Se você tem mais de 40 anos ou mais, provavelmente cresceu com um toca-discos ou toca-fitas em sua casa como forma de ouvir música comprada em loja. Entre 1982 e 1983, o CD entrou no mercado e mudou para sempre a forma como a música era armazenada e transportada. Neste artigo, veremos como o áudio digital funciona e desfazemos alguns dos mitos em torno da conversão entre os domínios analógico e digital.
O que é áudio digital?
Nos termos mais simples, um arquivo de áudio digital é uma representação de um sinal analógico usando uma série de palavras digitais. No domínio digital, ou seja, um computador, as informações podem ser armazenadas como 1 ou 0.
Os computadores podem combinar sequências de 1s e 0s para representar caracteres em um documento de texto, cores em uma fotografia, comandos em um programa ou níveis de voltagem em um arquivo de áudio.
Por décadas, o padrão para armazenar áudio no domínio digital tem sido o padrão Red Book Compact Disc Digital Audio (CD-DA) de uma taxa de amostragem de 44,1 kHz com uma profundidade de 16 bits.
A taxa de amostragem descreve com que frequência um nível de tensão é medido e armazenado. Para capturar todo o espectro audível do som, o teorema de amostragem de Nyquist-Shannon afirma que a taxa de amostragem precisa ser pelo menos duas vezes maior que a frequência mais alta que você deseja gravar para que seja recriada com precisão.
A segunda consideração na conversão de um sinal analógico para o domínio digital é a necessidade de armazenar uma quantidade adequada de resolução para representar adequadamente o sinal original. O padrão Red Book usa um comprimento de palavra digital de 16 bits. Isso significa que há uma cadeia de 16 1s e 0s que pode ser usada para representar 65.536 níveis de tensão. Se você estiver convertendo a saída de um microfone para digital e a tensão máxima for 1 volt, uma resolução de 16 bits significa que a resolução é 0,000015258789 volt. Isso é muito detalhe.
Finalmente, o padrão Red Book afirma que dois canais de áudio serão amostrados simultaneamente para criar uma gravação estéreo.
Algumas matemáticas rápidas em áudio com qualidade de CD
Para os interessados, é fácil calcular a taxa de bits efetiva de um arquivo de áudio com qualidade de CD. Como amostramos o sinal de áudio a 44.100 vezes por segundo, e cada amostra tem um nível de tensão representado por uma palavra de 16 bits, e fazemos isso para dois canais, 44.100 vezes 16 vezes dois é 1.411.200, ou 1,411 kilobits por segundo.
Para calcular quanto espaço seria necessário para armazenar uma música como “Bohemian Rhapsody” do Queen, você pode simplesmente multiplicar 1.411.200 pelo número de segundos da música (neste caso, 355 segundos) para um total de 500.976.000 bits, ou cerca de 60 megabytes de dados.
Como os arquivos de áudio digital são criados?
Um dispositivo chamado conversor analógico-digital (ADC) é responsável por pegar o sinal analógico e convertê-lo em um valor representado digitalmente. Esses dispositivos são comuns e são encontrados conectados ao microfone do seu smartphone ou ao microfone Bluetooth do seu carro. Eles são incrivelmente compactos e, em relação a quando foram introduzidos, são baratos.
O ADC funciona de várias maneiras, mas descreveremos o básico. Imagine, por assim dizer, uma série de interruptores comparadores, cada um empilhado um em cima do outro e referenciado a uma tensão cada vez maior. Vamos manter o exemplo simples e dizer que temos oito interruptores, cada um dos quais é acionado em
incrementos de 0,125 volts. Se alimentarmos um sinal analógico em nossa árvore de interruptores comparadores com um nível de 0,3 volts, os dois interruptores inferiores serão ligados e obteremos a palavra digital 0010 (que é 2). Se aumentarmos a tensão para 0,8 volts, acionamos todos, exceto os dois últimos interruptores, e obtemos a palavra 0110 (que é 6).
Contagem digital
Contar no digital é fácil, uma vez que você entenda como funciona. Cada espaço em uma palavra digital representa um valor de 2 elevado à potência da localização. Então, o primeiro espaço é 2 elevado a 0, que é 1. O segundo espaço é 2 elevado a 1, que é 2, o próximo espaço é 2 elevado a 2, que é 4, e assim por diante.
2^0 =1 2^1 =2 2^2 =4 2^3 =8
Para codificar um valor usando este formato, simplesmente atribuímos um 1 ou um 0 a cada placeholder de forma que os valores da soma representados pelos placeholders com um 1 representem o valor original.
0000 =0 0001 =1 0010 =2 0011 =3 0100 =4
0101 =5 0110 =6 0111 =7 1000 =8
Em nosso exemplo acima, estamos usando uma resolução muito baixa de 3 bits, o que significa que podemos mostrar apenas oito níveis diferentes. Essa resolução limitada, é claro, introduz algum erro – conhecido como erro de quantização. A matemática pode ficar muito complicada muito rapidamente. Basta dizer que em nosso exemplo, nosso digitalizador teórico não sabe a diferença entre uma tensão de 0,63 e 0,73 volts. Este é um grande erro e não funcionaria em uma tentativa de amostra de áudio. Felizmente, nossa resolução de 16 bits nos dá 65.536 níveis para escolher.
E aqueles gráficos malucos em degraus?
Sem dúvida, você já viu imagens de marketing mostrando uma comparação da resolução de áudio com qualidade de CD versus áudio de alta resolução de 96 kHz e 24 bits.
Embora o conceito de ter uma taxa de amostragem mais alta e mais resolução seja preciso, isso não significa que o sinal de áudio com qualidade de CD seja prejudicado de alguma forma.
Para demonstrar isso, criamos dois tons de teste de 20 kHz no Adobe Audition. A primeira faixa tem uma taxa de amostragem de 96 kHz e uma resolução de 24 bits.
Como você pode ver, a forma de onda parece suave e detalhada e mostra aproximadamente cinco amostras por ciclo.
A segunda faixa é a mesma onda senoidal de 20 kHz armazenada a uma taxa de amostragem de 44,1 kHz e resolução de 16 bits.
Como você pode ver, não há diferença significativa na forma das duas formas de onda. Mais importante, ambos se parecem com ondas senoidais e nenhum deles tem nenhum passo neles.
Compreendendo o áudio digital
O armazenamento de sinal de áudio no domínio digital oferece benefícios distintos de empacotamento e confiabilidade em relação a mídia de armazenamento analógico, como discos de vinil e fitas magnéticas. É claro que os arquivos digitais não se degradam com o tempo. Os arquivos digitais também são imunes a problemas de velocidade de reprodução. Se o toca-discos ou o toca-fitas estiver tocando muito devagar, a música não soará bem.
Em um artigo futuro, veremos as opções de formato de arquivo disponíveis para armazenar arquivos de áudio digital. Até lá, certifique-se de passar pelo seu revendedor local especializado em aprimoramentos móveis para ver todas as atualizações mais recentes de unidades de fonte compatíveis com mídia digital disponíveis para seu carro, caminhão ou SUV.
