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Oque é a taxa de amostragem de um audio?


mroberto98

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O áudio tem sua taxa de amostragem e a taxa de bits por segundos, normalmente a amostragem é 44100Hz e 256Kbps.

Mas o que são essas duas coisas exatamente?

Por exemplo um áudio analógico tem sua amplitude variável, e quando ele esta em forma digital?

Por exemplo essa imagem: http://3.bp.blogspot.com/-P5tjhkX_Y6M/TpwQEyqD5lI/AAAAAAAAAa8/eeJBHA84dbk/s1600/audio+digital.gif

Então os pulsos da amostragem também tem a amplitude variável? É isso mesmo? Não seria apenas 0 e 1? Ou igual uma modulação PWM?

E cada pulsos desse seriam 1 bit né? Mas e se for igual ta na imagem, com os pulsos com amplitude variável seriaM quantos bits cada pulso?

um processador não trabalha apenas com 0 e 1? Como ele faria para gerar esses pulsos com amplitude variável?

já pesquisei na net mas não achei nada que explicasse a fundo sobre isso...

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O áudio tem sua taxa de amostragem e a taxa de bits por segundos, normalmente a amostragem é 44100Hz e 256Kbps.

Mas o que são essas duas coisas exatamente?

Por exemplo um áudio analógico tem sua amplitude variável, e quando ele esta em forma digital?

Por exemplo essa imagem: http://3.bp.blogspot.com/-P5tjhkX_Y6M/TpwQEyqD5lI/AAAAAAAAAa8/eeJBHA84dbk/s1600/audio+digital.gif

Então os pulsos da amostragem também tem a amplitude variável? É isso mesmo? Não seria apenas 0 e 1? Ou igual uma modulação PWM?

E cada pulsos desse seriam 1 bit né? Mas e se for igual ta na imagem, com os pulsos com amplitude variável seriaM quantos bits cada pulso?

um processador não trabalha apenas com 0 e 1? Como ele faria para gerar esses pulsos com amplitude variável?

já pesquisei na net mas não achei nada que explicasse a fundo sobre isso...

O arquivo continua sendo 0 e 1.

Sua amplitude continua a mesma, não muda.

O que muda é a organização do arquivo e o tipo.

Mas quem transforma ele em analógico é o conversor digital analógico:

http://en.wikipedia.org/wiki/Digital-to-analog_converter

Para gravar um áudio ambiente no HD do seu PC, se faz necessário um conversor analógico de digital, para converter os sinais analógicos na linguagem do PC.

Veja: http://en.wikipedia.org/wiki/Analog-to-digital_converter

Eu acredito que num futuro não tão próximo, teremos processadores analógicos, eles são o futuro.

O problema do processador digital é que ele requer velocidades relativamente altas de comutação para representar um simples sinal de áudio e por mais que ele seja veloz, nunca vai representar os sinais analógicos de forma real.

Devido ao sucesso do projeto do genoma humano, alguns países resolveram patrocinar agora um projeto que irá simular o cérebro humano.

Necessitará de muitos super computadores e estes ainda precisam ser projetado pois terá que ser muito mais veloz que os atuais super computadores.

Imagina o consumo de energia disso tudo?

Sabe quanto o nosso cérebro consome equivalente em watts? apenas 20 watts.

A eficiência do nosso cérebro está no fato dele ser analógico.

Outra curiosidade é que um neurônio é muitas vezes menos veloz que um transistor de um processador.

Veja mais:

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=eletronica-analogica-reacoes-celulas-vivas

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O arquivo continua sendo 0 e 1.

Sua amplitude continua a mesma, não muda.

O que muda é a organização do arquivo e o tipo.

Mas quem transforma ele em analógico é o conversor digital analógico:

http://en.wikipedia.org/wiki/Digital-to-analog_converter

Para gravar um áudio ambiente no HD do seu PC, se faz necessário um conversor analógico de digital, para converter os sinais analógicos na linguagem do PC.

Veja: http://en.wikipedia.org/wiki/Analog-to-digital_converter

Eu acredito que num futuro não tão próximo, teremos processadores analógicos, eles são o futuro.

O problema do processador digital é que ele requer velocidades relativamente altas de comutação para representar um simples sinal de áudio e por mais que ele seja veloz, nunca vai representar os sinais analógicos de forma real.

Devido ao sucesso do projeto do genoma humano, alguns países resolveram patrocinar agora um projeto que irá simular o cérebro humano.

Necessitará de muitos super computadores e estes ainda precisam ser projetado pois terá que ser muito mais veloz que os atuais super computadores.

Imagina o consumo de energia disso tudo?

Sabe quanto o nosso cérebro consome equivalente em watts? apenas 20 watts.

A eficiência do nosso cérebro está no fato dele ser analógico.

Outra curiosidade é que um neurônio é muitas vezes menos veloz que um transistor de um processador.

Veja mais:

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=eletronica-analogica-reacoes-celulas-vivas

Você quis dizer que a amplitude do sinal digital é igual ao analogico?

Porque se for 0 e 1, sempre vai ser onda quadrada com apenas dois valores, 0v e nivel alto..

Então seria igual uma modulação PWM? Ou nao?

Na net eu entendi que seja assim: cada amostragem é uma onda quadrada mas que pode ter amplitude variavel conforme o sinal analogico, para se definir essa amplitude, 1 amostra tem peso de 8 bits, ou seja, ela pode ter

256 valores de amplitude diferentes... seria isso então?

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Você quis dizer que a amplitude do sinal digital é igual ao analogico?

Porque se for 0 e 1, sempre vai ser onda quadrada com apenas dois valores, 0v e nivel alto..

Então seria igual uma modulação PWM? Ou nao?

Na net eu entendi que seja assim: cada amostragem é uma onda quadrada mas que pode ter amplitude variavel conforme o sinal analogico, para se definir essa amplitude, 1 amostra tem peso de 8 bits, ou seja, ela pode ter

256 valores de amplitude diferentes... seria isso então?

Você quis dizer que a amplitude do sinal digital é igual ao analogico?

Sempre mesma amplitude, por exemplo, 5V sempre.

Estes 256 valores de amplitude são representados com apenas 1 e 0, sempre com amplitude fixa que pode ser 5V ou 3V. a amplitude não varia.

Contudo o conversor que converte de digital para analógico é quem produz estas amplitudes diferentes.

A comunicação entre a placa de som e o sistema operacional é feito por protocolos de comunicação:

http://pt.wikipedia.org/wiki/Protocolo_(ci%C3%AAncia_da_computa%C3%A7%C3%A3o)

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Existem algumas maneiras de digitalizar um sinal analógico. A mais usada é amostrar (como se fosse tomar o valor instantâneo da tensão em um tempo t), converter esse valor em uma palavra digital.. O sinal então seria a sucessão de palavras digitais cada uma tendo um valor

Por exemplo, se a conversão se dá com palavras de 8 bits se teria os seguintes valores para compor os níveis

Bit Peso

1 - 1

2 - 2

3 - 4

4 - 8

5 - 16

6 - 32

7 - 64

8 - 128

Imagine a palavra multiplicada pelo seu peso

0 x 1

0 x 2

0 x 4

0 x 8

0 x 16

0 x 32

0 x 64

0 x 128 Some tudo e o resultado dessa amostra será zero

Ou outra, equivalente a metade do valor máximo

1 x 1

1 x 2

1 x 4

1 x 8

1 x 16

1 x 32

1 x 64

0 x 128

Some os resultados e se terá 127 como valor da amostra

E, como valor máximo se teria

1 x 1

1 x 2

1 x 4

1 x 8

1 x 16

1 x 32

1 x 64

1 x 128

Some-se tudo e se teria um valor relativo a 255...

Cada nível desses depende da relação imposta ao conversor A/D

Imagine que se queira amostrar um sinal de áudio que varie desde 0 Volts a 1 Volt, ou seja, 1 Volt pico a pico

O menor valor seria represenado pela palavra digital 00000000 = zero Volts

O valor médio seria representado pela palavra digital 11111110 = 0,5 Volts

O valor máximo seria representado pela palavra digital 11111111 = 1 Volt

Desse modo esses 1 Volt pico a pico seria amostrados segundo um número variavel de níveis de tensão. O valor entre cada nível seria de 1 Volt/256 = 0,00390625 Volts..

Imaginemos uma amostra de uma tensão representada pela palavra digital 00100111

Faça a soma ponderada

0 x 1

0 x 2

1 x 4

0 x 8

0 x 16

1 x 32

1 x 64

1 x 128

Some: 4+32+64+128 = 228 que se multiplicado pelo valor do nível daria 228 x 0,00390625 = 0,8906525

Determinado sinal de áudio, uma música por exemplo, seria um arquivo de palavras representativas da amostragem desse sinal de áudio perfazendo um arquivo de palavras que se reproduzidos na mesma frequência, na mesma cadência em que foi amostrado, reproduzirá a música..

Reproduzir é o equivalente a tomar a palavra e multiplicar pelo nível, restabelecendo valores analógicos, um atrás do outro, remontando o sinal analógico..

Importante, todos os bits terão na prática o mesmo nível ou zero ou um.. Não existe variação da tensão de cada bit na palavra. Variação de tensão só no sinal analógico. Uma vez digitalizado, cada nível amostrado é uma palavra de 8 bits em nosso exemplo. Tanto maior o número de bits da palavra menor a variação em tensão de um nível para outro e maior a resolução do conversor A/D..

Tem os conversores por sucessivas aproximações, esses tem a amostragem em um bit somente em vez de oito bits cada amostra.. Cada um tem sua apicação prática, melhor se adaptam para cada uso..

Leia por ai na internet: http://www.demic.fee.unicamp.br/~elnatan/ee610/19a%20Aula.pdf

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O áudio tem sua taxa de amostragem e a taxa de bits por segundos, normalmente a amostragem é 44100Hz e 256Kbps.

Mas o que são essas duas coisas exatamente?

Por exemplo um áudio analógico tem sua amplitude variável, e quando ele esta em forma digital?

Por exemplo essa imagem: http://3.bp.blogspot.com/-P5tjhkX_Y6M/TpwQEyqD5lI/AAAAAAAAAa8/eeJBHA84dbk/s1600/audio+digital.gif

Então os pulsos da amostragem também tem a amplitude variável? É isso mesmo? Não seria apenas 0 e 1? Ou igual uma modulação PWM?

E cada pulsos desse seriam 1 bit né? Mas e se for igual ta na imagem, com os pulsos com amplitude variável seriaM quantos bits cada pulso?

um processador não trabalha apenas com 0 e 1? Como ele faria para gerar esses pulsos com amplitude variável?

já pesquisei na net mas não achei nada que explicasse a fundo sobre isso...

Não deve confundir taxa de amostragem (Sample rate) com taxa de bit (bit rate).

O princípio básico é o:

Teorema de amostragem de Nyquist–Shannon.

http://en.wikipedia.org/wiki/Nyquist–Shannon_sampling_theorem#Aliasing

Este diz que: se se pretender amostrar um sinal,e claro depois recontruí-lo, tem de usar uma frequência de amostragem de pelo menos 2 vezes a frequência máxima do sinal original.

Por exemplo se tiver um sinal de 1000c/s terá no mínimo de usar uma frequência de 2000.

Esta frequência (taxa de amostragem) corresponde ao número de vezes por segundo que o conversor analógico/digital capta o sinal analógico e o transforma um valor binário (com 8, 12, 16, ou mais bits) .

A taxa de bit (bit rate) é uma coisa diferente.

Significa basiamente o nº de bit que o sistema de processamento tem de processar por cada segundo.

Ainda no exemplo simples acima se a conversor fosse de 8 bit , e sem mais nenhum processamento o bit rate seria 2000 x8= 16000 b/s.

Na vida real as coisas alteram-se pois pretende-se otimizar a saída com o mínimo de custos de hardware e software.

Assim o bit rate varia conforme por exemplo:

o nº de bits do conversor

a taxa de amostragem

o metodo de codificaçao e compressão de dados

O objetivo é sempre equilibrar a qualidade do sinal e os custos.

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Existem algumas maneiras de digitalizar um sinal analógico. A mais usada é amostrar (como se fosse tomar o valor instantâneo da tensão em um tempo t), converter esse valor em uma palavra digital.. O sinal então seria a sucessão de palavras digitais cada uma tendo um valor

Por exemplo, se a conversão se dá com palavras de 8 bits se teria os seguintes valores para compor os níveis

Bit Peso

1 - 1

2 - 2

3 - 4

4 - 8

5 - 16

6 - 32

7 - 64

8 - 128

Imagine a palavra multiplicada pelo seu peso

0 x 1

0 x 2

0 x 4

0 x 8

0 x 16

0 x 32

0 x 64

0 x 128 Some tudo e o resultado dessa amostra será zero

Ou outra, equivalente a metade do valor máximo

1 x 1

1 x 2

1 x 4

1 x 8

1 x 16

1 x 32

1 x 64

0 x 128

Some os resultados e se terá 127 como valor da amostra

E, como valor máximo se teria

1 x 1

1 x 2

1 x 4

1 x 8

1 x 16

1 x 32

1 x 64

1 x 128

Some-se tudo e se teria um valor relativo a 255...

Cada nível desses depende da relação imposta ao conversor A/D

Imagine que se queira amostrar um sinal de áudio que varie desde 0 Volts a 1 Volt, ou seja, 1 Volt pico a pico

O menor valor seria represenado pela palavra digital 00000000 = zero Volts

O valor médio seria representado pela palavra digital 11111110 = 0,5 Volts

O valor máximo seria representado pela palavra digital 11111111 = 1 Volt

Desse modo esses 1 Volt pico a pico seria amostrados segundo um número variavel de níveis de tensão. O valor entre cada nível seria de 1 Volt/256 = 0,00390625 Volts..

Imaginemos uma amostra de uma tensão representada pela palavra digital 00100111

Faça a soma ponderada

0 x 1

0 x 2

1 x 4

0 x 8

0 x 16

1 x 32

1 x 64

1 x 128

Some: 4+32+64+128 = 228 que se multiplicado pelo valor do nível daria 228 x 0,00390625 = 0,8906525

Determinado sinal de áudio, uma música por exemplo, seria um arquivo de palavras representativas da amostragem desse sinal de áudio perfazendo um arquivo de palavras que se reproduzidos na mesma frequência, na mesma cadência em que foi amostrado, reproduzirá a música..

Reproduzir é o equivalente a tomar a palavra e multiplicar pelo nível, restabelecendo valores analógicos, um atrás do outro, remontando o sinal analógico..

Importante, todos os bits terão na prática o mesmo nível ou zero ou um.. Não existe variação da tensão de cada bit na palavra. Variação de tensão só no sinal analógico. Uma vez digitalizado, cada nível amostrado é uma palavra de 8 bits em nosso exemplo. Tanto maior o número de bits da palavra menor a variação em tensão de um nível para outro e maior a resolução do conversor A/D..

Tem os conversores por sucessivas aproximações, esses tem a amostragem em um bit somente em vez de oito bits cada amostra.. Cada um tem sua apicação prática, melhor se adaptam para cada uso..

Leia por ai na internet: http://www.demic.fee.unicamp.br/~elnatan/ee610/19a%20Aula.pdf

valeu, agora deu pra entender como funciona a digitalização deu um sinal analogico...

Só mais um duvida, não entendo muito de processador, microcontrolador... só sei sobre a eletronica digital basica... Então se cada amostras seriam uma palavra de 8bits, imagina que eu esteja usando um pic para ler arquivos mp3... Eu sei que ele ja tem o conversor A/D, mas se ele não tivesse, sairia por exemplo os 8bits em uma saida paralela certo?

se são 44100Hz, cada amostra duraria: 1/44100 = 0,0000226 segundos ou 22,6nano segundos certo?

Ai essa saida paralela do processador entraria em uma entrada paralela de um conversor D/A, ou seja, esses 8 bits entrariam no conversor e sairia o valor da amplitude, ou seja, saindo o sinal analogico, é isso mesmo? ou a logica da coisa é diferente?

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valeu, agora deu pra entender como funciona a digitalização deu um sinal analogico...

Só mais um duvida, não entendo muito de processador, microcontrolador... só sei sobre a eletronica digital basica... Então se cada amostras seriam uma palavra de 8bits, imagina que eu esteja usando um pic para ler arquivos mp3... Eu sei que ele ja tem o conversor A/D, mas se ele não tivesse, sairia por exemplo os 8bits em uma saida paralela certo?

se são 44100Hz, cada amostra duraria: 1/44100 = 0,0000226 segundos ou 22,6nano segundos certo?

Ai essa saida paralela do processador entraria em uma entrada paralela de um conversor D/A, ou seja, esses 8 bits entrariam no conversor e sairia o valor da amplitude, ou seja, saindo o sinal analogico, é isso mesmo? ou a logica da coisa é diferente?

Cada palavra pode ter o comprimento, o número de bits que se deseja

Fosse 2 bits, se teria somente 4 níveis de tensão. Fosse 3 bits, subiria para 8 níveis e assim por diante.. A qualidade e a precisão do sinal muda com o número de bits usado...

A amostra não dura determinado tempo e sim é tomada em cada tempo desses dai por você calculado.. Como se fora um instantâneo.. Uma foto..

O conversor D/A mais simples do mundo é aquele estabelecido por uma rede de resistores R/2R em que cada ramo de saída vai em um resistor e os pesos desses resistores são R, 2R, 4R, 8R e assim por diante.

ConversorD_AsimplesR_2R_zpsef03c1b6.jpg

Quando se aplica 0 ou 1 nesses resistores fica estabelecido por eles um divisor de tensão que tem na saída o sinal analógico recuperado..

O sinal de saída se aproximaria a algo desse tipo dai:

O ciclo se daria mais ou menos assim

De A para D gerando um arquivo de palabras do tamanho que desejares, e de novo, de D para A. Na saída do conversor D/A o sinal será composto de pulos de tensão.. Com uma filtragem adequada ele, sinal, recupera sua forma original...

Formasdeondaconversa3030oD_AA_Dedepoisdefiltrado_zps141df75e.jpg

Na prática é exatamente isso que falastes.. D/A pega um sinal analógico, fatia o mesmo em determinada frequência.

O caminho inverso é esse arquivo sendo colocado, palavra a palavra, na mesma frequência de amostragem, num conversor D/A e na saída do mesmo com uma pequena filtragem o sinal é recuperado, analógico..

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Cada palavra pode ter o comprimento, o número de bits que se deseja

Fosse 2 bits, se teria somente 4 níveis de tensão. Fosse 3 bits, subiria para 8 níveis e assim por diante.. A qualidade e a precisão do sinal muda com o número de bits usado...

A amostra não dura determinado tempo e sim é tomada em cada tempo desses dai por você calculado.. Como se fora um instantâneo.. Uma foto..

O conversor D/A mais simples do mundo é aquele estabelecido por uma rede de resistores R/2R em que cada ramo de saída vai em um resistor e os pesos desses resistores são R, 2R, 4R, 8R e assim por diante.

ConversorD_AsimplesR_2R_zpsef03c1b6.jpg

Quando se aplica 0 ou 1 nesses resistores fica estabelecido por eles um divisor de tensão que tem na saída o sinal analógico recuperado..

O sinal de saída se aproximaria a algo desse tipo dai:

O ciclo se daria mais ou menos assim

De A para D gerando um arquivo de palabras do tamanho que desejares, e de novo, de D para A. Na saída do conversor D/A o sinal será composto de pulos de tensão.. Com uma filtragem adequada ele, sinal, recupera sua forma original...

Formasdeondaconversa3030oD_AA_Dedepoisdefiltrado_zps141df75e.jpg

Na prática é exatamente isso que falastes.. D/A pega um sinal analógico, fatia o mesmo em determinada frequência.

O caminho inverso é esse arquivo sendo colocado, palavra a palavra, na mesma frequência de amostragem, num conversor D/A e na saída do mesmo com uma pequena filtragem o sinal é recuperado, analógico..

Eu tenho um circuito parecido com esse ai conversor A/D e D/A acho que é 8bits... eu queria fazer uns testes aqui usando um sinal simples senoidal da rede mesmo...

Até aqui ta ok, mas os picos ficariam quadrados, assim precisaria usar um filtro para suavizar esses picos... então que tipo de filtro eu usaria aqui? um simples capacitor de baixo valor em paralelo, ou seja, um filtro passa baixa certo?

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Sinal senoidal da rede elétrica é de 60 Hz. A frequência de amostragem muito mais alta que isso. Um passa baixa de primeira ordem, resistor em série e capacitor para massa, com frequência de corte em 100 Hz deve dar resultado..

Então, eu pensei em usar amostras de 120Hz (o dobro da frequencia do sinal para ter um bom resultado). Ai eu corto entre 90-100Hz...

valeu a todos que me responderam:D

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