Sistemas de Telecomunicações

Instituto Superior Técnico

Sistemas de Telecomunicações

Gravação de Som

Realizado por:

Albano Faria,

nº39773

Eduardo Ferreira, nº33834

Paulo Teixeira,

nº36573

Lisboa 21 de Novembro de 1999

Índice

1 – Introdução ...2

1.1 – Conceito ...2

1.2 – Tecnologias de Registo ...2

2 – Meios de Registo mecânico ...3

2.1 – História do Registo mecânico ...3

2.2 – Tecnologias do Registo mecânico...3

3 – Meios de Registo magnéticos ...5

3.1 – História do Registo magnético ...5

3.2 – Tecnologias do Registo magnético ...6

3.3 – Tecnologias do Registo magnético Digital de som ...8

DAT ...8

ADAT ...9

DCC. ...9

MiniDisc...9

Disco rígido (HD) ...11

4 – Meios de Registo Óptico...12

4.1 – História do Registo Óptico...12

4.2 – Tecnologias do Registo Óptico ...13

CD...13

DVD...14

Super Audio CD...14

5 – Meios de Registo Electrónico ...15

5.1 – História do Registo Electrónico ...15

5.2 – As Tecnologias do Registo Electrónico ...15

PCM...15

5.3 – As Tecnologias de compressão de Som ...16

MPEG-1 e 2 layer 3 ...16

6 – Tecnologias futuras da Gravação de Som ...16

7 - Conclusão... 17

1 – Introdução

Sobre o tema da gravação de som, existe uma enorme variedade de assuntos, os quais contêm uma forte componente técnica. Contudo a constante necessidade de satisfazer as exigências do consumidor, a competitividade comercial e os efeitos subjectivos ultrapassam as definições técnicas.

Uma tecnologia na área da gravação de som (tal como noutras), pode sobreviver ou não por motivos não muito associados à qualidade técnica mas sim a:

- Custo - Padronização do suporte - Design - Versatilidade - Portabilidade - Retro compatibilidade - Cooperação entre fabricantes

1.1 – Conceito

Poder-se-á pensar na gravação de som somente na sua forma final de armazenamento da informação áudio. No entanto todo o percurso do sinal desde que é produzido (na forma acústica) até à fase de armazenamento, passa pela transformação do domínio natural para o mecânico/eléctrico (transdutores).

De nada serviria tudo isto se não houvesse forma de recuperar a informação invertendo o processo (reprodução). A aproximação entre o sinal reproduzido e o original, indica a “qualidade” (fidelidade) do sistema. Esta situação pode ser alvo de discussão quando se tem em conta o efeito de adaptação da informação às características do ser Humano (ouvido).

1.2 – Tecnologias de Registo

Para a gravação de som foram sendo desenvolvidas várias tecnologias que neste trabalho são ordenadas segundo as seguintes classificações genéricas:

- Meios de registo mecânico; Fonógrafo, Gramofone, “Dictaphone” (Ediphone), discos

(de vinyl - LP).

- Gravação monoaural/biaural (Stereo)

- Meios de registo magnético; Fio magnético, Fita magnética, Cassete compacta, DAT,

ADAT, DCC, MD, e Disco Rígido.

- Gravação com/sem Dolby NR e HX PRO. O som digital; o NICAM.

- Meios de registo ópticos; Filme de 35 mm com pista áudio, CD, DVD, Super Audio CD. - Gravação quadrifónica/multi-canal (Dolby Surround/Dolby Digital)

- Meios de registo eléctrico; Memórias (Sampling), MP-Man / MP3-players.

- O PCM, o MPEG-1 e 2, layer 3.

2 – Meios de Registo mecânico

2.1 – História do Registo mecânico

É curioso pensar que tudo começou com o inventor da lâmpada, Thomas Edison, que criou o primeiro sistema comercial de gravação de som, o fonógrafo. Em 1878 Edison produz o seu invento que se baseia no registo mecânico sobre um cilindro revestido com uma folha de estanho. Paralelamente (1886) Alexander Graham Bell introduz um dispositivo semelhante, o gramofone. Posteriormente os cilindros foram melhorados com a utilização de cilindros de cera. Em 1895, por iniciativa de Emile Berliner, o gramofone passou a utilizar o disco de 78 rpm feito de goma-laca em lugar do cilindro.

Até à II grande guerra uma das importantes aplicações dos cilindros foi o “dictaphone” pelo qual os executivos podiam gravar ofícios e memorandos que posteriormente eram dactilografados por secretárias. Findo este período, morre o cilindro como forma de gravação de som.

O mercado dos discos cresce obrigando Edison a oferecer em 1912 um fonógrafo que utiliza este meio de gravação. Em 1925 abandona-se a gravação por meios mecânicos e introduz-se a electrónica na gravação sendo generalizado o uso de amplificadores e transdutores eléctricos (microfone, altifalante e captador). Em 1926 Edison anuncia o disco de 12 polegadas (20 min), que não tem sucesso comercial. Cinco anos depois a companhia RCA Victor falha igualmente na apresentação do disco de longa duração. Somente em 1948 surge o LP, um disco de 33 1/3 rpm de longa duração, criado pela Columbia Records.

O passo tecnológico seguinte foi dado pela Decca & Westrex em 1957 com a introdução do disco de som estereofónico, sendo aceite como padrão pela Associação Americana da Industria de gravação. No ano seguinte a RCA vende os primeiros LPs biaurais (estéreo).

O LP mantêm-se como principal suporte para som de alta fidelidade, até ser ultrapassado pelo CD no ano de 1988.

2.2 – Tecnologias do Registo mecânico

As tecnologias de registo mecânico apoiam-se na vibração de uma agulha sobre uma superfície adequada. Na gravação pretende-se que o som provoque movimentos vibratórios na agulha que originam um sulco no material de gravação (disco ou cilindro). Na reprodução, os movimentos provocados pelo sulco no estilete traduzem-se em sinais acústicos.

Inicialmente era utilizada uma corneta com uma membrana associada a uma agulha na qual se concentrava a energia acústica, como se vê na figura 1. Este sistema puramente mecânico servia para a gravação ou leitura, sendo em alguns aparelhos utilizado para ambas as funções (como acontecia com o “dictaphone”, representado na figura 2). Como sistema de gravação, o equipamento mecânico apresentava limitações na qualidade dos registos efectuados. Este foi substituído por sistemas eléctricos com a vantagem de oferecer maior imunidade ao ruído e possibilidade de tratamento do sinal, o que primeiramente consistiu na utilização de amplificadores electrónicos em substituição da corneta.

Inevitavelmente os sistemas eléctricos foram também aplicados à leitura. Para tal os movimentos da agulha são traduzidos em sinais eléctricos por

Os sistemas actuais de gira-discos possuem uma agulha de ponta arredondada feita em safira ou diamante artificial associada a um transdutor

(pick-up) cujas vibrações movimentam um íman no

interior de bobinas. O prato é em geral pesado e a tracção é feita por correia de forma a isolar as vibrações do motor eléctrico.

A produção em massa de discos de vinyl é feita por prensagem de um disco matriz, em oposição aos sistemas de gravação utilizados no início do século, nos os quais era executada a peça musical de cada vez que se produzia um disco.

À semelhança dos cuidados empregues actualmente no isolamento de vibrações externas, os sistemas de gravação primordiais eram fixados a um bloco de betão e accionados manualmente.

3 – Meios de Registo magnéticos

3.1 – História do Registo magnético

Em 1878, quando Oberlin Smith visitou o laboratório de Edison, teve a ideia de registar os sinais eléctricos produzidos pelo telefone num fio metálico. Dez anos depois publica a sua ideia no jornal Electrical World. O dinamarquês Valdemar Poulsen, em 1898, redescobre o princípio da gravação magnética produzindo no decorrer dos anos seguintes vários dispositivos de gravação magnética em fio metálico e fita. Um destes aparelhos foi denominado “telegraphone”, funcionando como atendedor de chamadas.

Em 1900 o “telegraphone” era considerado pela imprensa científica como superior ao fonógrafo e como um grande avanço da ciência em geral. Vinte anos depois um Alemão Curt Stille, modifica o “telegraphone” de forma a usar amplificação electrónica, registando a patente de um gravador magnético de fio metálico. Em 1928 uma companhia cinematográfica Britânica (Circa) utiliza o sistema de fio metálico para gerar sonorização sincronizada de filmes.

Um grande esforço na criação da fita magnética é realizado em 1930 pela Bell Telephone Laboratories sob a direcção de Clarence N. Hickman, mas nenhum destes sistemas teve sucesso no mercado. A BBC em parceria com a Marconi produz vários gravadores magnéticos de fita metálica utilizados no serviço de rádio de onda curta da BBC.

Em 1932 a firma Alemã AEG compra a patente do inventor Fritz Pfleumer, cuja trabalho se baseou no registo em papel revestido por partículas metálicas. A mesma empresa, em colaboração com a industria química I. G. Farben, desenvolvem uma fita revestida com óxido de ferro. Finalmente em 1935 é demonstrado o gravador de fita magnética da AEG, o “Magnetophon”, registando uma actuação da orquestra filarmónica de Londres.

Após a II Guerra Mundial, os Estados Unidos apoderam-se da patente do “Magnetophon”, bem como de várias unidades capturadas aos Alemães. Em 1947 são desenvolvidas nos E.U.A. as fitas com base plástica e revestimento de óxido de ferro, que se tornaram num padrão da industria. Nesse mesmo ano são produzidos pela Ampex e Rangertone, os primeiros aparelhos de gravação magnética profissionais, sempre baseados na tecnologia do “Magnetophon”.

Figura 4 – “Magnetophon”

Em 1949 é apresentado publicamente um gravador com dois canais (estéreo) e a Sony inicia o estudo de um gravador de fita magnética. No ano seguinte estão disponíveis catálogos comerciais com musica gravada em fita.

Ao mesmo tempo que surgem os LPs estéreo (1958), a RCA introduz um sistema de leitura para cartucho com fita estéreo, que imediatamente resulta num falhanço comercial. A Philips apresenta em 1962 um sistema de gravação portátil que utiliza um cartucho pequeno, a cassete compacta (cassete tradicional). Três anos depois as empresas Ford, Mercury, Motorola e RCA apresentam o cartucho de fita magnética “Stereo-8” ou “8-pistas”. Este formato foi um sucesso comercial sendo apenas abandonando em 1980.

Em 1969 a DuPont e BASF comercializam fitas magnéticas de Dióxido de Cromio (CrO2). Finalmente em 1984 as vendas de cassetes compactas ultrapassam as dos LPs.

3.2 – Tecnologias do Registo magnético

A tecnologia de gravação magnética baseia-se nas propriedades coercivas dos materiais ferro magnéticos. A resposta do campo magnético destes materiais a uma indução magnética, tem a forma de um ciclo de histerese, ou seja, apresenta uma memória de magnetização anterior. Os materiais ferro magnéticos duros mantêm o fluxo magnético de uma forma permanente a desde que não sujeitos à presença de campos magnéticos desmagnetizantes elevados. São estes os materiais utilizados na técnica de registo magnético.

Uma fita magnética consiste num suporte plástico com revestimento de material ferromagnético. Antes de qualquer registo, esta apresenta enumeras partículas magnetizadas de uma forma desordenada. Para proceder à gravação existem duas bobines, uma de apagamento e outra de registo do sinal eléctrico. Ao sinal a registar é adicionado um sinal de polarização em alta frequência (sinal de BIAS), adequado ao material utilizado. Esta modulação foi descoberta acidentalmente por volta dos anos 60 e permitiu um significativo aumento de qualidade nos sistemas de gravação. Quanto ao sistema de leitura este baseia-se numa bobine sensível ao campo magnético induzido instantaneamente pela fita. A divulgação destes sistemas de fita magnética deveu-se à possibilidade de utilização do mesmo equipamento para leitura e gravação, recorrendo para tal a uma mesma bobina.

A adição duma segunda pista numa fita, permite a gravação/reprodução estéreo e assim por diante (sistemas de 4 pistas). A compatibilidade dos sistemas mono/stereo é conseguida através da largura, que num sistema estéreo com duas pistas é igual à do mono. Um sistema estéreo lê uma fita registada em mono, interpretando-a como duas pistas de igual contribuição. De igual forma, um sistema

mono lê uma fita registada em estéreo, adicionando as duas pistas num único sinal.

Devido ás exigências do mercado de alta fidelidade, foram progressivamente melhorados os suportes magnéticos no domínio analógico, cuja qualidade é limitada devido à largura de banda (~15kHz), margem dinâmica (~40 dB) e ruído de fundo (silvo). Uma máquina de cassetes que possua as ultimas tecnologias empregues nas cabeças de leitura/gravação e utilize fitas de óptima qualidade pode produzir uma resposta em frequência entre 40 Hz a 18 KHz com uma margem dinâmica de 80 dB. A Dolby Laboratories desenvolveu um conjunto de esquemas de filtragem e ênfase de determinadas gamas de frequência conhecidos por Dolby NR, que não se limitam ao simples processo de filtragem do ruído durante a reprodução. Mais que isso, baseiam-se na codificação durante a fase de gravação e respectiva descodificação na fase de reprodução do sinal registado magnéticamente em fita. Um deles, o Dolby B, que foi criado em 1968 por altura em que o suporte magnético deixava de ser somente para gravação de voz, possibilitou o aumento da relação sinal/ruído em 10dB nas cassetes compactas e mais tarde nas pistas lineares de áudio do VHS (Video Home System). O principio de funcionamento é o aumento dos sinal de baixa amplitude e alta frequência na codificação, de forma a tornar este mais intenso que o ruído (silvo). Durante a descodificação é feito o processo inverso conseguindo-se diminuir o ruído de alta frequência e manter a mesma informação áudio.

O Dolby C é uma melhoria do sistema Dolby B, uma vez que o último não permite um aumento da relação sinal/ruído sem que resulte na percepção das componentes de média frequência do ruído. A solução encontrada foi a extensão do sistema anterior para abranger as média frequências (acima de 200Hz e abaixo de 10000 Hz) utilizando um filtro deslizante com características de antisaturação. Na figura 5 apresentam-se as características de codificação dos sinais de baixa amplitude para os dois sistemas Dolby B e C.

Baseado nos sistemas Dolby anteriores surge o sistema Dolby S, possibilitando um aumento da relação sinal/ruído de 24 dB nas altas frequências e de 10 dB nas baixas frequências. Se bem que semelhante ao Dolby C integra dois novos processadores de

alta frequência e um de baixa frequência que permitem um aumento de 4dB nas altas frequências face ao anterior. Este sistema foi apresentado em 1995 num certame onde 60% das pessoas confrontadas com um teste de audição entre um CD e uma cassete codificada com Dolby S, não distinguiram qualquer diferença. Surpreendentemente, 25% dos restantes preferiram o som produzido pela cassete analógica, como se pode ver na figura 6.

Na tabela 1 resumem-se as características dos sistemas Dolby referidos.

Figura 6 – Resultados do teste de audição Tabela 1 – Características dos sistemas Dolby NR

Tecnologia DOLBY B DOLBY C DOLBY S

Sistema de Codificação/Descodificação SIM SIM SIM

Usa banda(s) de Compressão-Expansão deslizantes SIM (1 banda) SIM (2 bandas) SIM (2 bandas) Os equipamentos devem obedecer ao standard Dolby SIM SIM SIM

Duas banda(s) de Compressão-Expansão deslizantes NÃO SIM SIM

Dois filtros de Anti-saturação NÃO SIM SIM

Filtros de “Skew” espectral de alta frequência NÃO SIM SIM

Filtros de “Skew” espectral de baixa frequência NÃO NÃO SIM

Substituição de acção NÃO NÃO SIM

Os equipamentos devem obedecer aos standards Dolby mais elevados NÃO NÃO SIM

Controlo de modulação NÃO NÃO SIM

Redução de ruído de baixa frequência NÃO NÃO SIM

Redução de ruído – alta frequência 10 dB 20 dB 24 dB

Redução de ruído – baixa frequência 0 0 10 dB

Outra técnica que permite a melhoria da qualidade de gravação é o Dolby HX PRO que ao contrário das anteriores não é um sistema de redução de ruído, mas sim de aumento da resposta dinâmica da fita em alta frequência. Este sistema baseia-se na observação de que a amplitude das componentes de alta frequência gravadas em fita magnética, não resultam da mesma maneira que as de baixa frequência (efeito de atenuação). A amplitude do sinal de alta frequência de polarização (Bias) adicionado durante a gravação influi no registo dos agudos. Pela adequada detecção da presença de agudos, diminui-se a amplitude do sinal de Bias resultando em melhorias substanciais na largura de banda. Este sistema é utilizado somente na gravação, sendo os resultados obtidos em qualquer leitor. As cassetes IEC IV não beneficiam muito com este sistema pois são desenhadas para elevados parâmetros de resposta em frequência, pelo que se aplica especialmente ás fitas do tipo IEC I e IEC II (Fe e CrO2).

3.3 – Tecnologias do Registo magnético Digital de som

Acompanhando a tendência actual de migração para os domínios digitais, houve várias tentativas na divulgação dos sistemas de registo magnético digital de som, o que seria de esperar dado que a memória de massa utilizada na informática é um suporte deste tipo.

Não sendo do âmbito deste trabalho, convém aludir à memória de massa digital na forma de suporte magnético. Esta surgiu devido à necessidade de registar a crescente quantidade de dados disponibilizados pelos computadores, utilizando-se fitas magnéticas para armazenamento dos mesmos. Os sistemas de gravação magnética de dados recorrem a codificações conhecidas do domínio das telecomunicações digitais: NRZ, RZ, Manchester, Miller, Harvard, FM, MFM (utilizada nos discos rígidos) e EFM (utilizada no MiniDisc). O disco rígido foi inventado segundo o princípio do disco de

vinyl, no qual pode ser rapidamente localizada uma determinada informação (acesso aleatório), em

oposição à fita que necessita ser desenrolada (acesso sequencial). É esta característica da fita magnética mais o facto da mesma estar sujeita a um processo de desgaste, que irá contribuir para a utilização de novos suportes e/ou novas técnicas de leitura (leitura óptica).

O DAT (Digital Audio Tape) foi criado em 1987 como um formato de gravação digital em cassete, com a intenção de substituir a cassete compacta ( analógica ). Oferece o máximo de três horas de som e possui metade do tamanho de uma cassete tradicional. A qualidade é idêntica (ou superior) à do CD tendo uma frequência de amostragem de 44,1 KHz (suportando 32 ou 48 KHz) e uma resolução em amplitude de 16 bits (65536 níveis). É para alem do CD o único sistema digital que não utiliza processos de compressão de som, sendo por isso utilizado profissionalmente. Relativamente à facilidade de utilização este sistema possibilita uma rápida indexação e rebobinagem da fita (50 s para um DAT de 120 min).

O sistema de gravação/leitura do DAT é feito de uma forma semelhante aos vídeo gravadores, ou seja, utiliza um tambor cilíndrico responsável por uma pista obtida pela sequência de secções diagonais, como se observa na figura 7. Assim é possível gravar informação de alta densidade com uma taxa de erro muito baixa. Na tabela 2 apresentam-se os vários formatos DAT disponíveis.

Figura 7 – O DAT e a cabeça de Leitura/Gravação

Tabela 2 – Formatos dos sistemas DAT

Formato SP ( Single Play ) LP ( Long Play ) HS ( High Speed )

Frequência de

Amostragem de 32 KHz Resolução de 16 Bits Resolução de 12 Bits ( mais de 6 h num DAT 120 min )

______

Frequência de

Amostragem de 44,1 KHz Resolução de 16 Bits ______ ______

Frequência de Amostragem de 48 KHz

Resolução de 16 Bits ______ ______

Frequência de

Amostragem de 96 KHz * ______ ______ Resolução de 16 Bits ( 60 min num DAT 120 min )

* Nota – São raros os sistemas que utilizam o formato HS à frequência de amostragem de 96 KHz A frequência de amostragem de 32 KHz é a dos sistemas NICAM estéreo utilizados para transmissão de som digital em televisão de radiodifusão terrena. Os 96 KHz são utilizados na nova norma de áudio digital DVD-AUDIO (24 bits de resolução).

Os primeiros DAT não possibilitavam a copia digital, sendo os sinais de qualquer fonte (analógica ou digital) convertidos por um conversor ADC ( Analog to Digital Converter ). Em 1989 o sistema anti cópia denominado SCMS foi integrado nos DAT não profissionais, o qual apenas permite cópias digitais de uma geração, sendo as seguintes forçosamente obtidas analogicamente. Esta característica visou os interesses comerciais da industria musical, como forma de evitar copias piratas de alta qualidade. Apesar do DAT não ter tido grande aceitação no uso doméstico, continua a ser um meio por excelência de masterização nos estúdios de produção profissional.

O ADAT da Alesis é o sistema mais popular e utilizado actualmente nos estúdios de gravação de som. Possibilita a gravação de oito pistas digitais e não duas (estéreo) como acontece no DAT. Para tal o ADAT utiliza cassetes S-VHS que possuem uma fita de maior largura. O sistema foi pensado de forma a poderem-se ligar até 16 ADAT em cadeia, obtendo-se um total de 128 pistas.

O DCC (Digital Compact Cassete) foi inventado em 1992 pela Philips conjuntamente com o gigante Japonês Matsushita (o maior fabricante de electrónica de consumo), como forma de substituição da cassete compacta analógica. Este sistema incorpora o melhor do DAT e da cassete compacta, uma vez que possuindo o mesmo suporte que a cassete compacta, possibilita a leitura do formato analógico. Possui uma gravação digital com 18 bit de resolução às mesmas frequências de amostragem do DAT (32 KHz, 44.1KHz e 48 KHz), que excede as especificações do CD-AUDIO.

A tecnologia que permite tanto o suporte da cassete analógica como da digital ( Thin-film

Stationary Head ), que lê/grava as múltiplas bandas do DCC, limita a capacidade de armazenamento da

informação digital a registar. Assim, para que a qualidade seja à mesma impecável o DCC utiliza uma técnica de compressão denominada PASC (Precision Adaptive Sub-Band Coding) que é uma variante do MPEG.

Estas técnicas de compressão exploram a redundância e exibem perdas de informação, quando considerada pouco relevante. De qualquer forma garante-se que durante a experiência de audição o ouvinte não distingue o sinal original do sinal codificado.

O DCC falhou a sua massificação, por diversos motivos; o marketing realizado (ou falta dele), o preço elevado do equipamento, a falta dum equipamento portátil durante os dois anos que decorreram após a sua introdução e a pouca disponibilidade de títulos gravados neste formato. Igualmente se pode atribuir o insucesso deste sistema pela má receptividade por parte dos consumidores à ideia de uma compressão com perdas. Somente após a grande divulgação dos métodos de compressão no domínio dos computadores pessoais, começou-se a aceitar este conceito. A competição com o já existente DAT e o recente Mini-Disc da Sony com o seu método de compressão mais desenvolvido (o ATRAC) levaram a Philips a descontinuar este produto.

O MiniDisc regravável da Sony foi introduzido em 1992, dez anos depois do CD ter substituido com sucesso o LP (disco de vinyl), generalizando a consciência do consumidor da rapidez de acesso aleatório e facilidade de utilização (12 cm diâmetro e resistência a riscos). Apesar da grande divulgação do CD, a cassete compacta ocupava o sector de mercado associado aos leitores portáteis (WalkMan), um domínio em que o sistema sensível de leitura óptica do CD não estava particularmente adaptado. Essencialmente para este mercado a Sony, responsável pela invenção do WalkMan, desenvolveu um disco de menores dimensões (64 mm de diâmetro), com um sistema de leitura óptica e gravação magneto-óptica. Para tornar possível a utilização deste produto nas condições suportadas pelo

WalkMan o MiniDisc incorpora uma memória tampão (Buffer) que garante a continuidade da audição

após falha na leitura, enquanto a cabeça readquire a informação digital. Devido à menor área disponível de registo da informação face ao CD (140 MB versus 765 MB), utiliza-se o sistema de compressão ATRAC (Adaptive TRansform Acoustic Coding) para permitir o mesmo tempo útil de 74 min de