição Meio pelo qual o som pode ser capturado permanentemente e, eventualmente, re-trabalhado é baseada na conversão de sinais elétricos em sinais magnéticos padrões mecânicos padrões óticos sinais eletrônicos (chips)

3 Fitas magnéticas Constituição Como funciona? Base de poliéster
Material magnético (Fe2O3, Fe, ...) Material adesivo (resina) Solvente Como funciona? alinhamento às partículas magnéticas (com certas características) análogo ao sinal N S Partículas Longitudinal e aleatoriamente direcionadas

4 Princípio de funcionamento
Ciclo de histerese uma partícula (ponto 0) exposta a uma força magnética H é magnetizada até a saturação (ponto 1) Quando a força é “desligada”, um certo fluxo magnético permanece (ponto 2) Submetida a uma força magnética negativa, o nível zero de magnetização é obtido (ponto 3) o ciclo continua...

5 Característica de transferência
A função de transferência não é linear as variações no sinal elétrico não são reproduzidas fielmente pela magnetização implica em distorção saída entrada

6 Polarização (bias) Solução: polarização
idéia: forçar o sinal a “trabalhar” na zona linear somando-se outro sinal a ele onda de alta freqüência (AM) que pode ser filtrada depois

7 Gravadores 3 componentes cabeças eletrônica mecânica

8 Cabeças Cabeça de gravação Cabeça de reprodução: Princípio inverso!
a variação de corrente na bobina induz fluxo magnético correspondente no núcleo Devido ao gap no núcleo, o fluxo magnético é forçado a atravessar a fita orientando as suas partículas Ao cessar o campo, pela propriedade da remanência, o campo magnético permanece Cabeça de reprodução: Princípio inverso!

9 Velocidade Analogia entre fita e amostragem Exemplo
Velocidade da fita  taxa de amostragem Largura física da fita  quantificação Exemplo gravar freqüência de 10kHz como  = v/f cassete:  = 4,75cm/s / = 0,5 m rolo:  = 19cm/s / = 3,8 m

10 Pistas Quatro pistas estéreo N pistas mono (estúdio) crosstalk cassete
8 16 24 32 crosstalk informação de uma pista vaza para a outra cabeça fita esq dir cabeça fita 1 1 2 3 4 5 6 7 8

11 Limitações das fitas Resposta em freqüência Soluções
fraca nas baixas e altas freqüências Polarização causa cancelamentos nas altas freqüências Tamanho do Gap passa a ser crítico Soluções Pré-equalização para corrigir a resposta Velocidade de gravação: mais rápido melhor Tipo de fita: Metal

12 Limitações das fitas Ruído Existe muito ruído de fundo (hiss)
a situação é crítica nas altas freqüências onde a energia da música é mais fraca a relação sinal ruído deveria ser de pelo menos 60dB

13 Redutores de ruído  =  = NORMAL Gravação Ênfase Gravação reprodução
idéia: dar ênfase em certas freqüências na gravação e atenuá-las na reprodução NORMAL amp freq ruído freq música freq Gravação  = Ênfase amp freq ruído freq música freq Gravação  = freq freq reprodução atenuação

14 Redutores de ruído: sistema dolby
Sistema Dolby A divide o espectro em 4 bandas de freqüências independentes e só opera em passagens de baixa energia Redução de 10dB abaixo de 5kHz e 15dB acima de 15kHz Sistema Dolby B sistema mais barato para cassetes só opera nas altas freqüências reduzindo hiss em 10dB Sistema Dolby C trabalha em um espectro mais largo e reduz 20dB Sistema Dolby SR O melhor dos sistemas Dolby atua em sinais de nível baixo a médio redução de mais de 25dB em grande parte do espectro

15 Vinil

16 Toca-disco vinil: curiosidades ;-)
material: vinil velocidade: 78, 45 ou 33 rpm Reprodução: agulha + capsula Sulcos e codificação agulha disco sinal esquerdo induzido sinal direito mono direito esquerdo d+e (em fase) d+e (em contrafase)

17 Toca-disco vinil Controle motor da rotação Rastreio
Correia Polia Tração direta Rastreio para evitar erro: braço inclinado J, S, reto com capsula em anglo, etc. para compensar pressão: anti-skating Reposta em freqüência Para corrigir a fraca reprodução nas altas e nas baixas: equalização RIAA

18 Armazenamento Digital de Áudio
Magnético: Fita e DAT Ótico: Compact Disc (CD) Eletrônico: Arquivos de computador

19 Gravação Digital em Fita: princípio
Grava-se na fita a informação digital (PCM), em vez do próprio sinal, usando as mesmas propriedades magnéticas analógico digital A reprodução detecta mudanças de orientação Sinal reconstituído Sinal lido Sinal magnético

20 Porque Fita? Motivação Porém...
apesar da sofisticação das novas mídias de armazenamento digital, a fita ainda é muito barata porque largura de banda é alta Porém... Enquanto no caso analógico: banda 20KHz Caso digital: 50 vezes maior do que o analógico ( 1Mbps por canal) 44,1 KHz x 16 bits = 705 Kbps somando-se dados para sincronização e correção de erros, seria preciso 1Mbps para a máxima freqüência o problema piora para gravadores multipista

21 Largura de banda O grande desafio Métodos
maximizar densidade sem provocar erros!!! Interferência inter-símbolo (peak shift) Métodos usar gravação vertical em vez de longitudinal não se está limitado ao tamanho das partículas magnéticas difícil de ser operacionalizado Sinal escrito Sinal lido Sinal reconstruído

22 Largura de banda Solução: Cabeças rotativas
duas cabeças giram deixando, por causa do movimento da fita, um rastro diagonal aumenta o “tamanho útil”da fita

23 Largura de banda Exemplo do vídeo cassete

24 Balanço Vantagens da cabeça rotativa Desvantagens da cabeça rotativa
maior largura de banda maior densidade de gravação (gasta menos fita) mais fácil de sincronizar com sinais de vídeo Desvantagens da cabeça rotativa é difícil de fazer edições precisas, overdubbing ou puch-in/punch-out devido a multiplexação menos simples de projetar e mais caras

25 DAT (digital audio tape)
Histórico 1981: Início das pesquisas 1983: dois padrões propostos: S-DAT e R-DAT 1986: R-DAT foi definido como o padrão, e ficou conhecido simplesmente como DAT Fita DAT padronizada exclusivamente para o formato DAT capacidade de aproximadamente 2 a 6 horas de áudio só começa a se deteriorar a partir da 200ª reprodução!! 3 freqüências de amostragem: 32, 44.1 e 48 kHz 2 níveis de bits de quantificação:12 bits não-lineares ou 16 bits lineares

26 DAT Gravadores DAT entradas e saídas digitais (cópias de alta fidelidade) cabeças rotativas

27 DAT O formato suporta três freqüências de amostragem:
32, 44.1 e 48 kHz Dois níveis de bits de quantização 12 bits não-lineares ou 16 bits lineares Extensões ao padrão DAT, criadas por fabricantes 12 bits a 96KHz 24 bits a 48KHz Gravadores DAT apresentam entradas e saídas digitais cópias digitais de alta qualidade

28 DAT: track format Formato da Trilha:
De um total de 196 blocos, 128 (parte 9) são realmente de som

29 Compact Disc Armazenamento de bits baseado em princípios óticos
Tecnologia levou cerca de 10 anos desde concepção ate introdução no mercado 1972 Phillips introduziu o conceito de armazenamento ótico de áudio em discos de tamanho limitado Sony desenvolveu técnicas de correção de erros para discos óticos de grandes dimensões 1980 padrão de Compact Disc Digital Audio foi criado e aprovado pelo Digital Audio Disc Commitee, um grupo representando mais de 25 empresas

30 Compact Disc: princípios
Armazenamento de bits baseado em princípios óticos 1,6 mm 0,6 m

31 Compact Disc: dados técnicos
Quantificação e amostragem fixas 16 bits 44.1 kHz dois canais (estéreo) total de 1,41 milhões de bits por segundo de áudio Dados adicionais de controle correção de erro sincronização modulação Tamanho máximo de 6.3109 bits 74 minutos e 33 segundos de áudio sugestão de Herbert von Karajan: duração de uma execução ininterrupta da 9a Sinfonia de Beethoven

32 Compact Disc: dados técnicos
CD players de qualidade exibem resposta de freqüência de 5Hz a 20kHz com desvio de ±0.2dB SNR acima dos 100dB distorção harmônica a 1kHZ abaixo de 0.002% Codificação dados agrupados em quadros (frames): menor seção de dados reconhecível O frame inclui dados de som (PCM, 2 canais) dados de sincronização dados para correção de erros (CIRC Cross-Interleave Reed-Solomon Code)

33 Codificação Sync (27 bits) Sub Code Data (96 bits) Parity (32 bits)
0.163mm 1 frame (1/7.35 ms) Sync (27 bits) Sub Code Data (96 bits) Parity (32 bits) 8 bits P,Q,R,S,T,U,V,W (começo, fim, etc.) 6 amostras PCM 16 bits

34 Armazenagem eletrônica
Historicamente... Cada tipo de máquina usava seu próprio formato de arquivo de áudio, mas foram depois padronizados para possibilitar conversões 2 tipos de formatos de arquivo: auto-descritivos e sem cabeçalho Formatos auto-descritivos os parâmetros de dados de áudio e codificação são feitos explicitamente em alguma forma de cabeçalho palavra mágica, taxa de amostragem, quantificação, canais, formato das amostras, etc. Sem cabeçalho parâmetros de dados de áudio e codificação são fixos.

35 Arquivos RIFF (Wave) Características
formato “little-endian byte order” da Microsoft/IBM. Esquerdo (MSB) | Direito (LSB) auto-descritivo equivalente ao AIFF do Macintosh PCM linear composto de chunks de 32 bits canal esquerdo seguido pelo direito (quando é estéreo)

36 Arquivos RIFF (Wave): Formato
Tamanho Descrição 4 bytes “RIFF” 4 bytes Tamanho do chunk (32 bits) 4 bytes “WAVE” 4 bytes “fmt” 4 bytes Tamanho da descrição do arquivo 2 bytes Flag para mono (0x01) ou estéreo (0x02) 4 bytes Taxa de amostragem 4 bytes Bytes/sample 2 bytes Alinhamento do bloco 2 bytes Bits/sample 4 bytes “data” 4 bytes Tamanho do segmento de dados (n bytes) Dados

37 Arquivos Wave Taxa de amostragem Alinhamento de bloco Bits por sample
dada em Hz (ex Hz) Alinhamento de bloco (canais  bits por sample)/8 Bits por sample podem assumir apenas os valores 8 ou 16 Bytes/sample 1 = 8-bit mono, 2 = 8-bit stereo or 16-bit mono, 4 = 16-bit stereo

38 Arquivo de áudio da Sun (.au)
Definido pela Sun em 1992 Características Codificações: -law, PCM linear, ponto flutuante IEEE, de 8 a 64 bits 1 canal (mono) Taxas de amostragem: 8000, 11025, 16000, 22050, 32000, e 48000 formato “big-endian byte order” Esquerdo (LSB) | Direito (MSB) manipulação incluídas nos sistemas operacionais da Sun e em Java auto-descritivo

39 Formato .au Offset Tamanho Descrição 0 4 bytes ".snd"
bytes <Header size (h)> bytes <Sample data size (s)> bytes <Audio file encoding> bytes <Sample rate> bytes <Number of channels> 24 (h-24)bytes <Comment> (h) (s)bytes <Sample data>

40 Outros Formatos AIFF (Apple/SGI) IFF/8SVX (Amiga) VOC (Creative Labs)
criado pela Apple para armazenamento de alta qualidade de instrumentos e som a extensão AIFC ou AIFF-C suporta compressão AIFF, AIFC and WAVE são similares mas oferecem diferentes graus de liberdade na codificação IFF/8SVX (Amiga) versão para áudio do padrão IFF do Amiga VOC (Creative Labs) padrão da Creative Labs para a Sound Blaster, com limites de taxa de amostragem e de 8 bits de quantização

41 Outros Formatos MPEG Audio Layer-3 (MP3) RealAudio (Real Networks)
redução do tamanho por um fator de 4-24 através de técnicas de codificação sonora perceptual sinais redundantes e irrelevantes (mascarados) são perdidos na codificação Padronizado pela ISO RealAudio (Real Networks) voltado para streaming vários esquemas de compressão lossy, usando plug-ins codecs (audio coder/decoder routines)

42 MP3

43 Histórico No final da década de 80 Em 1992, Logo depois
criou-se o Motion Pictures Expert Group (MPEG) para desenvolver um sistema de codificação para transmissão de moving pictures e gravação destas em uma mídia digital, tal como CD-ROM, CD-i e Vídeo CD. Em 1992, foi definido um novo padrão para codificação de áudio e vídeo, chamado ISO/IEC ou MPEG-1. Logo depois Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen desenvolveu a codificação de áudio MPEG Layer-3 (IS e IS ).

44 Comparação Como o MP3 atinge um fator de compressão de até 11:1 ?
Codificação de Huffman (compressão sem perda de informações). Psico-acústica (compressão com perda de informações). Taxa de Compressão Layer I 1:4 1:6 … 1:8 1:10 … 1: 12 Layer II Layer III

45 Compressão de dados Entropia de eventos
Quanto menor a probabilidade de um evento acontecer, mais informação ele contém e maior é a entropia A compressão é função da redundância Codificação de entropia (David Huffman) Amostras que acontecem com maior freqüência serão mapeadas para uma palavra de código menor O decodificador contém o mapeamento inverso Exemplo código Morse e  ‘.’ z  “--..” Exemplo Fax: é transmitido como 86

46 Compressão de dados Vantagens: Desvantagens: Não é destrutivo
não é eficiente e nem suficiente para a música

47 Psico-acústica Fator de compressão: Limiar Auditivo
Menor nível que o ouvido pode detectar a uma determinada freqüência Um codificador perceptual compara o sinal de entrada com o limiar de audição e descarta os sinais que estão abaixo

48 Mascaramento Dois tipos de mascaramento Mascaramento Simultâneo
Temporal Mascaramento Simultâneo A presença física de um som não garante audibilidade. Ao contrário, ela pode gerar a não audibilidade de outros sons. Quando dois sons são tocados simultaneamente, os com maior volume podem obscurecer os com menor volume. A curva de mascaramento é assimétrica é mais fácil um tom mais baixo (na freqüência) mascarar um mais alto do que o contrário.

49 Mascaramento Simultâneo

50 Mascaramento Temporal
Ocorre quanto sons são tocados próximos no tempo, mas não ao mesmo tempo. Um som de maior volume que ocorre antes ou depois de um som mais baixo pode mascará-lo. Mascaramento simultâneo é mais forte do que o mascaramento temporal.

51 Mascaramento Temporal (cont.)

52 Mascaramento Temporal e Simultaneo

53 Codificação em Sub-bandas

54 Divisão em Sub-bandas(cont.)

55 MPEG Audio Tag ID3v1: Meta-Dados
usado para descrever o arquivo MPEG muito útil em busca na internet Tamanho Descrição 3 30 4 1 TAG Título Artista Álbum Ano Comentário Gênero

56 Mídias para áudio digital

57 Referências Ken C. Pohlman, Principles of Digital Audio, McGraw Hill, 1995, 3rd Edition