Bio-engenharia Aplicada aos DCH

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Captulo 7

Sinais Analgicos e Digitais

O udio digital a mais promissora tcnica na rea da eletroacstica. As primeiras

pesquisas para digitalizao dos sinais comearam no Japo, em 1969, com a apresentao do

primeiro gravador digital pela empresa NHK. Com o advento do Compact Disc (CD) em 1983,

o sinal digital atingiu a populao, sendo hoje o principal meio de gravao de sinais

eletroacsticos.

1. Sinal Analgico

O sinal analgico (anlogo, similar) a simples transformao do sinal acstico, ou o

movimento das molculas no ar, em tenso num fio condutor. Se um instrumento cria um som

com um timbre (forma de onda), este som ao chegar a um microfone transformado em sinal

eltrico (tenso) anlogo ao timbre do som.

Outra caracterstica de um sinal analgico a sua continuidade. A Figura 7.1. mostra um

sinal analgico.

Figura 7.1 Sinal analgico.

2. Sinal Digital O sinal digital composto de sinais discretos (no contnuos) no tempo, podendo ser

transformados em nmeros. A Figura 7.2 mostra o sinal digitalizado. Notamos que a onda foi

dividida em pequenos intervalos de tempo, atribuindo-se uma amplitude a cada intervalo.

Aparecem ento as duas principais variveis do sinal digital: a amplitude de cada intervalo e o

nmero de intervalo.

+1

-1

volt

Tempo

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Figura 7.2 Digitalizao de um sinal analgico.

A amplitude indicada em nmeros binrios. Este nmero binrio pode ser de 2, 4, 8, 16

ou 32 bits, definindo a preciso da converso analgica/digital.

A Tabela 7.1 mostra a transformao do sistema decimal (usado universalmente) para o

sistema binrio.

Tabela 7.1 Transformao do sistema decimal para binrio para 4 bits.

Sistema decimal Sistema binrio 0 0000

1 0001

2 0010

3 0011

4 0100

5 0101

6 0110

7 0111

8 1000

9 1001

10 1010

11 1011

12 1100

13 1101

14 1110

15 1111

Para 2 bits podemos obter 4 nmeros diferentes; para 4 bits, 16 nmeros; para 8 bits, 256

nmeros, para 16 bits 65.536, etc. Assim, para 2 bits podemos variar o sinal de entrada em 4

passos; para 8 bits, a variao ser em 256 passos. Quanto maior o nmero de bits, maior a

resoluo que teremos na amplitude do sinal.

O mesmo raciocnio pode ser feito com os intervalos de tempo. Quanto maior o nmero

de divises melhor ser a preciso da converso. Estas divises so chamadas de sampling rate, recebendo os valores normalizados de 11.025 (divises por segundo, ou Hz), 22.050 Hz e 44.100 Hz.

Portanto, o nmero de bits e o sampling rate definem a qualidade de um sinal digital. Os

sinais com boa qualidade (chamada de qualidade de CD, pois usam os mesmos parmetros dos

compact disc) tm 16 bits e 44.1 kHz de sampling rate.

A Figura 7.3 mostra estes dados.

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Figura 7.3 Diferentes nmero de bits e sampling rate de um sinal.

Nas Figuras 7.3 A e B o sampling rate o mesmo mas a figura A a resoluo de 2 bits e na figura B 4 bits. Nas figuras C e D o sampling rate foi dobrado em relao a A e B, sendo a figura C de 4 bits e a figura D de 8 bits. Observar a dramtica diferena que estas variveis fazem na forma da onda.

3. PCM Pulse Code Modulation

O PCM a representao de um nmero binrio por um fluxo de pulsos de acordo com

cdigo escolhido. O sinal toma a forma de uma seqncia de pulsos, com nveis altos e baixos

de tenso. Algumas codificaes representam diretamente o sinal (NRZ = non return to zero),

com alto nvel para o 1 e baixo nvel para o 0; outros (PE = phase encoding) representam o 1

pela mudana ascendente do sinal (de baixo para alto nvel) e o 0 pela mudana descendente do

sinal (de alto para baixo nvel). O sistema BM (bi-phase mark) usado para transmisso de

sinais de udio entre diferentes equipamentos, enquanto o EFM (eight-to-fourteen modulation)

usado em Compact disk (CD).

A Figura 7.4 mostra alguns tipos de PCM.

4. Resposta em freqncia

A freqncia de resposta de um sinal digital est diretamente ligada sampling rate. De

acordo com o Teorema de Nyquist, a maior freqncia a ser digitalizada sem deformaes no

sinal igual a metade da sampling rate. Portanto, para sinais de udio, para a sampling rate igual

a 44,1 kHz, todos os sinais at 22 kHz sero digitalizados sem qualquer distoro.

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Figura 7.4 - Alguns tipos de PCM

5. Faixa dinmica

A faixa dinmica do sinal digital depende exclusivamente do nmero de bits usado na

transformao. A Tabela 7.2 mostra estes valores:

N. de Bits Faixa dinmica -dB 2 12

4 24

8 48

12 72

16 96

24 144

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6. Quantidade de Memria Usada

Quando o processo de converso de sinais analgicos em digitais realizado por um

computador, existe a necessidade de se dispor de uma certa quantidade de memria RAM para

gravao do sinal digital. Esta quantidade pode ser calculada pela equao:

Memria = (tempo) x (n canais) x (sampling rate) x (bits/8)

Portanto a digitalizao de uma msica estreo (2 canais), com 4 segundos, gravada com 16 bits

de resoluo, com sampling rate de 44 kHz ocupar:

Memria = (4 segundos) x (2 canais) x (44.100) x (16/8) = 704 kb.

7. Equipamentos

O processamento de sinais digitais cria uma alterao nos esquemas convencionais de

sistemas eletroacsticos. Este esquema mostrado na Figura 7.5.

Figura 7.5 Configurao de um sistema de udio digital.

A captao ou gerao do sinal analgico pode ser realizada por transdutores

(microfones, instrumentos musicais, etc.) que produzem no fio condutor uma tenso

proporcional ao sinal acstico. Este sinal transformado pelo Conversor Analgico Digital

(CAD ou ADC = Analog to digital Converter) para pulsos, de acordo com os parmetros da

converso (nmero de bits e sampling rate). Na Unidade Central de Processamento o sinal

digital tratado por softwares conforme as necessidades: amplificado, filtrado, limpo de rudos,

comprimido, expandido, atrasado (delay), defasado, como tambm corrigidos os erros de

transformao/codificao. Em seguida o sinal digital processado transformado em sinal

analgico pelo Conversor Digital Analgico (CDA ou DAC = Digital to Analog Converter) para

ser amplificado pelo Amplificador de Potncia e ser novamente transformado em som pelo

transdutor eletroacstico (alto-falante).

8. Gravao de sinais digitais

A gravao de sinais digitais oferece grandes vantagens em relao gravao analgica.

As principais so:

Captao do

sinal

(analgico)

Unidade de

processamento

CPU

A/D D/A

Amplif.

de

Potncia

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Resposta em Freqncia entre 10 Hz e 22 kHz para sampling rate de 44,1 kHz; Relao Sinal/Rudo (S/N) de 96 dB, para 16 bits de resoluo; Faixa Dinmica acima de 90 dB, para 16 bits de resoluo; Distoro Harmnica Total (DHT) menor que 0,005 %; Possibilidade de visualizao do sinal; Equipamentos mais simples e de menor custo.

Vamos ver os princpios das gravaes magnticas e ticas.

8.1 Gravao Magntica

A gravao magntica digital pode ser realizada em discos magnticos como disquetes e

discos rgidos (HD ou Winchester) de computadores, ou em fitas magnticas.

Para gravao em fitas magnticas, o mais conhecido o DAT (Digital Audio Tape), que

um gravador/reprodutor digital que usa fitas cassetes. Existem dois modelos de DAT: o que

opera com a cabea de gravao/reproduo rotativa (RDAT) e o que usa a cabea estacionria

(SDAT). A fita magntica formada de uma cinta plstica de 9 m de espessura com uma

camada de Ni-Co ferromagntico de 0,1 m se deslocando a uma velocidade de 9,5 cm/s. O PCM das informaes o HDM-1 (Figura 7.4) com resoluo de 16 bits e sampling

reate de 44,1 kHz.

8.2 Gravao tica

O disco de udio digital tico (conhecido como CD, ou compact disk) um sistema de

gravao que ganhou rapidamente o mercado, em razo de sua superioridade na qualidade do

som. A principal vantagem em relao aos discos convencionais (LPs) a no existncia de

contatos entre o disco e a cabea (ou pickup) de reproduo, eliminando todos os problemas de

atrito.

O CD usa um disco de plstico PVC com 12 cm de dimetro e 1,3 mm de espessura, cuja

superfcie coberta com um filme de alumnio reflexivo. O disco gira em rotaes variveis

entre 200 rpm e 500 rpm, fazendo com que a leitura do sinal se faa com velocidade constante

de 1,2 m/s. O sinal digital de udio gravado em uma trilha espiral (do centro para a borda) de

0,16 m de profundidade, 0,4 de largura, espaadas de 1,6 m entre elas (Figura 7.6).

Figura 7.6 Configurao de um disco tico digital de udio (CD)

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A modulao PCM (EFM, da Figura 7.4) representada por pontos reflexivos e opacos.

Um feixe de raio laser gerado por um semicondutor (GaAlAs) incide sobre a trilha do disco,

gerando um raio refletido pulsante, conforme a reflexo da gravao. Este raio pulsante ao

incidir sobre uma clula fotoeltrica produz um sinal eltrico correspondente gravao digital

do disco, podendo ser transformado em sinal analgico por um conversor digital/analgico. A

Figura 7.7 mostra o sistema tico de reproduo de um CD.

Figura 7.7 Sistema tico de reproduo de um CD.