Sinais de áudio Sinais de áudio Conversão entre som e sinal analógico

Apresentação em tema: "Sinais de áudio Sinais de áudio Conversão entre som e sinal analógico"— Transcrição da apresentação:

1 Sinais de áudio Sinais de áudio Conversão entre som e sinal analógico
Conversão entre sinal analógico e digital

2 Sinais de áudio Existem várias “representações” para o som fenômeno
Onda sonora (mecânica) Onda elétrica analógica Onda elétrica digital

3 Onda Sonora x Sinal de Áudio
Problema é muito difícil manipular o som enquanto forma mecânica de energia Solução: deve-se transformá-lo em uma outra forma de energia mais conveniente por meio de transdutores A forma de energia mais adequada é a elétrica, ou seja, em um sinal de áudio Vantagens mais fácil de controlar, modificar e armazenar cria inúmeras e novas possibilidades de manipulação permite “ida e volta” através de transdutores como o microfone e o alto-falante

4 Caminho do Sinal de Áudio Analógico
Conceitos importantes Captação (microfones) Processamento (mixagem, reverberação, equalização...) Armazenamento (gravação) Reprodução (alto-falantes)

5 Microfones: som => sinal
Definição dispositivo que converte sinais acústicos (ondas sonoras) em sinais elétricos. Transdutor acústico-elétrico Funcionamento: Duas operações onda sonora pressiona o diafragma, superfície capaz de sofrer pequenos deslocamentos para frente e para traz reproduzindo o movimento das partículas do ar o movimento do diafragma causa uma variação correspondente em uma propriedade de um circuito elétrico eletrodinâmica, eletrostática, piezoelétrica, resistência, etc.

6 Ex. Microfone Dinâmico: Bobina móvel
Diafragma corrente S N imã A pressão do ar desloca o diafragma, que movimenta a bobina que faz variar o campo magnético dentro dela que induz uma corrente elétrica variável na bobina

7 Alto-falantes: sinal => som
Definição Transdutor eletro-mecânico: converte sinais elétrico analógicos em ondas sonoras Funcionamento idêntico ao do microfone ao bobina móvel, só que ao contrário corrente excita a bobina (colada ao diafragma) criando um campo magnético que interage com o imã permanente que provoca a movimentação do diafragma que produz perturbação nas moléculas do ar (som!)

8 Processamento de sinais de áudio
Uma vez transformado em sinal elétrico... várias manipulações são possíveis Mudança de dinâmica Amplificação/atenuação, Compressão/expansão, limitação, redução de ruído, modificação de envoltórias... Mudança de espectro Filtragem e equalização Outros Adição (mixagem) Gravação (em fita, disco, etc.) adicionamento de ambiência e efeitos (chorus, flanging, etc.)

9 dispositivo eletrônico
Áudio Digital Conversão D/A Amplificador memória Computador ou dispositivo eletrônico Conversão A/D Pré-amplificador Placa de som

10 Conversão A/D: Amostragem & Codificação PCM-linear
sinal analógico sinal analógico amostrado amostra período de amostragem (T) sinal digital (PCM) , 010, 011, 100, 100, 100, 011, ... Freqüência ou taxa de amostragem Fa = número de amostras por segundo (Fa = 1/T)

11 Conversão D/A Conversão
sinal digital (PCM) 001, 010, 011, 100, 100, 100, 011, ... “suavizando a curva” sinal analógico Conversão A/D: transforma tensões elétricas em cadeias de números D/A: transforma cadeias de números em níveis de tensões elétricas

12 Amostragem

13 Amostragem Cortesia LCMM-UnB Com tal taxa de amostragem (Fa) as conversões A/D e D/A deste sinal seriam perfeitas... Porém isto custa caro para armazenar Até onde é possível diminuir Fa?

14 Aliasing (ou Foldover)
surgimento de freqüências espúrias (diferentes da original) quando o sinal não está corretamente amostrado Fa muito pequena em relação à freqüência mais alta do sinal

15 Aliasing: exemplo 1/3 f original = 125 Hz Fa = 1000Hz (fixa)
8 amostras/ciclo f resultante = 125 Hz

16 Aliasing: exemplo 2/3 f original = 500 Hz Fa = 1000Hz (fixa)
2 amostras/ciclo f resultante = 500 Hz

17 Aliasing: exemplo 3/3 f original = 1100 Hz Fa = 1000Hz (fixa)
10/11 amostras/ciclo f resultante = 100 Hz

18 Teorema da amostragem Critério de Nyquist Trade-off
Para que um sinal seja corretamente amostrado, para ser reconstruído, a sua maior freqüência deverá ser menor do que a metade da taxa de amostragem. Fa > 2 * Fmax chama-se também Fmax de Nyquist frequence Trade-off Quanto maior a taxa, mais precisa é a amostragem, no entanto maior é a quantidade de informação a ser armazenada

19 Taxa de amostragem ideal
Idéia a taxa de amostragem (Fa) deve ficar um pouco acima do critério de Nyquist (2 * maior freqüência) Fa para CD e música em geral = 44,1 KHz (ou 48 KHz) Razões matemática  engenharia sons acima de 20KHz têm efeitos fisiológicos e psicológicos nos ouvintes e não deveriam ser cortados Mas basta garantir uma boa Fa? É preciso também restringir a máxima freqüência do sinal a ser amostrado

20 Filtro de anti-aliasing
Características Passa-baixas usado antes da conversão A/D para que nenhuma freqüência acima de Fa/2 esteja presente no sinal, provocando aliasing Filtro passa-baixas freq. ampl. 1 freqüência de corte (fc) passa atenua Inclinação (dB/oitava) fc

21 Quantificação

22 Quantificação Quantificação
discretização dos valores das amostras depende da resolução, de quão fina é régua (número de bits) Sinais analógicos e digitais: 2 diferenças básicas amostragem em intervalos de tempo discretos limita freqüência máxima quantificação em valores discretos (inteiros) limita o máxima faixa dinâmica (intensidades)

23 Erro de quantificação Erro ou ruído de quantificação
A quantificação sempre introduz erros pois arredonda (ou trunca) os valores contínuos do sinal analógico a diferença é chamada de erro ou ruído de quantificação

24 Erro de quantificação: exemplo

25 Erro de quantificação Depende de dois fatores
Sinal em si ex. silêncio => erro zero ex. senoidal => ruído de granulação música => ruído branco Precisão da quantificação (quantization level) Normalmente (PCM Linear ) = nº de bits Relação Sinal-Ruído (para PCMLinear) SNR (db) = 6.02* número de bits ex. 8 bits => 49,8 dB, 16 bits => 98,08 dB Trade-off: Quanto maior mais preciso, porém mais dispendioso 21 = 2 22 = 4 23 = 16 ... 28 = 256 216 = 65536

26 Sem dither Com dither Dither: exemplo

27 Codificação e Numeração

28 Codificações Codificar Sinais de áudio
É preciso codificar o sinal para poder melhor armazená-lo e transmití-lo Sinais de áudio analógicos: sinal contínuo, análogo ao fenômeno digitais: cadeia de números, sinal discreto Sinais analógicos: modulação de onda Modulação em Amplitude (AM) Modulação em Freqüência (FM) Sinais Digitais: modulação por pulso PCM (Pulse-Code Modulation) linear e variantes !!! PAM, PWM, PPM, PNM, etc.

29 portadora (freq. do dial)
AM e FM sinal portadora (freq. do dial) AM FM

30 Modulações por Pulso

31 sinal analógico amostrado
PCM-Linear sinal analógico amostrado sinal digital: 001, 010, 011, 100, 100, 100, 011, ... PCM-linear (ou simplesmente PCM) Mais usado: Padrão para CDs e música em geral!! intervalos temporais de quantificação uniforme passos (resolução) da quantificação uniforme 1 amostra => 1 cadeia de caracteres Alec Reeves (1937)

32 PCM: prós e contras Desvantagem: exige mais largura de banda (ocupa mais espaço) para mandar uma única amplitude precisa de vários pulsos Vantagem: mais robusto basta a presença/ausência de pulsos para ler o sinal qualidade depende somente da amostragem e quantização, e não da qualidade do canal (ou meio de armazenagem) Vantagem: multiplexação se presta à multiplexação (mais de uma info enviada ao mesmo tempo no mesmo canal de maneira “ entrelaçada”)

33 Vantagens do áudio digital
Melhor relação sinal-ruído (SNR) pois não depende do meio (ou canal) mais fácil separar ruído de sinal devido as formas de onda!!! elimina chiado (hiss), distorção não-linear e wow e flutter (variação de velocidade) das fitas Mais fácil de implementar algoritmos de processamento versáteis efeitos de ambiência síntese todas manipulações via software, ...

34 Variantes da Quantização PCM
Problema do PCM-linear largura de banda alta (ocupa muito espaço) Porque? quantificação demasiadamente uniforme não levando em conta o comportamento estatístico do sinal ex. a voz tem mais sinais de baixa potência Variantes PCM não-linear (-law) PCM diferencial etc.

35 PCM não-linear PCM não linear: -law
Comprime antes e expande depois (compander) como se usasse passos menores para baixa potência padrão sun (arquivo .au) Onde, y é a saída, x a entrada e  o parâmetro de compressão [1,255]

36 PCM diferencial Modulação Delta (DPCM ou 1-bit modulation)
em vez de codificar a amplitude, codifica a diferença usa 1 bit: indica, a cada amostra, se o valor subiu ou desceu em relação à amostra anterior provoca distorção nos transitórios mas é muito econômico

37 PCM diferencial Adaptative DPCM
conta só a diferença, como o Delta, mas usa passos irregulares quando transitórios aparecem ajusta o tamanho do passo

38 Numeração Numeração Tipos de numeração
as amostras devem ser representadas segundo algum esquema de numeração Tipos de numeração sinal + Binário Complemento de dois Código grey etc. Codificação extra para correção de erro 1-bit de paridade checksum Cyclic Redundant Check Code (CRCC)

39 Resumindo...

40 Processador (correção de erro)
Resumindo ADC Entrada de áudio (E) Entrada de áudio (D) Gerador de Dither Anti-aliasing filter Sample and Hold ADC multiplexador Processador (correção de erro) Modulador de gravação quantificação numeração 001, 001, 010, 010, 011,...

41 Resumindo DAC Smoothing/Anti-imaging Filter
Entrada de áudio analógico (E) Sinal de áudio analógico (D) smoothing filter output sample and hold DAC demultiplexador Processador (correção de erro) Demodulador de reprodução Smoothing/Anti-imaging Filter “Amacia” a forma de onda (“liga” as amostras), eliminando as altas freqüência

42 Referências Curtis Roads, The Computer Music Tutorial (Livro-texto), MIT Press Cap 1 Bruce Bartlett, Introduction to Professional Recording Techniques. Howard W. Sams & Co. 1987 Ken C. Pohlman, Principles of Digital Audio, McGraw Hill, 1995 (cap 1, 2 e 3)