Áudio digital:frequência de amostragem, bits por amostra e critério de Nyquist

Áudio digital:

O áudio digital, ou som digital consiste na representação digital de uma onda sonora por meio de um código binário. Este processo é o que se chama de conversão analógico-digital ou também de amostragem. A precisão da representação digital de um som analógico varia de acordo com a taxa de amostragem de frequência ou frequência de amostragem e com a quantidade de bits para cada amostra ou bit depth.

Figura 1 - O processo de amostragem ou conversão analógico-digital.

Frequência de amostragem:

A frequência de amostragem ou taxa de amostragem é o número de amostras retiradas da forma de onda original, num segundo. Quanto mais elevada for a taxa de amostragem, melhor será a aproximação à onda original.

Figura 2 - O erro de aproximação diminui à medida que taxa de amostragem aumenta. A onda de baixo é amostrada a uma taxa que é o dobro da onda de cima.

Bits por amostra:

O som é representado então por uma sequência de amostras, regularmente espaçadas no tempo. Essas amostras são representadas numericamente, em formato digital que, por sua vez, consiste num código, chamado código binário, em que os números são representados por uma sequência de bits.

Um bit pode apenas apresentar o valor ‘0’ ou o valor ‘1’, retratando dois estados possíveis: ligado (“on”) ou desligado (“off’”). Portanto, se usarmos apenas um bit, apenas temos a capacidade de exprimir dois números. Se acrescentarmos mais um bit, o número de combinações possíveis duplica: “00”, “01”, “10” ou “11”, o que significa que já podemos exprimir 2×2= quatro números.

Assim, quantos mais bits forem usados, maior será a precisão ou resolução do processo de amostragem.

Figura 3 - No processo de amostragem, o valor da amostra é arredondado para o código binário disponível mais próximo. A figura está a uma escala de 3 bits (8 valores possíveis). Se se aumentar o número de bits, a resolução aumenta e o erro causado pelo arredondamento diminui.

Critério de Nyquist:

A frequência de amostragem limita a gama de frequências que o sinal sonoro a captar pode conter. Segundo o  critério de Nyquist, a frequência de amostragem de um sinal analógico, para que possa posteriormente ser reconstituído com o mínimo de perda de informação, deve ser igual ou maior a duas vezes a maior frequência do espectro desse sinal.

Portanto, para um sinal com frequências até 8000 Hertz, é necessário que a taxa de amostragem seja maior ou igual a 16000 Hertz. Por exemplo, nos sistemas baseados em Compact Disc Audio (CD), a taxa de amostragem é de 44100 Hertz (44100 amostras por segundo), visto que a frequência máxima que um ouvido humano pode captar é de cerca de 20000 Hertz.

Figura 4 - Harry Nyquist

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