Se você tem mais de 40 e poucos anos, provavelmente cresceu com um toca-discos ou toca-fitas em casa como forma de ouvir música comprada. Entre 1982 e 1983, o disco compacto entrou no mercado e mudou para sempre a forma como a música era armazenada e transportada. Neste artigo, vamos ver como o áudio digital funciona e dissipar alguns dos mitos em torno da conversão entre os domínios analógico e 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, a informação pode ser armazenada como 1 ou 0.
Computadores podem combinar strings de 1s e 0s para representar caracteres em um documento de texto, cores em uma fotografia, comandos em um programa ou níveis de tensão 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 taxa de amostragem de 44,1kHz com 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 de som, o teorema de amostragem 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 ela 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 string de 16 1s e 0s que pode ser usada para representar 65.536 níveis de tensão. Se você está convertendo a saída de um microfone para digital, e a tensão máxima é 1 volt, então uma resolução de 16 bits significa que a resolução é 0,000015258789 volts. Isso é muito detalhe.
Finalmente, o padrão Red Book afirma que dois canais de áudio serão amostrados simultaneamente para criar uma gravação estéreo.
Para os interessados, é fácil calcular a taxa de bits efetiva de um arquivo de áudio de qualidade CD. Como amostramos o sinal de áudio 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 levaria para armazenar uma música como "Bohemian Rhapsody" do Queen, você pode simplesmente multiplicar 1.411.200 pelo número de segundos na música (neste caso, 355 segundos) para um total de 500.976.000 bits, ou cerca de 60 megabytes de dados.
Um dispositivo chamado conversor analógico-para-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 no seu carro. Eles são incrivelmente compactos e, em relação a quando foram introduzidos, baratos.
ADCs funcionam de várias maneiras, mas descreveremos o básico. Imagine, se você quiser, uma série de chaves comparadoras, cada uma empilhada uma sobre a outra e referenciada a uma tensão sempre crescente. Manteremos o exemplo simples e diremos que temos oito chaves, cada uma acionada em
incrementos de 0,125 volts. Se alimentarmos um sinal analógico em nossa árvore de chaves comparadoras com um nível de 0,3 volts, as duas chaves inferiores ligarão, e obteremos a palavra digital 0010 (que é 2). Se aumentarmos a tensão para 0,8 volts, acionamos todas, exceto as duas últimas chaves e obtemos a palavra 0110 (que é 6).
Contar no digital é fácil, uma vez que você entende como funciona. Cada espaço em uma palavra digital representa um valor de 2 elevado à potência da localização. Então, o primeiro espaço é 2^0, que é 1. O segundo espaço é 2^1, que é 2, o próximo espaço é 2^2 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 0 a cada espaço reservado de forma que a soma dos valores representados pelos espaços reservados 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. Esta resolução limitada, 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 amostrar áudio. Felizmente, nossa resolução de 16 bits nos dá 65.536 níveis para escolher.
Você sem dúvida viu imagens de marketing mostrando uma comparação de resolução de áudio de qualidade CD versus áudio de alta resolução de 96 kHz, 24 bits.
Embora o conceito de ter uma taxa de amostragem mais alta e mais resolução seja preciso, não significa que o sinal de áudio de qualidade CD sofra 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 uma resolução de 16 bits.
Como você pode ver, não há diferença significativa na forma das duas formas de onda. Mais importante, ambas parecem ondas senoidais e nenhuma tem degraus nelas.
Armazenar sinal de áudio no domínio digital oferece benefícios distintos de embalagem e confiabilidade sobre mídias de armazenamento analógico como discos de vinil e fitas magnéticas. Claro, arquivos digitais não se degradam com o tempo. Arquivos digitais também são imunes a problemas de velocidade de reprodução. Se seu toca-discos ou deck de cassete está tocando muito devagar, a música não soará certo.
Em um artigo futuro, veremos as opções de formato de arquivo disponíveis para armazenar arquivos de áudio digital. Até lá, certifique-se de visitar seu revendedor especializado em melhoria móvel local para ver todas as atualizações de unidade de fonte compatíveis com mídia digital mais recentes disponíveis para seu carro, caminhão ou SUV.
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