geber ramalho & osman gioia - ufpe 1 armazenamento de sinais de Áudio fita magnética e...

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Geber Ramalho & Osman Gioia - UFPE

Armazenamento de Sinais de Áudio

Fita magnética e Gravadores analógicosGravadores digitais e CD

Arquivos de som para computador

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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)

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N SN S

N SN S

N SN S

Partículas Longitudinal e aleatoriamente direcionadas

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

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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...

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Característica de transferência A função de transferência não é linear

• as variações no sinal elétrico não são reproduzidas fielmente pela magnetização

• implica em distorção

entrada

saída

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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

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Gravadores

3 componentes• cabeças• eletrônica• mecânica

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Cabeças Cabeça 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

Cabeça de reprodução: Princípio inverso!

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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

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Pistas

Quatro pistas estéreo • cassete

N pistas mono (estúdio)• 8• 16• 24• 32

crosstalk• informação de uma pista

vaza para a outra

cabeça fitaesqdir

diresq

cabeça fita123

456

78

1

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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

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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

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Redutores de ruídoam

p

freq

ruído

freq

música

freq

=

amp

freq

ruído

freq

música

freq

=

NORMALNORMAL

ÊnfaseÊnfase

freq

Gra

vaçã

oG

rava

ção

Gra

vaçã

oG

rava

ção

repr

odu

ção

repr

odu

ção

freq

atenuaçãoatenuação

idéia: dar ênfase em certas freqüências na gravação e atenuá-las na reprodução

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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

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Vinil

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Toca-disco vinil: curiosidades ;-)

Disco• material: vinil• velocidade: 78, 45 ou 33 rpm

Reprodução: agulha + capsula

Sulcos e codificação

agulha

disco

sinal esquerdo induzido

sinal direito induzido

mono direito esquerdo d+e (em fase) d+e (em contrafase)

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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

Toca-disco vinil

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Armazenamento Digital de Áudio

Magnético: Fita e DATÓtico: Compact Disc (CD)

Eletrônico: Arquivos de computador

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Grava-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

analógico digital

A reprodução detecta mudanças de orientação

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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

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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

Sinal escrito

Sinal lido

Sinal reconstruído

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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

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Largura de bandaE

xem

plo

do v

ídeo

cas

sete

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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

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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

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DAT Gravadores DAT

• entradas e saídas digitais (cópias de alta fidelidade)• cabeças rotativas

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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

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DAT: track format

1 Margin 5 IBG 9 PCM 13 PLL (sub)

2 PLL (sub) 6 ATF 10 IBG 14 Sub-2

3 Sub-1 7 IBG 11 ATF 15 Postamble

4 Post amble 8 PLL (PCM) 12 IBG 16 Margin

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Formato da Trilha:

De um total de 196 blocos, 128 (parte 9) são realmente de som

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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

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Compact Disc: princípios

Armazenamento de bits baseado em princípios óticos

1,6 mm0,6 m

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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 6.3109 bits• 74 minutos e 33 segundos de áudio

– sugestão de Herbert von Karajan: duração de uma execução ininterrupta da 9a Sinfonia de Beethoven

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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)

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Codificação

Sync(27 bits)

SubCode

Data(96 bits)

Parity(32 bits)

Data(96 bits)

Parity(32 bits)

8 bitsP,Q,R,S,T,U,V,W(começo, fim, etc.)

0.163mm

1 frame (1/7.35 ms)

6 amostras PCM 16 bits

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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.

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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)

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Arquivos RIFF (Wave): Formato

Tamanho Descrição4 bytes “RIFF”4 bytes Tamanho do chunk (32 bits)4 bytes “WAVE”4 bytes “fmt”4 bytes Tamanho da descrição do arquivo2 bytes Flag para mono (0x01) ou estéreo (0x02)4 bytes Taxa de amostragem4 bytes Bytes/sample2 bytes Alinhamento do bloco2 bytes Bits/sample4 bytes “data”4 bytes Tamanho do segmento de dados(n bytes) Dados

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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

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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

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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>

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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

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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)

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MP3

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Histórico

No 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.

Em 1992,• foi definido um novo padrão para codificação de áudio

e vídeo, chamado ISO/IEC 11172 ou MPEG-1.

Logo depois • Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen

desenvolveu a codificação de áudio MPEG Layer-3 (IS 11172-3 e IS 13818-3).

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Taxa de Compressão

Layer I 1:4

1:6 … 1:8

1:10 … 1: 12

Layer II

Layer III

Comparação

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).

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Compressão de dados

Entropia 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

Codificação 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:

6666 6666 é transmitido como 86

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Compressão de dados

Vantagens:• Não é destrutivo

Desvantagens:• não é eficiente e nem suficiente para a música

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Psico-acústica

Fator 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

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Mascaramento

Dois tipos de mascaramento• Simultâneo• Temporal

Mascaramento 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.

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Mascaramento Simultâneo

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Mascaramento Temporal

Mascaramento 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.

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Mascaramento Temporal (cont.)

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Mascaramento Temporal e Simultaneo

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Codificação em Sub-bandas

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Divisão em Sub-bandas(cont.)

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MPEG Audio Tag ID3v1: Meta-Dados

O TAG • usado para descrever o arquivo MPEG• muito útil em busca na internet

Tamanho Descrição

3

30

30

30

30

4

1

TAG

Título

Artista

Álbum

Ano

Comentário

Gênero

Mídias para áudio digitalMídia Acesso Notas

Cabeça estacionária (fitamagnética)

Serial Gravação multitrackprofissional, váriosformatos coexistem

Fita de vídeo com cabeçarotatória (fita magnética)

Serial Vários formatos (VHS,8mm, Beta) e codificações

(NTSC, PAL, SECAM)Fita de áudio com cabeçarotatória (fita magnética)

Serial Formato profissionalNagra-D para gravações

em 4 canaisFita de Áudio Digital (DAT)

(fita magnética)Serial Compatibilidade mundial

Discos Rígidos(magnéticos e óticos)

Aleatório Discos removíveis sãomais lentos, porém mais

convenientesDisquetes (magnéticos) Aleatório Baratos, convenientes,

lentos, limitados e nãoconfiáveis

CDs (óticos) Aleatório Duráveis, vários níveis dequalidade, lentos para umamídia deste tipo de acesso

Memória (eletrônica) Aleatório Acesso rápido, excelentepara edição mas cara para

armazenamento

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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

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