Neste artigo, vamos entender como funcionam as gravações digitais e analógicas.
Thomas Edison criou o primeiro dispositivo para gravar e reproduzir som, em 1877. Ele utilizou um mecanismo muito simples para armazenar mecanicamente uma onda analógica. No fonógrafo original de Edison, o diafragma controla diretamente a agulha que está em contato com os sulcos de uma superfície cilíndrica com uma fina camada de estanho.
Você falava dentro do dispositivo de Edison ao mesmo tempo em que rodava o cilindro. A agulha então "gravava" o que você dizia no estanho. O diafragma vibrava e, assim, a agulha vibrava junto. Estas vibrações eram impressas na fina camada de estanho. Para reproduzir o som, a agulha movia-se sobre os sulcos impressos durante a gravação. Essas impressões faziam a agulha vibrar e assim o diafragma também vibrava e reproduzia o som.
Este sistema foi aperfeiçoado por Emil Berliner, em 1887, para produzir o gramofone, que também era um dispostivo mecânico que usava uma agulha e um diafragma. O grande avanço do gramofone foi a utilização de discos planos com sulcos em espiral. Isso facilitou a produção em massa de discos. O gramofone moderno funciona da mesma maneira, mas os sinais lidos pela agulha são amplificados eletronicamente, ao invés de vibrar um diafragama mecânico.
Como funciona a agulha do fonógrafo de Edison? Por que a agulha arranha o cilindro? Trata-se de uma onda analógica que representa as vibrações criadas por sua voz. A seguir, você pode ver um gráfico que mostra uma onda analógica criada ao se falar a palavra "hello":
Esta forma de onda foi gravada eletronicamente, em vez de ter sido utilizado um cilindro de estanho. Entretanto, o princípio é o mesmo. O que esse gráfico mostra é a posição do diafragma do microfone (eixo Y) no tempo (eixo X). As vibrações são muito rápidas. O diafragma vibra cerca de mil vezes por segundo. Este é o tipo de onda gravada no cilindro do fonograma. Perceba que a forma de onda da palavra "hello" é bastante complexa. Um som puro é simplesmente uma senóide vibrando em uma certa freqüência como, por exemplo, esta onda de 500 hertz (500 hertz = 500 oscilações por segundo):
Como você pode ver, o armazenamento e reprodução de uma onda analógica é um processo muito simples. A gravação em um cilindro de estanho também é uma maneira bastante simples de fazer isso. O problema é que esse procedimento não gera uma reprodução muito fiel. Quando você usa o fonógrafo, o som fica cheio de ruídos e o sinal fica distorcido. Se você usar um disco com muita frequência, ele vai acabar se desgastando. O atrito da agulha com a superfície alarga os sulcos do disco e, com o tempo, ele não será capaz de reproduzir o som.
Em um CD (e qualquer outra tecnologia de gravação digital), o objetivo é realizar uma gravação de alta fidelidade (o sinal original e o sinal reproduzido devem ser muito semelhantes) e reprodução perfeita (a gravação soa da mesma maneira toda vez que é executada, não importa quantas vezes seja executada).
Para atingir estes dois objetivos, a gravação digital converte a onda analógica em uma série de números e grava estes números em vez da onda. Esta conversão é feita por um dispositivo chamado conversor analógico-digital (ADC). Para reproduzir a música, a série de números é convertida novamente para a onda analógica por um conversor digital-analógico. Esta onda é amplificada e enviada para os alto-falantes que produzem o som.
A onda analógica criada pelo conversor será sempre igual, desde que os números não estejam corrompidos. Ela também será muito semelhante à onda analógica original se a conversão for feita de maneira adequada.
Você pode compreender melhor a alta fidelidade dos CDs se entender o processo de conversão analógico-digital. Vamos supor que você tenha uma onda sonora e queira gravá-la utilizando um conversor. Aqui está um exemplo de onda (considere que cada traço no eixo horizontal representa um milésimo de segundo):
Quando você converte a onda, você pode controlar duas variáveis.
- A taxa de amostragem (sampling rate) - controla a quantidade de amostras por segundo.
- A quantização (sampling precision) - controla a quantidade de gradações diferentes (níveis de quantização) de um som.
Na figura a seguir, vamos supor que a taxa de amostragem é de mil samples por segundo e a quantizaçao é 10.
Os retângulos verdes representam o som. A cada milésimo de segundo, o conversor olha para a onda e escolhe o número mais próximo entre 0 e 9. O número escolhido é exibido abaixo da figura. Estes números são a representação digital da onda original. Quando o conversor digital-analógico recria a onda a partir destes números, a figura seguinte exibe uma linha azul.
Você pode perceber que a linha azul perdeu alguns detalhes em relação à linha vermelha, significando que a fidelidade da onda reproduzida não é muito boa. Isso é conhecido como erro de conversão ou erro digital. Você pode reduzir o erro digital aumentando a taxa de amostragem e a quantização. Na figura seguinte, tanto a taxa como a quantização foram multiplicados por 2 (20 gradações com uma taxa de 2 mil samples por segundo).
Na figura seguinte, a taxa e a quantização foram dobrados novamente (40 gradações e 4 mil samples por segundo).
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Você pode perceber que, ao aumentar a taxa de amostragem e a quantização, a fidelidade (similaridade entre a onda original e a informação gerada pelo conversor digital-analógico) aumenta. No caso do CD, a fidelidade é um fator importante, por isso, a taxa de amostragem é de 44.100 samples por segundo e o número de gradações é de 65.536. Com estas taxas, a informação gerada pelo conversor é tão parecida com a onda original que o som se torna "perfeito" para a maioria dos ouvidos humanos.
As taxas de amostragem e quantização de um CD geram uma grande quantidade de dados. Em um CD, os números digitais produzidos pelo conversor analógico-digital são armazenados como bytes. Dois bytes representam 65.536 gradações. Existem dois canais gravados (um para cada alto-falante de um sistema estéreo). Já que um CD pode armazenar 74 minutos de música, a quantidade de informação digital que um CD pode armazenar é:Isso é muita informação. Armazenar tantos bytes em um pedaço barato de plástico que sobrevive aos abusos das pessoas não é uma tarefa fácil. É importante lembrar que a tecnologia já é antiga! Os CDs apareceram em 1980. Para conhecer a história completa, leia o artigo Como funcionam os CDs
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