Armazenamento de Sinais de Áudio

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

1 Armazenamento de Sinais de Áudio
Geber Ramalho Jeferson Valadares Ulisses Montenegro

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) Plano de aula Fita magnética e toca discos Gravadores analógicos Gravadores digitais e CD Arquivos de som para computador

3 Fitas magnéticas: contituição
Base de poliéster função mecânica espessura  25 a 40m Material magnético Óxido de ferro Fe2O3 Dióxido de cromo: CrO2 Ferro puro (metal): Fe Material adesivo resina Solvente N S

4 Fabricação de fitas: etapas
1) Moagem Mistura adesivo, óxido (partículas magnéticas ) e solvente para forma uma pasta fluida aplica a pasta sobre a base 2) Orientação as partículas são orientadas IMÂ

5 Fabricação de fitas: etapas
3) Secagem Evaporação do solvente Túnel de secagem 4) Enrolamento 5) Polimento 6) Corte no cassete comprimento 45, 60, 90 e 120 minutos largura 3,8 mm 7) Embalagem

6 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...

7 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

8 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

9 Gravadores 3 componentes cabeças eletrônica mecânica

10 Cabeça de gravação Idéia:
a variação de corrente na bobina induz fluxo magnético correspondente no núcleo pelo fato de existir um 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

11 Cabeça de apagamento Idéia: O gap
mesmo princípio da cabeça de gravação, porém introduz um sinal de alta freqüência de forma a “bagunçar” o alinhamento dos domínios (partículas) O gap deve ser grande: aprox. 20 m para poder mudar, por exemplo, pelo menos 10 vezes cada domínio (partícula) no curto período de tempo em que a fita passa pela cabeça

12 Cabeça de reprodução Princípio inverso da gravação Gap
a passagem da fita magnetizada, implica em uma variação de fluxo magnético no núcleo, induzindo uma corrente correspondente deve ter alta permeabilidade (sensível às variações de fluxo da fita) Gap basicamente da mesma ordem do da cabeça de gravação largura do gap < comprimento de onda se for maior, não conseguirá captar nas extremidades do núcleo a variação de fluxo magnético

13 Cabeças Fazer ajustes E de vez em quando desmagnetizar... Zenite
Azimute E de vez em quando desmagnetizar... Magnetismo => ruído Usar desmagnetizador (ponta de prova gerando 60 Hz)

14 Cabeças 3 cabeças é melhor do que 2
cada uma pode ser projetada otimamente

15 Velocidade Quanto maior a velocidade melhor a qualidade! Velocidade
cassete: 4,75 cm/s (1 7/8 ips) rolo: 9,5 cm/s (3 3/4 ips) rolo: 19 cm/s (7 1/2 ips) rolo: 38 cm/s (15 ips) Exemplo gravar freqüência de 10kHz como  = v/f cassete:  = 4,75/10000 = 0,5 m rolo:  = 19/10000 = 3,8 m

16 Pistas (tracks) Completa monofônica Meia pista monofônica
cabeça fita Completa monofônica Meia pista monofônica Meia pista estéreo (Revox) Quatro pistas mono cabeça fita 1 2 cabeça fita esq dir cabeça fita 1 2 3 4

17 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

18 Limitações Analogia entre fita e amostragem Faixa dinâmica reduzida
largura do gap  taxa de amostragem Largura física da fita  quantificação Faixa dinâmica reduzida Saturação: não pode-se usar níveis muito elevados de sinal, senão distorce Ruído branco: o ruído de fundo (hiss) impede que se use níveis de sinal muito baixos sem serem mascarados Solução Tipo de fita: Metal melhor Velocidade de gravação: mais rápido melhor Largura de fita: mais larga melhor

19 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

20 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

21 Redutores de ruído Solução idéia Sistemas utilizar redutores de ruído
dar ênfase em certas freqüências na gravação e e atenuá-las na reprodução Sistemas Dolby dbx

22 ilustração  =  = NORMAL Gravação Ênfase Gravação reprodução
amp freq ruído freq música freq Gravação  = Ênfase amp freq ruído freq música freq Gravação  = freq freq reprodução atenuação

23 Redutores de ruído Sistema dbx Dolby A
enfatiza altas freqüências (taxa de 2:1) e depois atenua com a mesma curva trabalha então em uma única banda reduz ruído em 30dB e aumenta headroom (faixa dinâmica) em 10dB Dolby A divide o espectro em 4 bandas de freqüências que são comprimidas e expandidas independentemente Além disto, Dolby só opera em passagens de baixa energia (abaixo de -10 VU) consegue redução de 10dB abaixo de 5kHz e 15dB acima de 15kHz

24 Redutores de ruído Dolby B Dolby C Dolby SR
sistema mais barato para cassetes só opera nas altas freqüências reduzindo hiss em 10dB Dolby C trabalha em um espectro mais largo e reduz 20dB Dolby SR melhor dos sistemas Dolby atua em regiões onde o sinal tem nível baixo a médio redução de mais de 25dB em grande parte do espectro audível ex. em 15 ips (38 m/s) é possível obter uma relação sinal ruído de 105dB

25 Toca-disco vinil: só 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)

26 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

27 Gravação Digital em Fita
Idéia grava-se a informação digital (binária, PCM), em vez do próprio sinal não é necessário polarizar Reprodução detecta mudanças de orientação analógico digital Sinal reconstituído Sinal lido Sinal magnético

28 Largura de banda Definição Interferência
resolução (distância física mínima entre os picos) do sinal Influencia no espectro em que se pode gravar e pode provocar erros Interferência deturpações nas mudanças dos picos Sinal escrito Sinal lido Sinal reconstruído

29 Largura de banda Caso digital O grande desafio Métodos
50 vezes maior do que a de um gravador analógico 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 O grande desafio maximizar densidade sem provocar erros!!! Métodos usar gravação vertical em vez de longitudinal não se está limitado ao tamanho das partículas magnéticas difícil de ser operacionalizado

30 2 Tipos de Cabeças Estacionárias Rotativas
DASH (digital audio stationary head) Rotativas duas cabeças giram deixando, por causa do movimento da fita, um rastro diagonal truque que aumenta o “tamanho útil”da fita Exemplo do vídeo cassete

31 Balanço Vantagens da cabeça rotativa maior largura de banda
maior densidade de gravação (gasta menos fita) mais fácil de sincronizar com sinais de vídeo etc. em algumas aplicações particulares, difícil de fazer edições muito precisas melhor usar memória - chips mais difícil fazer overdubbing ou puch-in e punch-out devido a multiplexação menos simples de projetar e mais caras

32 Armazenamento Digital de Áudio
Digital Audio Tape (DAT) Compact Disc (CD) Arquivo wave (.wav) Arquivo de áudio da Sun (.au) Codificação Sonora Perceptual (MPEG e MP3) Outros formatos

33 DAT Início das pesquisas em 1981
Em 1983, dois padrões foram propostos: S-DAT R-DAT R-DAT foi definido como padrão em 1986, e desde então o formato é conhecido simplesmente como DAT Fita DAT: padronizada exclusivamente para o formato DAT dimensões: 73x54x10.5 mm capacidade de aproximadamente duas a seis horas de áudio só começa a se deteriorar a partir da 200ª reprodução

34 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

35 DAT

36 DAT Formato da Trilha

37 DAT W1 W2 P Paridade: P = W1  W2 ( = Mod 2)
ID code (PCM block or subcode block) 8 bits Block address (and subcode ID) Parity Sync Data (PCM data and parity or subcode data and parity) 256 bits (32 symbols) W1 W2 P Paridade: P = W1  W2 ( = Mod 2) Block address: corresponds to PCM or subcode data block, the MSB indicates an ID bit (PCM or subcode data)

38 DAT

39 DAT

40 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

41 Compact Disc Tamanho da palavra e freqüência de 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 Taxa total de transferência chega a Mbps

42 Compact Disc CD-DA define tamanho máximo em 6.3109 bits
capacidade para 74 minutos e 33 segundos de áudio Capacidade foi definida por sugestão de Herbert von Karajan coincide com a duração de uma execução ininterrupta da 9a Sinfonia de Beethoven Variações nos parâmetros físicos permitem durações superiores a 80 minutos de áudio CD players de qualidade exibem resposta de freqüência de 5Hz a 20kHz com desvio de ±0.2dB taxa de signal-to-noise acima dos 100dB distorção harmônica a 1kHZ abaixo de 0.002%

43 Compact Disc Sync (27 bits) Sub Code Data (96 bits) Parity (32 bits)
1,6 mm 0,6 m 0.163mm 1 frame (1/7.35 ms) 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

44 Esquerdo (MSB) | Direito (LSB)
Arquivos Wave Tamanho Descrição 4 bytes “RIFF” 4 bytes Tamanho do arquivo (subtraído de 4) 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 Little-Endian Word Esquerdo (MSB) | Direito (LSB)

45 Arquivos Wave Taxa de amostragem é dada em Hz
e.g., Hz Bytes/sample é calculado como (taxa de amostragem  alinhamento de bloco) Alinhamento de bloco é calculado como (canais  bits por sample)/8 Bits por sample podem assumir apenas os valores 8 ou 16 Para arquivos em estéreo, o bloco de dados do canal esquerdo é imediatamente seguido do bloco do canal direito, em seqüência até o final do arquivo

46 Arquivo de áudio da Sun (.au)
Definido pela Sun em 1992 Várias codificações (ISDN u-law, PCM linear, ponto flutuante IEEE), de 8 a 64 bits Várias taxas de amostragem (8000, 11025, 16000, , 32000, e amostras/s) Funções para manipulação incluídas nos sistemas operacionais da Sun e em Java

47 Esquerdo (LSB) | Direito (MSB)
Formato .au Offset Tamanho Descrição 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> Big-Endian Word Esquerdo (LSB) | Direito (MSB)

48 Codificação Sonora Perceptual
Antes da compressão de áudio, um minuto de música estéreo (qualidade de CD) ocupava 10 MB! amostras/s * 2 canais * 2 bytes/amostra * 60 s/min Caso um arquivo destes fosse transmitido pela internet através de um modem padrão (28.8 Kbps) a transferência de 1 minuto levaria 49 minutos! bytes * 8 bits/byte / ( bits/s * 60 s/min) Codificação sonora explora as propriedades do ouvido humano para conseguir uma redução de tamanho com pouca ou nenhuma perda perceptível na qualidade

49 Codificação Sonora Perceptual - MPEG
Eficiência atingida através de algoritmos que exploram redundância em sinais e as não- relevâncias (mascaramento) no domínio de freqüência baseado em um modelo do sistema auditivo humano sinais redundantes e irrelevantes são perdidos na codificação Ideal para ambientes que precisam de alta qualidade com um baixo bitrate: trilhas sonoras de jogos em CD-ROM, áudio para internet, sistemas de transmissão de áudio digital, etc.

50 MPEG Audio Layer-3 (MP3) Início do desenvolvimento em 1987 pelo IIS
Sinais digitais sem compressão: 16bits, 44.1KHz Mbit para 1s de música estéreo Através de codificação MPEG: redução do tamanho por um fator de 4-24 através de técnicas de codificação sonora perceptual Layer 3: reduções de vezes sem perda de qualidade Padronizado pela ISO e recomendado pela ITU-R para aplicações de broadcast que necessitem de um bitrate de 60 kbps/s por canal

51 MP3 Performance

52 Outros Formatos AIFF (Apple/SGI) RealAudio (Real Networks)
criado pela Apple para armazenamento de alta qualidade de instrumentos e som extensão AIFC ou AIFF-C suporta compressão RealAudio (Real Networks) voltado para streaming compressão lossy, otimizada para baixa utilização de banda IFF/8SVX (Amiga) versão para áudio do padrão IFF do Amiga VOC (Creative Labs) padrão criado pela Creative Labs para sua placa Sound Blaster, com limites de taxa de amostragem e de 8 bits de quantização

53 Mídias para áudio digital

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