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Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 1 Armazenamento de Sinais de Áudio Fita magnética e Gravadores analógicos Gravadores digitais e CD Arquivos de som para.

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1 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 1 Armazenamento de Sinais de Áudio Fita magnética e Gravadores analógicos Gravadores digitais e CD Arquivos de som para computador

2 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 2 Gravação/Armazenamento nDefinição 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 3 N S Partículas Longitudinal e aleatoriamente direcionadas Fitas magnéticas nConstituição Base de poliéster Material magnético (Fe2O3, Fe,...) Material adesivo (resina) Solvente nComo funciona? alinhamento às partículas magnéticas (com certas características) análogo ao sinal

4 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 4 Princípio de funcionamento nCiclo 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 5 Característica de transferência nA função de transferência não é linear as variações no sinal elétrico não são reproduzidas fielmente pela magnetização implica em distorção entrada saída

6 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 6 Polarização (bias) nSolução: 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 7 Gravadores n3 componentes cabeças eletrônica mecânica

8 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 8 Cabeças nCabeça de gravação 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 nCabeça de reprodução: Princípio inverso!

9 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 9 Velocidade nAnalogia entre fita e amostragem Velocidade da fita taxa de amostragem Largura física da fita quantificação nExemplo gravar freqüência de 10kHz como = v/f cassete: = 4,75cm/s / = 0,5 m rolo: = 19cm/s / = 3,8 m

10 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 10 Pistas nQuatro pistas estéreo cassete nN pistas mono (estúdio) ncrosstalk informação de uma pista vaza para a outra cabeça fita esq dir esq cabeça fita

11 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 11 Limitações das fitas nResposta em freqüência fraca nas baixas e altas freqüências Polarização causa cancelamentos nas altas freqüências Tamanho do Gap passa a ser crítico nSoluções Pré-equalização para corrigir a resposta Velocidade de gravação: mais rápido melhor Tipo de fita: Metal

12 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 12 Limitações das fitas nRuído 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 13 Redutores de ruído amp freq ruído freq música freq = amp freq ruído freq música freq = NORMAL Ênfase Gravação Gravação reprodução atenuação idéia: dar ênfase em certas freqüências na gravação e atenuá-las na reprodução

14 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 14 Redutores de ruído: sistema dolby nSistema 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 nSistema Dolby B sistema mais barato para cassetes só opera nas altas freqüências reduzindo hiss em 10dB nSistema Dolby C trabalha em um espectro mais largo e reduz 20dB nSistema 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 15 Vinil

16 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 16 Toca-disco vinil: curiosidades ;-) nDisco material: vinil velocidade: 78, 45 ou 33 rpm nReprodução: agulha + capsula nSulcos e codificação agulha disco sinal esquerdo induzido sinal direito induzido monodireitoesquerdod+e (em fase)d+e (em contrafase)

17 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 17 nControle motor da rotação Correia Polia Tração direta nRastreio para evitar erro: braço inclinado –J, S, reto com capsula em anglo, etc. para compensar pressão: anti-skating nReposta em freqüência Para corrigir a fraca reprodução nas altas e nas baixas: equalização RIAA Toca-disco vinil

18 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 18 Armazenamento Digital de Áudio Magnético: Fita e DAT Ótico: Compact Disc (CD) Eletrônico: Arquivos de computador

19 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 19 nGrava-se na fita a informação digital (PCM), em vez do próprio sinal, usando as mesmas propriedades magnéticas Sinal reconstituído Sinal lido Sinal magnético Gravação Digital em Fita: princípio analógicodigital nA reprodução detecta mudanças de orientação

20 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 20 Porque Fita? nMotivação apesar da sofisticação das novas mídias de armazenamento digital, a fita ainda é muito barata porque largura de banda é alta nPorém... 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 21 Largura de banda nO grande desafio maximizar densidade sem provocar erros!!! Interferência inter-símbolo (peak shift) nMétodos 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 22 Largura de banda nSolução: Cabeças rotativas duas cabeças giram deixando, por causa do movimento da fita, um rastro diagonal aumenta o tamanho útilda fita

23 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 23 Largura de banda Exemplo do vídeo cassete

24 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 24 Balanço nVantagens da cabeça rotativa maior largura de banda maior densidade de gravação (gasta menos fita) mais fácil de sincronizar com sinais de vídeo nDesvantagens 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 25 DAT (digital audio tape) nHistórico 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 nFita 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 26 DAT nGravadores DAT entradas e saídas digitais (cópias de alta fidelidade) cabeças rotativas

27 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 27 DAT nO formato suporta três freqüências de amostragem: 32, 44.1 e 48 kHz nDois níveis de bits de quantização 12 bits não-lineares ou 16 bits lineares nExtensões ao padrão DAT, criadas por fabricantes 12 bits a 96KHz 24 bits a 48KHz nGravadores DAT apresentam entradas e saídas digitais cópias digitais de alta qualidade

28 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 28 DAT: track format Formato da Trilha: nDe um total de 196 blocos, 128 (parte 9) são realmente de som

29 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 29 Compact Disc nArmazenamento de bits baseado em princípios óticos nTecnologia 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 30 Compact Disc: princípios nArmazenamento de bits baseado em princípios óticos 1,6 mm 0,6 m

31 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 31 Compact Disc: dados técnicos nQuantificação e amostragem fixas 16 bits 44.1 kHz dois canais (estéreo) total de 1,41 milhões de bits por segundo de áudio nDados adicionais de controle correção de erro sincronização modulação nTamanho máximo de bits 74 minutos e 33 segundos de áudio –sugestão de Herbert von Karajan: duração de uma execução ininterrupta da 9 a Sinfonia de Beethoven

32 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 32 Compact Disc: dados técnicos nCD 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% nCodificação dados agrupados em quadros (frames): menor seção de dados reconhecível nO frame inclui dados de som (PCM, 2 canais) dados de sincronização dados para correção de erros (CIRC Cross-Interleave Reed-Solomon Code)

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

34 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 34 Armazenagem eletrônica nHistoricamente... Cada tipo de máquina usava seu próprio formato de arquivo de áudio, mas foram depois padronizados para possibilitar conversões n2 tipos de formatos de arquivo: auto-descritivos e sem cabeçalho nFormatos 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. nSem cabeçalho parâmetros de dados de áudio e codificação são fixos.

35 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 35 Arquivos RIFF (Wave) nCaracterísticas 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 36 Arquivos RIFF (Wave): Formato TamanhoDescrição 4 bytesRIFF 4 bytesTamanho do chunk (32 bits) 4 bytesWAVE 4 bytesfmt 4 bytesTamanho da descrição do arquivo 2 bytesFlag para mono (0x01) ou estéreo (0x02) 4 bytesTaxa de amostragem 4 bytesBytes/sample 2 bytesAlinhamento do bloco 2 bytesBits/sample 4 bytesdata 4 bytesTamanho do segmento de dados (n bytes)Dados

37 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 37 Arquivos Wave nTaxa de amostragem dada em Hz (ex Hz) nAlinhamento de bloco (canais bits por sample)/8 nBits por sample podem assumir apenas os valores 8 ou 16 nBytes/sample 1 = 8-bit mono, 2 = 8-bit stereo or 16-bit mono, 4 = 16- bit stereo

38 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 38 Arquivo de áudio da Sun (.au) nDefinido pela Sun em 1992 nCaracterísticas Codificações: -law, PCM linear, ponto flutuante IEEE, de 8 a 64 bits 1 canal (mono) Taxas de amostragem: 8000, 11025, 16000, 22050, 32000, e formato big-endian byte order –Esquerdo (LSB) | Direito (MSB) manipulação incluídas nos sistemas operacionais da Sun e em Java auto-descritivo

39 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 39 Formato.au Offset Tamanho Descrição 0 4 bytes ".snd" 4 4 bytes 8 4 bytes 12 4 bytes 16 4 bytes 20 4 bytes 24 (h-24)bytes (h) (s)bytes

40 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 40 Outros Formatos nAIFF (Apple/SGI) 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 nIFF/8SVX (Amiga) versão para áudio do padrão IFF do Amiga nVOC (Creative Labs) padrão da Creative Labs para a Sound Blaster, com limites de taxa de amostragem e de 8 bits de quantização

41 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 41 Outros Formatos nMPEG Audio Layer-3 (MP3) 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 nRealAudio (Real Networks) voltado para streaming vários esquemas de compressão lossy, usando plug- ins codecs (audio coder/decoder routines)

42 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 42 MP3

43 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 43 Histórico nNo final da década de 80 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. nEm 1992, foi definido um novo padrão para codificação de áudio e vídeo, chamado ISO/IEC ou MPEG-1. nLogo depois Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen desenvolveu a codificação de áudio MPEG Layer-3 (IS e IS ).

44 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 44 Taxa de Compressão Layer I 1:4 1:6 … 1:8 1:10 … 1: 12 Layer II Layer III Comparação n 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).

45 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 45 Compressão de dados nEntropia 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 nCodificação 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 46 Compressão de dados nVantagens: Não é destrutivo nDesvantagens: não é eficiente e nem suficiente para a música

47 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 47 Psico-acústica nFator 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 48 Mascaramento nDois tipos de mascaramento Simultâneo Temporal nMascaramento 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 49 Mascaramento Simultâneo

50 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 50 Mascaramento Temporal nMascaramento 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 51 Mascaramento Temporal (cont.)

52 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 52 Mascaramento Temporal e Simultaneo

53 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 53 Codificação em Sub-bandas

54 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 54 Divisão em Sub-bandas(cont.)

55 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 55 MPEG Audio Tag ID3v1: Meta-Dados nO TAG usado para descrever o arquivo MPEG muito útil em busca na internet TamanhoDescrição TAG Título Artista Álbum Ano Comentário Gênero

56 Mídias para áudio digital

57 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 57 Referências nKen C. Pohlman, Principles of Digital Audio, McGraw Hill, 1995, 3rd Edition nhttp://home.sprynet.com/~cbagwell/AudioFormats.html nhttp://www.iis.fhg.de/amm/techinf/layer3/index.html nhttp://www.mp3tech.org/ nhttp://www.dv.co.yu/mpgscript/mpeghdr.htm nhttp://home.sprynet.com/~cbagwell/sox.html nhttp://www.asel.udel.edu/speech/Spch_proc/libcwav.htmlhttp://www.asel.udel.edu/speech/Spch_proc/libcwav.html nhttp://www.dv.co.yu/mpgscript/mpeghdr.htmhttp://www.dv.co.yu/mpgscript/mpeghdr.htm nhttp://drogo.cselt.it/mpeg/standards/mpeg-4/mpeg-4.htmhttp://drogo.cselt.it/mpeg/standards/mpeg-4/mpeg-4.htm nhttp://www.music-center.com.br/internet.htmhttp://www.music-center.com.br/internet.htm nhttp://jimhartley.com/ratutor.htmlhttp://jimhartley.com/ratutor.html nhttp://service.real.com/help/library/index.htmlhttp://service.real.com/help/library/index.html nhttp://www.reelradio.com/rainfo.html


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