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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
N
N
S
S
N
N
S
S
N
N
S
S
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
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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 < 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
cabeça
fita
• cassete
 N pistas mono (estúdio)
•
•
•
•
8
16
24
32
 crosstalk
• informação de uma pista
vaza para a outra
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esq
dir
dir
esq
cabeça
fita
1
2
3
4
5
6
7
8
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
amp
NORMAL
ruído

música
=
freq
freq
freq
amp
Ênfase
ruído

música
=
freq
freq
freq
atenuação
freq
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freq
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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
sinal esquerdo
induzido
sinal direito
induzido
agulha
disco
 Sulcos e codificação
mono
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direito
esquerdo
d+e (em fase) d+e (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
analógico
digital
 A reprodução detecta mudanças de orientação
Sinal magnético
Sinal lido
Sinal reconstituído
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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)
Sinal escrito
Sinal lido
Sinal reconstruído
 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 útil”da fita
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Largura de banda
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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
Formato da Trilha:
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 11 12 13 14 15 16
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 Post
amble
4
Post amble
8
PLL (PCM)
12 IBG
16 Margin
 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
0,6 m
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1,6 mm
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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
0.163mm
1 frame (1/7.35 ms)
Sync
Sub
(27 bits) Code
Data
(96 bits)
8 bits
P,Q,R,S,T,U,V,W
(começo, fim, etc.)
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6 amostras
PCM 16 bits
Parity
Data
(32 bits) (96 bits)
Parity
(32 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 (=> 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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43
Arquivos RIFF (Wave): Formato
Tamanho
4 bytes
4 bytes
4 bytes
4 bytes
4 bytes
2 bytes
4 bytes
4 bytes
2 bytes
2 bytes
4 bytes
4 bytes
(n bytes)
Descrição
“RIFF”
Tamanho do chunk (32 bits)
“WAVE”
“fmt”
Tamanho da descrição do arquivo
Flag para mono (0x01) ou estéreo (0x02)
Taxa de amostragem
Bytes/sample
Alinhamento do bloco
Bits/sample
“data”
Tamanho do segmento de dados
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 = 16bit 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
0
4 bytes
4
4 bytes
8
4 bytes
12
4 bytes
16
4 bytes
20
4 bytes
24 (h-24)bytes
(h)
(s)bytes
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Descrição
".snd"
<Header size (h)>
<Sample data size (s)>
<Audio file encoding>
<Sample rate>
<Number of channels>
<Comment>
<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 plugins codecs (audio coder/decoder routines)
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Mídias para áudio digital
Mídia
Acesso
Notas
Cabeça estacionária (fita
magnética)
Serial
Fita de vídeo com cabeça
rotatória (fita magnética)
Serial
Fita de áudio com cabeça
rotatória (fita magnética)
Serial
Fita de Áudio Digital (DAT)
(fita magnética)
Serial
Gravação multitrack
profissional, vários
formatos coexistem
Vários formatos (VHS,
8mm, Beta) e codificações
(NTSC, PAL, SECAM)
Formato profissional
Nagra-D para gravações
em 4 canais
Compatibilidade mundial
Discos Rígidos
(magnéticos e óticos)
Aleatório
Disquetes (magnéticos)
Aleatório
CDs (óticos)
Aleatório
Memória (eletrônica)
Aleatório
Discos removíveis são
mais lentos, porém mais
convenientes
Baratos, convenientes,
lentos, limitados e não
confiáveis
Duráveis, vários níveis de
qualidade, lentos para uma
mídia deste tipo de acesso
Acesso rápido, excelente
para edição mas cara para
armazenamento
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
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