Nesse curso, você irá entender um ingrediente fundamental da revolução digital: a amostragem, que permite que sinais como músicas e imagens sejam armazenados e processados em dispositivos digitais.
Quantização
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Processamento Digital de Sinais - Amostragem
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Introdução
Nesse módulo, veremos uma introdução geral do curso. Descreveremos brevemente todos os problemas que serão estudados, motivaremos as soluções que serão apresentadas.
Познакомьтесь с преподавателями
Renato da Rocha LopesProfessor
Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação
[MÚSICA] Olá!
Nesse vídeo a gente vai determinar de ter essa visão geral,
de como funciona o processo de amostragem, de como a gente pega então num sinal de
áudio, por exemplo e transforma numa sequência de bits.
No vídeo passado, a gente falou numa parte inicial, digamos,
do processo de amostragem e que é, a gente pega sinal analógico, então,
que ele existe para todos os instantes de tempo, como por exemplo,
a corrente nesse fio aqui que liga o microfone ao meu laptop,
então, essa corrente ela tem valores para todos os instantes de tempo.
Em qualquer momento que eu chegar aqui e ligue ela, eu meço uma corrente.
No meu laptop, eu falei para vocês que ele faz processo de amostragem,
ele tira amostras dessa corrente, então ele vê o valor dessa corrente
em determinados instantes de tempo e com espaçamento fixo entre eles.
Esse espaçamento entre as amostras é chamada de período de amostragem, tá?
Então, por exemplo, nesse áudio que eu estou gravando,
eu estou gravando áudio tirando 48000 amostras por segundo.
A gente vai ver muito mais de porquê esse valor mágico 48000,
44100 que é muito usado por aí.
Eh, mas o objetivo desse vídeo é mais falar sobre como a gente
transforma essas amostras em bits.
Então, retomando pouco, o processo da aula anterior, do vídeo anterior,
a gente tem aqui o sinal de trem dentro do Matlab e se a gente der zoom aqui,
a gente vai ver que o sinal de trem que era para ser essa linha contínua aqui, que
era para ter valores em todos os instantes de tempo, eu só tenho uma sequência de
valores que são essas amostras tomadas a esses instantes de tempo.
No caso desse sinal de Trem, o Matlab toma essas amostras a 8192
amostras por segundo, essa é a frequência de amostragem.
8192 amostras por segundo.
Então em dei Load Train aqui,
que eu capturei o sinal do Trem e aí se eu der uma olhada, por exemplo,
esse sinal de trem, ele é conjunto, uma sequência de valores.
Então, essas aqui são as dez primeiras amostras do sinal do trem.
-0,037 -0,0011 etc.
e tal.
Então, esses são os valores que eles pegaram a corrente do microfone,
o microfone então transforma a minha voz numa corrente e você tem
dispositivo que transforma essa corrente numa série de valores.
Bom, mas ainda fica a questão, como eu transformo esses valores aqui em bits?
E o processo é chamado de quantização e de facto eu vou falar pouco sobre ele aqui,
mas é processo que a gente vai ignorar no decorrer do curso.
A gente vai ignorar que tem bits,
a gente vai dizer que aquelas amostras ali podem assumir qualquer valor.
Mas ainda assim para entender o que é que está acontecendo,
para satisfazer a curiosidade de vocês ai de como a gente representa
uma música ou uma imagem com bits, eu vou falar o que é que é feito.
Então, basicamente, na hora em que você faz a amostragem você
faz esse processo de conversão por bits junto,
não tem uma separação entre medir o valor da corrente e gerar os bits.
Fsicamente é tudo feito num processo só numa coisa que se chama de conversão
analógico digital.
É bloquinho, é dispositivo que pega uma corrente contínua, por exemplo,
da saída do seu microfone,
ou do seu sensor ou do que quer que seja e transforma em bits do outro lado.
E como é que ele faz isso?
Ele faz por processo de comparação.
Então, internamente ele já tem especificado dentro dele o seguinte: olha,
vamos imaginar que eu tenho condicionador de 2 bits.
Com 2 bits, eu consigo criar 4 combinações desses 2 bits.
Os 2 bits podem valer 1, eu posso ter que 1 bit vale 1 o outro bit vale 0, 0 1, 0 0.
2 bits 4 combinações.
Então eu tenho aqui em vermelho o meu sinal analógico,
que tem valores então, para todos os instantes de tempo.
E daí, eu tenho associado dentro do meu dispositivo,
dentro do meu conversor analógico digital, eu tenho associado o seguinte,
olha: os bits 1 1 vão corresponder a sinal analógico
cujo nível de tensão seja próximo desse nível aqui.
Os Bits 1 0, eu vou jogar esses bits quando
o nível de tensão do meu sinal analógico em vermelho, for próximo desse nível.
0 1 quando o meu sinal analógico for
perto desse valor de tensão, 0 0 quando for perto desse valor de tensão.
Aí eu vou olhar o meu sinal analógico e aqui eu cheguei
no meu instante de amostragem, vamos dizer que eu estou
aqui nesse instante de amostragem eu ia pegar o valor da amostra nesse ponto aqui.
O valor da amostra aqui tem esse nível de tensão e eu olho e falo, não,
esse nível de tensão está próximo desse nível aqui, pré-arranjado,
está mais próximo daqui do que daqui.
Então, eu nesse primeiro instante de amostragem,
eu vou jogar os bits 1 0 na minha saída.
No segundo instante de amostragem, eu estou aqui, vamos dizer.
Aí eu comparo com os meus 4 níveis possíveis e eu observo
que eu estou mais próximo desse nível aqui.
Esse nível está associado aos bits 1 1.
Então, no meu segundo instante de amostragem eu jogo os
bits 1 1 na saída do meu conversor analógico digital.
Terceiro instante de amostragem, eu estou aqui.
Aqui, eu estou mais próximo desse nível do que desse nível,
do que de qualquer outro nível.
Então, eu jogo no meu terceiro instante de amostragem os bits 1 0,
então a minha saída do meu condicionador vai ser 1 0, 1 1, 1 0.
No quarto instante de amostragem, eu estou bem próximo desse nível daí vou cuspir 0
1 na saída do meu condicionador, 0 0 aqui,
porque nesse instante de amostragem, para esse valor eu estou próximo daqui.
Nesse instante de amostragem eu estou próximo desse aqui.
Então, eu comparo o valor do meu sinal em determinado instante de amostragem
com os níveis aqui pré-arranjados dentro do meu
dispositivo e eu olho eu falo, bom, então eu estou próximo desse nível,
esse nível está associado aos bits 0 1, eu jogo 0 1 na minha saída.
Se eu tivesse 3 bits para cada amostra,
eu já teria com 3 bits eu consigo criar 8 níveis, cada dos bits pode ter 2 valores,
então eu tenho 2 valores possíveis para o primeiro bit,
vezes 2 valores possíveis para o segundo bit, vezes 2 valores possíveis para o
terceiro bit eu tenho vezes 2, vezes 2, vezes 2, 8 valores possíveis.
São esses 8 valores possíveis aqui, então, agora eu consigo representar mais níveis,
eu tenho uma representação mais fina do meu sinal.
De novo, eu crio 8 níveis pré-arranjados dentro do meu conversor digital,
de analógico para digital, perdão, e daí eu vejo, nesse instante de amostragem,
o meu sinal está próximo desse nível, esse nível está associado aos bits 1 0 0,
então no meu primeiro instante eu jogo os bits 1 0 0 na saída.
Segundo instante de amostragem, eu estou próximo desse nível que está associado aos
bits 1 0 1, no segundo instante de amostragem eu jogo os bits 1 0 1 na saída
e assim sucessivamente, eu pego o instante de amostragem, comparo com o nível,
vejo quais são os bits associados aquele nível e coloco os bits na saída.
Todos os instantes de amostragem eu vou fazendo a mesma coisa.
Então se você retomar o nosso exemplo da imagem,
que a gente estava usando na primeira vez, vocês vão ver que os valores
aqui são sempre número inteiro, 156, 159, 158.
O que acontece aqui?
Essa imagem, ela está representada numa representação em preto e
branco e que cada pixel dessa imagem, cada valor aqui da minha imagem,
está associado a uma grandeza ligada a 8 bits, 1 byte.
8 bits então, correspondem a quantos níveis possíveis?
Olha, só, você tem 8 bits.
O primeiro bit pode assumir 2 valores, o segundo bit pode assumir também 2 valores,
então, eu tenho 2 valores para o primeiro, 2 valores possíveis para o segundo,
eu tenho 4 combinações aqui.
O terceiro bit também pode assumir 2 valores, então eu tenho 2 vezes 2 vezes 2,
eu tenho 8 combinações possíveis.
Com 8 bits, eu tenho duas vezes 2 vezes 2 vezes 2,
8 vezes Isso dá 256 combinações possíveis,
diferentes valores possíveis que 8 bits podem assumir.
Isso está refletido aqui na nossa imagem, cada pixel ali,
ele está representado por valor entre 0 e 255,
que dá a intensidade de cinza de cada dos pixels da imagem,
então, a gente tem de 0 a 255, a gente tem 256 diferentes níveis possíveis.
Então é assim que funciona o processo de conversão analógico digital seja na
imagem, seja aqui no áudio que vocês estão ouvindo, você tem sensores
que captam a intensidade da luz ou o valor da corrente,
no caso do sensor do microfone aqui, vocês comparam esse valor
do seu sensor com os níveis pré estabelecidos pelo seu conversor.
Então, os 256 níveis de intensidade de luz, no caso de uma câmera
digital ou aqui no caso desse áudio que a gente está gravando,
eu estou gravando com 24 bits por amostra, isso dá 16 milhões
de níveis pré-estabelecidos para cada amostra do áudio que você está fazendo.
Então, você compara o valor da corrente com 1 desses 16 milhões de níveis,
ou o valor da intensidade de luz com 1 desses 256 níveis, você vê que
está próximo mais desse nível, esse nível está associado a uma determinada
sequência de bits e são esses os bits que eu vou gravar, que eu vou transmitir,
que eu vou processar digitalmente dentro do meu equipamento digital.
Eh, nesse curso, como eu falei, a gente vai ignorar esse processo de quantização,
de transformar então as amostras em uma sequência de bits e que você só tem
256 valores possíveis ou 16 milhões de valores possíveis.
A gente vai dizer que a nossa amostra pode ter qualquer valor possível.
Esse processo de levar em conta esse erro, essa diferença entre o que você
desejaria de fato que fosse medido e o que de fato aqueles Bits representam,
que são número pré estabelecido ali de níveis, é tema também desse curso,
de processamento digital de sinais, mas de outro tópico desse curso.
Então, aqui, nessa parte de amostragem, a gente vai ignorar esse fator.
Eh, então é isso, esse é o processo que leva a conversão de
sinal analógico em sequências de bits e no próximo vídeo a gente
vai começar a falar sobre as distorções introduzidas pelo processo de amostragem,
pelo processo de a gente só registrar o sinal em alguns instantes de tempo,
em alguns pontos de espaço.
Espero ver vocês lá.
Até!
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