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Como funcionam os CODECs de áudio (TEL039)

Absolutamente necessários em todas as aplicações que trabalham com sinais digitais de áudio os CODEC s estão presentes numa infinidade de aparelhos de consumo e mesmo de telecomunicações profissionais. Veja neste artigo o que são os CODECs e como funcionam.

CODEC significa COdificador-DECodificador, consistindo num dispositivo capaz de comprimir sinais digitais e depois fazer a sua descompressão. Mas, com eu finalidade isso precisa ser feito?

Antigamente, os CODECs eram usados apenas pelas empresas de telecomunicações em aplicações internas, já que apenas nesses locais os sinais de áudio na forma digital eram encontrados.

No entanto, áudio digital está em toda a parte, dos equipamentos de som, MP3, CDs até os equipamentos de telecomunicações como os telefones celulares e outros.

Trabalhando com os sinais de áudio na forma digital podemos não só obter maior fidelidade do que trabalhando com os sinais na forma analógica como também obter uma integridade muito maior, tornando-o à prova de ruídos e interferências, quando temos de gravá-lo, transmiti-lo ou ainda levá-lo a um processamento para obter efeitos especiais.

Na realidade, fidelidade demais também não é bom, podendo ter alguns efeitos inesperados como ocorreu quando os telefones GSM foram lançados.

Os usuários se queixavam que havia silêncio absoluto entre os períodos em que não se falava. Isso causava certo incômodo pois quem estava recebendo esse sinal não sabia se a pessoa havia feito uma pausa ou se o sinal havia "caído".

Nesse caso, a "perfeição" teve se de deixada de lado, e ruído artificial teve de ser introduzido ao sinal, para se obter maior conforto de audição.

Nas aplicações que envolvem música, entretanto, é fundamental manter a qualidade do som original. É o caso do MP3 e CD.

Quando o som é digitalizado e gravado, por exemplo, no caso do m3 existe uma certa degradação da qualidade, se bem que na maioria dos casos imperceptível, e que depende do processo de gravação e também do formato.

Essa degradação ocorre em vista da necessidade de se reduzir a quantidade de dados gravados ou transmitidos, tanto pela capacidade de armazenamento da mídia como da disponibilidade de faixa passante, eliminando-se assim as redundâncias.

Obtém-se nesse caso um processo de compressão "com perdas", no sentido de que existem informações que não podem ser recuperadas no processo de reprodução.

Assim, a fidelidade da reprodução de sons gravados digitalmente é muito importante em muitas aplicações. Será interessante analisar os processos de gravação dos sons digitais para entender melhor os conceitos que envolvem o funcionamento dos CODECs de áudio.

Lembramos que o mesmo pode ser feito com outros tipos de sinais como, por exemplo, os sinais de vídeo.

 

Gravação Digital

A gravação analógica tem por finalidade registrar diretamente o sinal original com a maior fidelidade possível. No entanto, as próprias características do processo como a não linearidade dos circuitos e dispositivos envolvidos além da inevitável presença de ruído, fazem com que fidelidade total não possa ser obtida.

Para os sinais digitais esses problemas não ocorrem, no entanto, a maneira como o sinal é tratado, faz com que ainda seja possível obter melhor qualidade de som com os sinais analógicos.

O processamento do sinal de áudio para sua conversão para a forma digital começa como a amostragem e retenção, conforme mostra a figura 1.

 

Conversão do analógico para digital.
Conversão do analógico para digital.

 

O sinal analógico é dividido em setores sendo cada um deles amostrado em função de sua amplitude. Durante o tempo de amostragem, o valor obtido é constante o que leva a um sinal formado por pequenos setores retangulares, conforme mostra a figura 2.

 

O mesmo sinal analógico e digital.
O mesmo sinal analógico e digital.

 

O tempo de amostragem que determina a largura de cada um dos setores é denominado período de amostragem. A amostragem e retenção é um processo fundamental para a digitalização do sinal.

Teoricamente, o sinal amostrado deve terá uma faixa de freqüências limitada à metade da freqüência de amostragem, o que é conhecido como critério de Nyquist. A freqüência de amostragem é denominada também freqüência de Nyquist, determinando a faixa do sinal eu vai ser digitalizado.

Se o sinal que vai ser amostrado possuir componentes de freqüência superiores à freqüência de Nyquist, esse sinal deve ser filtrado, com as componentes eliminadas, de modo a se evitar um tipo de distorção denominada "falseamento" ou "alias", se adotarmos o termo original do inglês.

Uma freqüência muito usada nos equipamentos de áudio digital para a amostragem é 44 100 Hz, o que significa que teremos um limite para a faixa passante ou de som gravado-transmitido-reproduzido de 22 050 Hz, conforme mostra a figura 3.

 

A faixa passante de 22 k.
A faixa passante de 22 k.

 

É importante observar que muitos "audiófilos" acreditam que, mesmo que não possamos ouvir sons que estejam acima dos 18 000 Hz tipicamente, a presença de componentes de freqüências mais altas, "enriquecem" o som e, portanto devem estar presentes nos sinais de áudio. Os músicos chegam até a dizer que são essas harmônicas acima de 18 kHz que dão o "colorido" a uma peça musical.

Evidentemente, trata-se de algo bastante subjetivo que ainda hoje divide os adeptos do som analógico, inclusive separado entre os equipamentos que usam válvulas e transistores, dos adeptos do som digital.

Assim, para essas pessoas, amplificadores de alta qualidade devem ter faixas de reprodução que vão muito além chegando em alguns casos a 100 kHz ou mais!

O próximo passo na ação do codificador de um CODEC consiste na conversão analógica para digital, executada por um ADC ou Analog-to-Digital Converter.

Assim, depois da preparação do sinal com uma amostragem do valor analógico de cada fatia do sinal amostrado, o nível de tensão ou amplitude é convertido para a forma binária, conforme mostra a figura 4.

 

Cada sinal é convertido em binário.
Cada sinal é convertido em binário.

 

A qualidade da conversão de um sinal digital vai depender da quantidade de níveis possíveis de tensão que podem ser representados. Enfim, a qualidade da conversão será dada pelo número de bits usados para representar cada nível do sinal amostrado.

A maioria das com versões é feita com a utilização de 16 bits, mas alguns equipamentos de fidelidade maior utilizam até 24 bits.

Uma vez que os sinais analógicos passam a ser representados por uma seqüência de números representando as amplitudes instantâneas das amplitudes amostradas, passamos a fase seguinte que consiste no processamento dessa informação (agora discreta) na forma digital.

Além disso, nessa seqüência de bits podem ser acrescidas informações adicionais como o número de bits de quantização e a freqüência de amostragem. Essas informações adicionais são importantes pois possibilitam que os sinais sejam transmitidos ou armazenados numa velocidade diferente daquela em que devam ser gravados ou transmitidos.

O processamento desses sinais é feito com a ajuda de Processadores Digitais de Sinais ou DSPs, o que significa que algoritmos podem ser usados para incluir efeitos. Em suma, o som agora pode ser tratado de forma matemática.

Isso significa que muitos efeitos, sons adicionais podem ser gerados de forma matemática, gerando-se a seqüência de números que representam esses sons. Isso é feito justamente pelos sintetizadores digitais de sons, muito usados em estúdios e outras aplicações semelhantes.

A seqüência de números na forma digital que representa o som pode então ser gravada ou transmitida de forma muito mais consistente.

O passo seguinte consiste agora se recuperar o som original, o que é feito pelo setor de decodificação. Para se obter o som na forma original, analógica, já que os nossos ouvidos recebem ondas sonoras que são sinais analógicos, o primeiro passo consiste em se fazer a conversão da informação digital para a forma analógica, ou seja, aplicar a informação num DAC ou Conversor Digital-para-Analógico.

Os valores digitais de cada amplitude que foi amostrada do sinal original são convertidos em seqüência, gerando um sinal que tem a forma de onda mostrada na figura 5.

 

Lendo o arquivo binário.
Lendo o arquivo binário.

 

O sinal obtido está cheio de degraus e em princípio, ainda não corresponde à forma de onda original. Para devolver ao sinal a forma de onda original ele deve passar por um filtro passa-baixas, conforme mostra a figura 6.

 

Filtro do digital para o analógico.
Filtro do digital para o analógico.

 

Esse filtro elimina as componentes de freqüências acima da freqüência de Nyquist, obtendo-se então um sinal analógico que corresponde ao sinal original.

 

Conclusão

Além dos algoritmos digitais utilizados para processar o som, a qualidade do som obtido depende muito do modo de aquisição usado.

Também são importantes os algoritmos usados no tratamento do sinal, especificamente na compressão, os quais permitem que o sinal ocupe uma quantidade de bits muito menor.

Por exemplo, na prática, um sinal de voz amostrado em 44,1 kHz pode ser comprimido sem perda apreciável de qualidade de modo a ter uma freqüência final de amostragem menor do que 8 kHz. Isso é possível porque no sinal de voz temos uma faixa de freqüências estreitas com quase nenhuma componente acima dos 4 kHz.

Os procedimentos vistos para os sinais de áudio são bastante semelhantes aos que vimos em série de artigos dessa revista que trata da compressão de sinais digitais.

Na figura 7 um exemplo de Codec usado em aplicações VoIP (Voz sobre protocolo de Internet)

 

CODEC para aplicação VoIP.
CODEC para aplicação VoIP.

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