Noções básicas de som digital Digital

O som é uma vibração, uma onda, produzida por todos os elementos do nosso ambiente, como o vidro quando bate (e colide com outro), como a porta quando você bate com os nós dos dedos para bater... E os alto-falantes são sistemas eletromecânicos que gerar uma vibração baseada em uma corrente elétrica e com a qual podemos imitar o som da natureza, imitar aquela onda gerada pelos elementos físicos do nosso ambiente. 

No final do século XIX Edison inventou o fonógrafo, que era capaz de transferir para um cilindro aquelas vibrações que viajam no ar (som) e depois reproduzi-las novamente. A gravação consistia em vibrar o ar vibrando uma agulha de gravação que marcava essa mesma onda em uma camada de alumínio que circundava o cilindro. Em seguida, movendo o cilindro com uma agulha de leitura, ele vibrava ao passar pela ranhura que havia sido gravada anteriormente. Essa vibração é o que o ouvinte acabou sentindo. 

E, basicamente, é assim que funciona um disco de vinil, que popularizou a transferência da segunda metade do século XX. 

Essa maneira de gravar música é conhecida como analógica (em oposição a digital). 

Som analógico 

O som no mundo real é analógico, a onda sonora tem valores infinitos, detalhes infinitos. Quando essa onda sonora viaja em um sulco em um cilindro ou disco, esse sulco também possui valores e detalhes infinitos. 

O som não era gravado há muitos anos colocando um cantor na frente de um fonógrafo. À medida que a indústria progredia, "eletrizava" o processo. Já o cantor ou instrumento gerava suas ondas na frente de um microfone, que convertia aquelas vibrações do ar em uma onda elétrica, que percorria um cabo até chegar a um aparelho de áudio, onde amplificava, filtrava, misturava com o som de outros microfones… e eventualmente ele iria viajar (eletricamente) para um gravador, como um disco, e gerar um sulco que captava essa vibração. 

O som analógico não era apenas armazenado em grooves. O uso de fitas magnéticas, que chegaram ao mercado nacional como "cassetes", também se popularizou. Aqui, ao invés de um sulco, tínhamos uma fita com partículas magnéticas que eram orientadas de acordo com um imã (cabeça) indicado a elas. Então, para ouvir aquela música, bastou que o ímã (cabeça) fizesse o processo inverso, deixando-se guiar pelo campo magnético das partículas da fita.

E também era usado para transmitir som via cabo (telefone) ou rádio, primeiro o AM e depois, mais sofisticado, o FM que ainda hoje é usado regularmente. 

Problema de áudio analógico

Assim como o som analógico é capaz de reunir infinitos valores e detalhes, também é infinitamente alterável por qualquer elemento externo.

Assim, quando o som viaja na forma de um sinal elétrico pelo cabo, do microfone que o captou, ele é alterado pela interferência eletromagnética na sala, gerada por outros dispositivos (amplificadores, luzes, cabos elétricos... ), bem como pela resistência elétrica do próprio cabo. 

Ao atingir o dispositivo receptor que o processa, também é afetado pela própria interferência e pelo próprio equipamento. 

Ao gravar fazendo um sulco, ele é alterado pelo material e sua resistência, o material da agulha, seu uso anterior, etc. Uma vez gravado, o disco é alterado tocando-o com as mãos, tocando-o, tocando a agulha, o ambiente, a umidade, o calor... tudo está alterando essa gravação e, portanto, esse som.

Se falamos de fitas magnéticas, a alteração da informação é muito simples: os campos magnéticos dos alto-falantes, cabos ou luz solar, provocam a alteração da informação, assim como a umidade do ambiente em que está armazenada. 

No caso da transmissão de rádio, a exposição a qualquer interferência e alteração do som é muito maior, por isso é o meio que oferece menos qualidade e é o mais sensível. 

Sem falar no último passo da cadeia: a equipe lê, amplifica, manda para os palestrantes e os próprios palestrantes. 

Por esse motivo, a música analógica de qualidade requer equipamentos muito caros e de alta qualidade para tentar minimizar (apenas minimizar, não eliminar) todos esses efeitos negativos. Por exemplo, cabos blindados para tentar reduzir a interferência elétrica, conectores banhados a ouro ou cabos especiais para reduzir a resistência, materiais muito caros e de alta qualidade...

O outro grande problema são as cópias: se você copiar o conteúdo, o conteúdo copiado não é mais igual ao original, está parcialmente deteriorado. Se essa cópia for feita outra cópia, ela se deteriora cada vez mais. Isso era muito fácil de ver ao copiar fitas VHS.

Som digital: resolução

No mundo digital não há cinzas infinitos, há apenas preto e branco, sim ou não, 1 ou 0, sem possibilidades intermediárias. Esta unidade mínima de informação é conhecida como bit [b]. Isso tem uma série de problemas e uma série de benefícios. 

Como o mundo real tem mais de 2 sons, duas cores, duas letras... é preciso juntar mais bits e assim representar mais possibilidades. 

Se tivermos 2 bits, podemos armazenar 4 valores:

• 00 (0)
• 01 (1)
• 10 (2)
• 11 (3)

Se tivéssemos 3 bits seriam 8 valores, 4 bits 16 valores… e assim por diante. A prática usual é usar grupos de 8 bits, que são chamados de bytes [B].

Quando um sinal sonoro é digitalizado, a onda é amostrada para ver seu valor em um momento específico e esse valor é convertido em um número (o número mais próximo). Lugo é reamostrado e o próximo valor é armazenado e assim por diante. Esta função é executada por um dispositivo conhecido como conversor digital para analógico (ADC). 

Dependendo do número de bits que temos, obteremos uma resolução menor ou maior na digitalização. Por exemplo, se usarmos 2 bits podemos gravar 3 níveis diferentes (0 a 3). Quanto mais bits tivermos, mais níveis diferentes poderemos ter e mais verdadeiro será. 

Vamos supor uma onda sonora analógica com duração de 1 segundo.

Digitalizamos essa onda com resolução de 2 bits e coletamos 11 amostras em um segundo. Isso significa que no máximo podemos usar 4 valores diferentes. 

Isso será armazenado como uma sequência de 11 números (foram feitas 11 amostras) de 2 bits cada. 

Quando transformarmos essa informação em uma onda, teremos que trabalhar com a informação que armazenamos. Como você pode ver, não se parece muito com o original. 

No entanto, se repetirmos o processo de digitalização com 4 bits, cada amostra poderá ter um dos 16 valores possíveis, o que torna a onda mais parecida com a original.

O preço a pagar por essa resolução mais alta é o espaço ocupado no armazenamento. Com 4 bits ocupamos o dobro do que com 2 bits. E aumentará à medida que adicionamos mais bits. 

Som digital: a taxa de amostragem.

O conversor analógico-digital pega uma amostra da onda em um momento específico e a converte em um número. Mas o armazenamento de música é necessário para obter amostras da onda ao longo do tempo. 

Quanto à resolução, se tirarmos algumas amostras, usaremos poucos dados, mas a onda final será muito diferente da original. Se pegarmos muitas amostras, a onda ficará mais parecida com a original, mas ocupará mais espaço.

O teorema de Shannon diz que devemos coletar pelo menos duas amostras em cada onda da frequência mais alta que queremos digitalizar. Se quisermos digitalizar uma frequência de 1.000 Hz, devemos amostrar pelo menos duas vezes, a 2.000 Hz (ou 2 kHz). 

Som digital: que resolução e frequência escolhemos?

Se queremos uma qualidade perfeita, ou seja, que memorizemos um som idêntico à curva analógica, já que a curva analógica possui infinitos níveis diferentes e infinitos detalhes, precisamos usar uma resolução infinita. Além disso, teríamos que amostrar infinitas vezes em um segundo. É impossível. Além disso, não haveria espaço suficiente em todos os discos rígidos do planeta Terra para armazenar um segundo de som. 

O lógico seria procurar o valor suficiente, ou seja, o valor mínimo de resolução e taxa de amostragem que torna o som bom o suficiente para que o ouvido humano não consiga distingui-lo. Colocar mais não contribui em nada, apenas ocupa espaço e largura de banda na sua transmissão.

No final dos anos 70 e início dos anos 80, o padrão foi estabelecido para o CD (disco compacto), o primeiro sistema de áudio digital em massa. Naquela época, foi determinado que a resolução adequada para alta qualidade seria de 16 bits (65.536 valores diferentes). No entanto, em estúdios e em alguns arquivos digitais que são comercializados, podemos atingir resoluções de 24 ou 32 bits. 

Em relação à frequência, considera-se que o ouvido humano (de um jovem que ouve muito bem) é capaz de ouvir de 20 Hz a 20.000 Hz (20 kHz) portanto devemos amostrar pelo menos o dobro da velocidade para cumprir. Quando o CD foi definido, foi acordado que o correto a fazer era amostrar em 44,1 kHz. Claro que pode ser amostrado em uma frequência mais alta, como 48kHz, 96kHz, 192kHz... 

Assim, o padrão de um CD é assumir um valor entre 65.536 possíveis (16 bits, note que no exemplo usamos 4 bits o que pressupõe apenas 16 combinações) e 44.100 vezes por segundo.

Os benefícios do som digital

Embora tenhamos visto que o som digital nunca pode ter a qualidade teórica do som analógico, basta cruzar o limiar do que é perceptível ao ouvido humano para poder ter igual qualidade na prática.

A grande vantagem do som digital é que, ao contrário do analógico, ele não é sensível às condições ambientais e não se deteriora. 0 não pode ser convertido em 1 ou 1 em 0, a menos que encontremos uma enorme interferência. Além disso, os sistemas digitais geralmente possuem medidas de detecção de erros, de modo que, se o player detectar que um som chegou incorretamente, poderá solicitar que ele seja lido novamente. 

Portanto, a informação pode trafegar por um cabo sem sofrer nenhuma alteração com materiais mais simples e baratos que o som analógico. Não são necessários conectores especiais, apenas que o cabo é capaz de transmitir o volume de dados esperado. 

Por outro lado, você pode fazer uma cópia exatamente igual ao original. Ou seja, se o original diz 0011010 e a cópia diz 0011010, a cópia e o original são perfeitamente iguais. E assim eles podem ser copiados da cópia da cópia da cópia ao infinito sem perder qualidade. 

Portanto, as vantagens do som digital são a inalterabilidade das informações e a capacidade de copiar sem perda. Obviamente se cortarmos um CD ao meio, riscarmos ou criarmos uma camada de molde, não será legível, nem zero nem um, mas sempre será muito mais inalterável que a informação analógica. 

Um dos pontos em que se consegue um grande diferencial é na transmissão over-the-air (rádio), que permite o envio de informações sem qualquer alteração, diferentemente da mídia analógica. 

Alguém dirá: mas na TDT (televisão digital), por exemplo, às vezes há defeitos ou a imagem. Isso ocorre porque na TDT você não pode pedir à emissora que lhe envie as informações que chegaram incorretamente e, portanto, você deve usá-las mesmo que não estejam corretas. Mas se for alcançado um mínimo de transmissão correta, a imagem é a mesma que foi enviada sem qualquer alteração.