Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 1 Sinais de áudio Conversão entre som e sinal analógico Conversão entre sinal analógico e digital.

Apresentação em tema: "Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 1 Sinais de áudio Conversão entre som e sinal analógico Conversão entre sinal analógico e digital."— Transcrição da apresentação:

1 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 1 Sinais de áudio Conversão entre som e sinal analógico Conversão entre sinal analógico e digital

2 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 2 Sinais de áudio Existem várias “representações” para o som fenômeno Onda sonora (mecânica) Onda elétrica analógica Onda elétrica digital

3 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 4 Caminho do Sinal de Áudio Analógico Conceitos importantes Captação (microfones) Processamento (mixagem, reverberação, equalização...) Armazenamento (gravação) Reprodução (alto-falantes)

5 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 6 Ex. Microfone Dinâmico: Bobina móvel 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 SN imã Bobina Diafragma corrente

7 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 9 Áudio Digital memória Computador ou dispositivo eletrônico Conversão A/D Pré-amplificador Conversão D/A Amplificador Placa de som

10 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 10 sinal analógico amostrado Conversão A/D: Amostragem & Codificação PCM-linear sinal analógico amostra período de amostragem (T) sinal digital (PCM) 001, 010, 011, 100, 100, 100, 011,... Freqüência ou taxa de amostragem Fa = número de amostras por segundo (Fa = 1/T)

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

12 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 12 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,...

13 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 13 Amostragem

14 Cortesia LCMM-UnB Amostragem 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?

15 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 15 Aliasing (ou Foldover) Aliasing 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

16 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 16 Aliasing: exemplo 1/3 Fa = 1000Hz (fixa) 8 amostras/ciclo f resultante = 125 Hz f original = 125 Hz

17 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 17 Aliasing: exemplo 2/3 Fa = 1000Hz (fixa) 2 amostras/ciclo f resultante = 500 Hz f original = 500 Hz

18 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 18 Aliasing: exemplo 3/3 Fa = 1000Hz (fixa) 10/11 amostras/ciclo f resultante = 100 Hz f original = 1100 Hz

19 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 19 Teorema da amostragem Critério de Nyquist 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

20 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 20 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

21 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 21 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. 1010 freqüência de corte (fc) passaatenua Inclinação (dB/oitava) fc

22 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 22 Quantificação

23 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 23 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)

24 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 24 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

25 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 25 Erro de quantificação: exemplo

26 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 26 2 1 = 2 2 2 = 4 2 3 = 16... 2 8 = 256... 2 16 = 65536 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 + 1.76 ex. 8 bits => 49,8 dB, 16 bits => 98,08 dB Trade-off: Quanto maior mais preciso, porém mais dispendioso

27 Dither: exemplo Sem ditherCom dither

28 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 28 Codificação e Numeração

29 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 29 Codificações Codificar 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.

30 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 30 AM e FM sinalportadora (freq. do dial) AM FM

31 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 31 Modulações por Pulso

32 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 32 PCM-Linear 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) sinal analógico amostrado sinal digital:001, 010, 011, 100, 100, 100, 011,...

33 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 33 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”)

34 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 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 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 38 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) etc.

39 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 39 Resumindo...

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

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

42 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 42 Referências

43 Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE 43 Referências Curtis Roads, The Computer Music Tutorial (Livro-texto), MIT Press. 1996. 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)