Processamento de sinais de
áudio
Tipos, funcionamento e uso
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Processamento de Sinais de Áudio
 Processamento: manipulação feita em um sinal para
• melhorar a qualidade do sinal em algum aspecto
• criar efeitos especiais
• melhorar relação sinal-ruído, etc.
 Tecnologia do processamento
• digital (muito mais usado atualmente)
• analógico
 Dimensão do processamento
• um sinal: intensidade, espectro, tempo ou múltipla
• um ou mais sinais: mistura (mixagem), síntese, etc.
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Processadores de sinais
 Alteração na dinâmica (amplificação/atenuação)
• compressores, limitadores & noise gates
• modelador de envoltória
 Mudança no espectro
• Filtros & equalizadores (shelf, gráfico, paramétrico, ...)
 Efeitos de atraso de tempo
• delayers & reverberadores
 Mudança no tempo/altura
• Flanger, phasing, chorus
• Process. psicoacústico (pitch shifter, vocoder, etc.)
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Alteração na dinâmica
Amplificadores
Modeladores de envoltória
Limitadores
Noise-gates
Compressores
Expansores
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Amplificação/Atenuação
 Amplificação/Atenuação
• Operação de aumento/diminuição (ênfase/de-ênfase)
do volume do sinal realizada pelo amplificador
• cada ponto é “somado/subraído” pelo ganho do
amplificador (em dB)
• é o processamento mais básico
dB
20
10
0
-10
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+ 10dB
tempo
dB
20
10
0
-10
tempo
5
Modelagem de envoltória
 Modelagem de envoltória (envelope shaping)
• operação mais sofisticada onde a amplificação é
variável no tempo conforme uma envoltória
• pode ser aplicado a um único objeto musical ou a toda
uma passagem
dB
20
10
0
-10
×
tempo
=
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dB
20
10
0
-10
dB
20
10
0
-10
tempo
tempo
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Compressão
 Compressão
• Amplificação cujo ganho é controlado pelo próprio sinal
de entrada: diminui fortes e aumenta fracos,
“compactando” o sinal
dB
20
10
0
-10
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Compr.
tempo
dB
20
10
0
-10
tempo
7
Compressão
 Uso
• melhorar a relação sinal-ruído na transmissão e
armazenagem evitando distorção/clipping
• manter nível do sinal mais constante
– ex. compensar as variações da voz do cantor no palco
devido à posição do microfone
• dar mais sustentação ao som
– ex. guitarra solo
dB
dB
20
10
0
-10
20
10
0
-10
tempo
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clipping
tempo
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Compressor
 Parâmetros principais
• taxa de compressão: razão entrada-saída (E:s)
• tempo de ataque: quão rápida a compressão passa a
atuar uma vez ultrapassado um certo limiar
• tempo de decaimento: quão rápida a compressão
cessa depois de que o sinal volta a ficar abaixo de um
certo limiar
 Algoritmo geral
• para toda amostra de entrada i
• o := f(i), onde é a função de transferência
• retorne o
 segundo a função de transferência
• pode-se simular o limitador, descompressor, etc.
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Funções
de
transferência
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Redução de ruído (noise gate)
 Funciona como uma chave (gatilho) para eliminar
ruído
• assim que o sinal de áudio cai abaixo do limiar de
detecção, elimina o sinal e o ruído que iria ser ouvido
• é uma espécie de limitador ao contrário
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Redução de ruído
 Uso
• minimizar hiss de fitas e outros ruídos
• “limpar” ou “compactar” o sons percussivos
 Parâmetros principais
• Limiar de detecção de sinal (dB), tempo de ataque e
de decaimento
para toda amostra de entrada i
se valor(i) < limiar L
então o := 0
senão o := valor (i)
retorne o
saída
 Algoritmo
entrada
Função de transferência
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Exercícios
 http://www.cin.ufpe.br/~musica/cmps/exemploswave/
1. Excluir ruido de welcome+noise.wav
2. Mixar noise.wav com welcome-12db.wav de
forma minimizar o ruído
1.
2.
3.
4.
5.
Normalizar (amplificar) a voz
Mixar com ruído (sem mexer na potência)
Reduzir tudo
Processar mais (eventualmente)
Ouvir
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Alteração no espectro
Filtros: conceitos, caracterização e tipos
Equalizadores: tipos e uso
Implementação de filtros
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Filtros
 Definição (corriqueira)
• dispositivos que amplificam ou atenuam regiões do
espectro sonoro
 Mede-se o efeito de um filtro nos domínios da
freqüência, do tempo e da fase
Antes da filtragem
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Depois da filtragem
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Conceitos: freq. de corte e bandas
 Freqüência de corte (fc)
• ponto onde a redução atinge 0,707 (-3dB) do valor
máximo
 Bandas
• de passagem (sem atenuação), de transição e de
rejeição (atenuação total)
passa
atenua
ampl.
ampl.
1
1
0
fc
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freq.
0
rejeição transição passagem
fc
freq.
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Conceitos: inclinação (slope)
dB
 Curva de amplificação ou atenuação de um
determinado Filtro (db/oitava)
12
9
6
3
0
-3
-6
-9
-12
3db/8
62,5
125
250
500
1000
2000
4000
8000
16000
dB
Hz
12
9
6
3
0
-3
-6
-9
-12
62,5
6db/8
125
250
500
1000
2000
4000
8000
16000
Hz
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Conceitos: Pico e Vale
 Pico
• Valor máximo positivo (maior tensão ou pressão
sonora) encontrado na forma de onda ou na resposta
em freqüência
9
6
dB
3
0
-3
-6
-9
20
100
200
500
1000
2000
5000
10000
20000
Hz
 Vale
• inverso do pico
9
6
dB
3
0
-3
-6
-9
20
100
200
500
1000
2000
5000
10000
20000
Hz
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Conceitos: freq. central, Q e ganho
 Freqüência central
• ponto máximo (pico) ou mínimo (vale) de um filtro
passa ou rejeita banda
 Largura de banda Q
• Q = fcentral / fcalta - fcbaixa
as fc estão a -3dB de fcentral
• quanto maior Q, mais estreito a largura do filtro
 Ganho
ampl.
freqüência
central
1
largura
0
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ganho
• quantidade de atenuação
ou amplificação
freq.
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Tipos de filtros
Passa-baixas
Passa-altas
Passa-banda
Rejeita-banda
Shelf`
Passa tudo
Pente
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Filtro Passa Baixas (Low Pass)
 Atuação
• permite a passagem de componentes espectrais
abaixo de uma freqüência de corte, e atenua as acima
dela.
• O mesmo que Filtro Corta-altas (High cut)
9
6
dB
3
0
-3
-6
-9
20
100
200
500
1000
2000
5000
10000
20000
Hz
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21
Filtro Passa Altas (High Pass)
 Atuação
• permite a passagem de componentes espectrais
acima de uma freqüência de corte, e atenua as abaixo
dela.
• O mesmo que Corta-Baixas (Low cut)
9
6
dB
3
0
-3
-6
-9
20
100
200
500
1000
2000
Hz
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5000
10000
20000
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Filtro Passa Banda ou Passa Faixa
(Band Pass)
 Atuação
• permite a passagem de componentes espectrais de
uma determinada faixa (banda) de freqüências, e
atenua (rejeita) as que ficam acima ou abaixo dela
9
6
dB
3
0
-3
-6
-9
20
100
200
500
1000
2000
5000
10000
20000
Hz
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Filtro Rejeita Banda ou Rejeita Faixa
(Notch Filter)
 Atuação
• rejeita os componentes espectrais de uma
determinada faixa (banda) de freqüências, e deixa
passar as que ficam acima ou abaixo dela
9
6
dB
3
0
-3
-6
-9
20
100
200
500
1000
2000
5000
10000
20000
Hz
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Filtro Passa Tudo (all pass)
 Atuação
• Não provoca nenhuma rejeição das componentes
espectrais,
• o intuito é provocar desvio de fase proporcional a
freqüência da componente espectral
9
6
dB
3
0
-3
-6
-9
20
100
200
500
1000
2000
5000
10000
20000
Hz
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25
Equalização
 Equalizadores
• utilização de filtros para modificar a resposta em
freqüência de um sinal de áudio
 Tipos de Equalização
• Controle de Graves e Agudos
• Gráfica
• Paramétrica
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Controle de Graves e Agudos
 Tipo mais simples de equalização
• Filtros do tipo Shelf
• Valores típicos
–  15 dB a 100 Hz
–  15 dB a 10 KHz
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20
00
0
50
00
10
00
0
20
00
10
00
50
0
10
0
50
25
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
27
Equalização Gráfica
 Atuação:
• Filtros passa/rejeita faixa com ganho variável, freqüência
central e largura fixas
• Amplifica ou atenua freqüências predeterminadas através
de potenciometros deslizantes, colocados lado a lado
verticalmente, dividindo o espectro em várias bandas (5 a
31)
• A posição espacial dos potenciometros indica
graficamente a resposta de freqüência resultante
15
12
9
6
3
0
-3
-6
-9
-12
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Hz
0
00
0
20
00
0
16
00
00
12
80
00
60
00
40
00
30
00
20
00
15
00
10
0
75
0
50
5
37
0
25
6
18
5
12
96
64
48
32
-15
16
dB
28
Equalização Paramétrica
 Atuação
• Filtros passa/rejeita faixa com ganho,
freqüência central e largura variáveis
• muito versátil porém menos intuitivo
ampl.
1
0
freq.
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Uso da equalização
• Melhorar a qualidade sonora de um instrumento
– ex. corte em torno de 250 Hz melhora claridade de um
violão
• Produzir efeitos especias
– ex. dar som de telefone à voz
• Ressaltar um instrumento mascarado por outros
• Compensar deficiências na resposta em freqüência
– ex. microfones com resposta não plana
• Compensar posicionamento de microfones
– ex. efeito de proximidade
• Reduzir ruído e vazamento
– ex. rejeitando na faixa fora daquela do instrumento
• Compensar não-linearidade da percepção sonora
– ex. controle de audibilidade (loudness)
• etc.
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Exercícios
 http://www.cin.ufpe.br/~musica/cmps/exemploswave/
3. Separar as senoides do arquivo 4-senoides.wav
4. Melhorar resultado do noise-gate do exercício 1
(arquivo welcome+noise+gate.wav)
•
Dica: filtrar
5. Deixar só a voz de joao.wav
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