1 / 50

Armazenamento de Sinais de Áudio

Armazenamento de Sinais de Áudio. Fita magnética e Gravadores analógicos Gravadores digitais e CD Arquivos de som para computador. Gravação/Armazenamento. Definição Meio pelo qual o som pode ser capturado permanentemente e, eventualmente, re-trabalhado

thadeus
Download Presentation

Armazenamento de Sinais de Áudio

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

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

  9. Cabeça de reprodução • Princípio inverso da gravação • 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

  10. Cabeça de apagamento • Idéia: • 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

  11. Velocidade • Analogia entre fita e amostragem • Velocidade da fita  taxa de amostragem • Largura física da fita  quantificação • Exemplo • gravar freqüência de 10kHz • como  = v/f • cassete:  = 4,75cm/s / 10000 = 0,5 m • rolo:  = 19cm/s / 10000 = 3,8 m

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

  13. Limitações das fitas • Resposta em freqüência • 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

  14. 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

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

  16. 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

  17. Vinil

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

  19. Toca-disco vinil • Gravação

  20. Toca-disco vinil • Controle motor da rotação • 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

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

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

  23. Porque Fita? • Motivação • 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

  24. Sinal escrito Sinal lido Sinal reconstruído Largura de banda • O grande desafio • 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

  25. 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

  26. Largura de banda Exemplo do vídeo cassete

  27. Balanço • Vantagens 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

  28. 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

  29. DAT • Gravadores DAT • entradas e saídas digitais (cópias de alta fidelidade) • cabeças rotativas

  30. 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

  31. DAT: track format Formato da Trilha: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 • De um total de 196 blocos, 128 (parte 9) são realmente de som

  32. 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

  33. 1,6 mm 0,6 m Compact Disc: princípios • Armazenamento de bits baseado em princípios óticos

  34. 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

  35. 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)

  36. 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) Codificação 8 bits P,Q,R,S,T,U,V,W (começo, fim, etc.) 6 amostras PCM 16 bits

  37. DVD • Digital Video Disc/Digital Versatile Disc • Aliança depois de disputa entre versões da Sony/Philips e da Time Warner/Toshiba • Lançamento no Japão em 1996 • DVD x CD

  38. DVD • DVD x CD • Trilhas mais finas e buracos menores (=> menor comprimento de onda do laser) • Nova tecnologia de compressão (menos redundância) • 2 Camadas: diferença de foco do laser

  39. DVD • Além disso, o DVD pode ter lados • Tamanhos • 4.7 GB (single-sided, single-layer) • 8.5 GB (single-sided, double-layer) • 9.4 GB (double-sided, single-layer) • 17.08 GB (double-sided, double-layer – rare)

  40. Blu-ray

  41. 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.

  42. 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)

  43. 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

  44. Arquivos Wave • Taxa de amostragem • dada em Hz (ex. 44.100Hz) • 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

  45. 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, 44100 e 48000 • formato “big-endian byte order” • Esquerdo (LSB) | Direito (MSB) • manipulação incluídas nos sistemas operacionais da Sun e em Java • auto-descritivo

  46. Formato .au Offset Tamanho Descrição 0 4 bytes ".snd" 4 4 bytes <Header size (h)> 8 4 bytes <Sample data size (s)> 12 4 bytes <Audio file encoding> 16 4 bytes <Sample rate> 20 4 bytes <Number of channels> 24 (h-24)bytes <Comment> (h) (s)bytes <Sample data>

  47. Outros Formatos • AIFF (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 • 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

  48. Outros Formatos • MPEG 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 • RealAudio (Real Networks) • voltado para streaming • vários esquemas de compressão lossy, usando plug-ins codecs (audio coder/decoder routines)

  49. Mídias para áudio digital

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

More Related