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Conceitos Básicos de Áudio Digital - Aula de Introdução à Multimídia

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IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 1
INTRODUÇÃO À MULTIMÍDIA
Conceitos Básicos de Áudio Digital
Prof. Daniel Cunha
dcunha@cin.ufpe.br
2 / 60
Roteiro
� Propriedades Físicas do Som
� O sistema auditivo humano
� Sinais senoidais
� Parâmetros perceptuais do som
� Representação de sinais: tempo e frequência
� Representação Digital de Sinais de Áudio
� Introdução (classificação e largura de banda)
� Digitalização do som
� Amostragem e reconstrução
� Quantização e codificação
� Erro de quantização
3 / 60
Roteiro
� Qualidade de áudio e taxa de dados (tamanho de arquivo)
� Conclusões
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 2
4 / 60
Propriedades Físicas do Som
(O sistema auditivo humano)
� Principal ferramenta de quem trabalha com áudio.
� É dividido em ouvido externo, médio e interno.
5 / 60
Propriedades Físicas do Som
(O sistema auditivo humano)
� Audição
� Percepção de flutuações periódicas da pressão.
� O ouvido não percebe valores estáveis.
� Limites da percepção.
6 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Sinais senoidais)
� Dispositivos eletrônicos
� Equipamentos que lidam com sinais sonoros.
� Necessidade de conversão de formatos (transdutores).
� Estudo de sinais periódicos
� Propriedades
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 3
7 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Sinais senoidais)
Tempo
Geração de uma senóide (analogia).
Representação de uma senóide no domínio do tempo.
8 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Sinais senoidais)
Valor
Tempo
9 / 60
amplitude
tempo
Valor de pico
Propriedades Físicas do Som
(Sinais senoidais)
� Amplitude
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 4
10 / 60
amplitude
Período = 1/6 s
Seis períodos em 1s : frequência = 6 Hz
tempo
Propriedades Físicas do Som
(Sinais senoidais)
� Frequência
11 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Sinais senoidais)
Unidades de período e frequência.
12 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Sinais senoidais)
� Fase
amplitude amplitude amplitude
tempo tempo tempo
ciclo ciclo
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 5
13 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Sinais senoidais)
� Exemplos
14 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Sinais senoidais)
� Exemplos
15 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Sinais senoidais)
� Exemplos
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 6
16 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Parâmetros perceptuais do som)
� Intensidade
� Distinção entre sons fortes e sons fracos.
� Percepção da amplitude da vibração sonora (potência
acústica).
17 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Parâmetros perceptuais do som)
� A percepção do ouvido em relação à potência não é linear, e
sim logarítmica.
� Unidade de medida de intensidade sonora: decibel (dB).
( ) 2
1
10 log PI dB
P
 
=  
 
18 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Parâmetros perceptuais do som)
Limiar de audição para diferentes frequências.
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 7
19 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Parâmetros perceptuais do som)
Som I (dB)
Limiar de audibilidade 0
Rumorejar das folhas 10
Sussurrar 30
Barulho de um mosquito 40
Conversa normal 50
Aspirador 70
Trânsito intenso 80
Concerto de rock 120
Avião a jato próximo 150
Ruptura do tímpano 160
Exemplos de níveis de intensidade para sons típicos.
20 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Parâmetros perceptuais do som)
� Altura
� Distinção entre sons baixos (graves) e sons altos (agudos).
� Sons complexos: percepção da frequência fundamental.
� Percepção da intensidade: depende da frequência.
� Melhor audibilidade: 300 Hz a 3.300 Hz (telefonia).
21 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Parâmetros perceptuais do som)
� Fase
� Ângulo inicial da senóide.
� Importante em várias técnicas de codificação de dados.
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 8
22 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Parâmetros perceptuais do som)
� Timbre
� Distinção de sons emitidos por instrumentos diferentes.
� Representação de sinais nos domínios do tempo e da
frequência
� Domínio do tempo
� Domínio da frequência*
� Espectro do sinal
� Transformada de Fourier
J.B. Joseph Fourier (1768 – 1830)
Séries e Transformada de Fourier: condução de calor 
23 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Representação de Sinais)
� Representação (ideal) no domínio da frequência
Domínio 
do tempo
Domínio 
da frequência
tempo frequência
Um sinal com frequência zero.
24 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Representação de Sinais)
� Representação (ideal) no domínio da frequência
Um sinal senoidal com frequência de 8 Hz.
tempo frequência
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 9
25 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Representação de Sinais)
� Representação (ideal) no domínio da frequência
Um sinal senoidal com frequência de 16 Hz.
frequênciatempo
26 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Representação de Sinais)
� Sinais compostos
� Análise de Fourier.
� Várias senóides com diferentes características.
� Aplicação em comunicação de dados.
Sinal representado por uma onda quadrada.
tempo
amplitude
27 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Representação de Sinais)
� Sinais compostos
Composição de sinais: fundamental e harmônicos.
amplitude
tempo
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 10
28 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Representação de Sinais)
� Sinais compostos
Composição da onda quadrada: soma dos três primeiros harmônicos.
tempo
29 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Representação de Sinais)
� Sinais compostos
Espectro de frequência de uma onda quadrada.
Espectro de frequência dos três primeiros harmônicos.
frequência
frequência
30 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Representação de Sinais)
� Sinais compostos
Espectro de sons musicais: (a) clarineta. (b) harpa.
(a)
(b)
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 11
31 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Representação de Sinais)
� Filtragem
� Operação de processamento (domínio da frequência).
� Atenuação ou realce de componentes.
� Classificação dos filtros
� Passa-baixa: corte de frequências acima de fc.
� Passa-alta: corte de frequências abaixo de fc.
� Passa-faixa: aceitam frequências entre certos limites.
� Rejeita-faixa: rejeitam frequências entre certos limites.
32 / 60
Propriedades Físicas do Som
(Representação de Sinais)
� Filtragem
Funções de transferência dos tipos básicos de filtros.
33 / 60
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Introdução: classificação dos sinais)
Sinal de tempo e valor contínuos.
Sinal de tempo discreto e valor contínuo.
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 12
34 / 60
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Introdução: classificação dos sinais)
Sinal de tempo contínuo e valor discreto.
Sinal de tempo e valor discretos.
35 / 60
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Introdução)
� Largura de banda
� Faixa de componentes espectrais de um sinal.
� Propriedade de um meio de transmissão*.
Largura de Banda = 4000 Hz
amplitude
frequência
36 / 60
� Dispositivos e sistemas analógicos
� Sinal elétrico analógico.
� Amplificadores e gravadores de fita cassete.
� Dispositivos e sistemas digitais
� Sequências de números.
� Redes telefônicas digitais, CD, fita DAT e computadores
com interface de som.
Rep. Digital de Sinais de Áudio(Digitalização do som)
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 13
37 / 60
� Sinais digitais: maior imunidade ao ruído
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Digitalização do som)
Fonte: Modern Digital and Analog Comm. Systems, Lathi, 2009.
38 / 60
� Conversão Analógico-Digital (A/D)
� Conversão do sinal elétrico analógico em uma sequência de números*.
� Conversão Digital-Analógico (D/A)
� Recuperação do sinal analógico a partir da sequência de números.
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Digitalização do som)
39 / 60
� Etapas da Conversão A/D
1. Filtragem
2. Amostragem
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Digitalização do som)
Codificador
Sequência
de números
3. Quantização
4. Codificação
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 14
40 / 60
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Amostragem e reconstrução)
� Amostragem
� Medição de valores instantâneos do sinal a intervalos periódicos.
41 / 60
� Teorema de Nyquist
“Um sinal analógico só poderá ser reconstruído corretamente se a taxa
de amostragem tiver um valor mínimo, que é igual ao dobro da
frequência da componente de mais alta frequência que esteja presente
no sinal original.”
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Amostragem e reconstrução)
Harry Nyquist (1889-1976)
Teoria da Informação.
2a mf f≥
( )2a mω ω≥
42 / 60
� O que acontece quando **?
� O espectro do sinal original está contido no espectro do
sinal amostrado.
� Para recuperar o sinal original a partir do sinal amostrado:
uso de um filtro passa-baixas.
� Caso limite: !
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Amostragem e reconstrução)
2a mω ω≥
2a mω ω=
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 15
43 / 60
� E quando ?
� O espectro do sinal original continua contido no espectro
do sinal amostrado, porém ocorre superposição.
� Aliasing ou pseudonímia: distorção do sinal original.
� Equivale ao caso em que um sinal contém componentes
com frequência superior à metade da frequência de
Nyquist.
� Solução: Filtro anti-aliasing!
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Amostragem e reconstrução)
44 / 60
� Quantização
� Discretização do sinal em termos de amplitude.
� Cada amostra do sinal analógico passa a ser representada
por um número de um conjunto finito de possibilidades.
� Quantização uniforme.
� Parâmetro do quantizador
� Número de níveis de quantização ou...
� ... número de bits por amostra quantizada.
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Quantização e codificação)
45 / 60
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Quantização e codificação)
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 16
46 / 60
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Quantização e codificação)
Diferentes taxas de amostragem e
número de níveis de quantização:
influência na qualidade da reprodução
digital da onda sonora.
47 / 60
� Codificação
� Uso de sequências para representar o conjunto discreto de
valores (saída do quantizador).
� Preferência por códigos binários.
� Como estabelecer uma correspondência biunívoca entre
os níveis de representação (saída do quantizador) e as
palavras-código?
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Quantização e codificação)
48 / 60
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Quantização e codificação)
Nível Quantiz. Palavra-código Nível Quantiz. Palavra-código
0 0000 8 1000
1 0001 9 1001
2 0010 10 1010
3 0011 11 1011
4 0100 12 1100
5 0101 13 1101
6 0110 14 1110
7 0111 15 1111
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 17
49 / 60
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Quantização e codificação)
Conversão analógico-digital: etapa de codificação.
50 / 60
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Quantização e codificação)
51 / 60
� Diferença entre o valor
quantizado e o valor
amostrado do sinal.
� Limitação física do
quantizador.
� Perda de fidelidade do
sinal reconstruído.
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Erro de quantização)
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 18
52 / 60
� Relação sinal-ruído de quantização (SQNR)
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Erro de quantização)
( ) 6 02 1 76, ,SQNR dB l= +
53 / 60
� Largura de banda
� Dispositivos analógicos e digitais.
� Cálculo da taxa de dados
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Qualidade de áudio vs. taxa de dados)
aR lf=
54 / 60
� Como calcular o tamanho (em bytes) de uma
gravação digital?
� Sons estereofônicos
� Reprodução composta de dois canais independentes.
� Localização do som: origem, distância e sentido.
� Sons monofônicos
� Reprodução sem efeito de profundidade.
� Um único canal.
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Qualidade de áudio vs. taxa de dados)
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 19
55 / 60
� Gravação monofônica
� Gravação estereofônica
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Qualidade de áudio vs. taxa de dados)
1
8m a
l
T f t
 
= ⋅ ∆ ⋅ ⋅ 
 
(bytes)
2
8e a
l
T f t
 
= ⋅ ∆ ⋅ ⋅ 
 
(bytes)
56 / 60
� Exemplos (tamanho dos arquivos)
� Gravação monofônica: 10 segundos de áudio com
resolução de 8 bits e taxa de amostragem 22,05 kHz.
� Gravação estereofônica (qualidade de CD padrão Red Book
Audio): 10 segundos de áudio com resolução de 16 bits e
taxa de amostragem 44,10 kHz.
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Qualidade de áudio vs. taxa de dados)
220 5,mT kB=
1 764,eT MB=
57 / 60
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Qualidade de áudio vs. taxa de dados)
Qualidade Taxa de amostragem
(kHz)
Resolução de áudio
(bits/amostra)
Taxa de dados
(kB/s)
Telefone 8 8 8
Rádio AM 11,025 8 11
Rádio FM 22,05 16 88,2
CD 44,10 16 176,4
Fita DAT 48 16 192
Áudio DVD 192 (max) 24 1.200 (max)
IF687 - Introdução à Multimídia
Prof. Daniel Cunha - CIn/UFPE 20
58 / 60
� Reflexão
� Como prover fidelidade ao sinal transmitido (armazenado)?
� Quantização insere ruído!
� Aumento de L provoca diminuição do ruído de quantização.
� Qual o custo associado?
� AUMENTO DA LARGURA DE BANDA .
� AUMENTO DO ATRASO.
Rep. Digital de Sinais de Áudio
(Qualidade de áudio vs. taxa de dados)
59 / 60
Conclusões
� Propriedades Físicas do Som
� O sistema auditivo humano
� Sinais senoidais
� Parâmetros perceptuais do som
� Representação de sinais: tempo e frequência
� Representação Digital de Sinais de Áudio
� Introdução (classificação e largura de banda)
� Digitalização do som
� Amostragem e reconstrução
� Quantização e codificação
� Erro de quantização
60 / 60
Conclusões
� Qualidade de áudio e taxa de dados (tamanho de arquivo)

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