Armazenamento de Sinais de

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Armazenamento de Sinais de Áudio

• Fita magnética e Gravadores analógicos
• Gravadores 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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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
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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

saída
entrada
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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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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

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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 lt comprimento de onda
• se for maior, não conseguirá captar nas
  extremidades do núcleo a variação de fluxo
  magnético

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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

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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

fita
cabeça
1
1
2
3
4
5
6
7
8
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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 ruído
idéia dar ênfase em certas freqüências na
gravação e atenuá-las na reprodução
NORMAL
Gravação
?

Ênfase
Gravação
?

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

• Disco
• material vinil
• velocidade 78, 45 ou 33 rpm
• Reprodução agulha capsula
• Sulcos e codificação

mono
direito
esquerdo
de (em fase)
de (em contrafase)
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Toca-disco vinil

• Gravação

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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

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Armazenamento Digital de Áudio

• Magnético Fita e DAT
• Ótico Compact Disc (CD)
• Eletrônico Arquivos de computador

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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

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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

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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 útilda fita

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Largura de banda
Exemplo do vídeo cassete
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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 quantificação12 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
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

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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

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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 6.3?109 bits
• 74 minutos e 33 segundos de áudio
• sugestão de Herbert von Karajan duração de uma
  execução ininterrupta da 9a Sinfonia de Beethoven

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

  DVD CD
Diameter 120mm 120 mm
Thickness 0.6 mm 1.2 mm
Track Pitch 0.74 nanometers 1.6 nanometers
Minimum Pit Length 0.40 nanometers 0.834 nanometers
Laser Wavelength 640 nm 780 nm
Data Capacity 4.7 GB .68 GB
Layers 1,2,4 1
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DVD

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

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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)

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Blu-ray
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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 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
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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 ltHeader size (h)gt 8
4 bytes ltSample data size (s)gt 12 4
bytes ltAudio file encodinggt 16 4 bytes
ltSample rategt 20 4 bytes ltNumber of
channelsgt 24 (h-24)bytes ltCommentgt (h)
(s)bytes ltSample datagt
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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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Mídias para áudio digital
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Referências

• Ken C. Pohlman, Principles of Digital Audio,
  McGraw Hill, 1995, 3rd Edition
• http//home.sprynet.com/cbagwell/AudioFormats.htm
  l
• http//www.iis.fhg.de/amm/techinf/layer3/index.htm
  l
• 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