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    Placas de Som

    Tutoriais

    Detalhes sobre os componentes e recursos das placas de som.Carlos E. Morimoto
    18/06/2000

    Nativamente, o PC possui uma capacidade sonora muito limitada, pois o processador pode trabalhar apenas com uns e zeros. Todo PC vem com um pequeno auto-falante embutido, que é ligado diretamente ao um encaixe na placa mãe. Os sons emitidos pelo speaker são gerados pelo próprio processador, que por lidar apenas com números binários, pode apenas combinar seqüências de bits 1 e 0 para gerar alguns sons rudimentares, como bips e outros ruídos, que geralmente são usados apenas para chamar a atenção do usuário quando ocorre algum erro.


    Sequência de bits 1 e 0 criada pelo processador e emitida na forma de som pelo speaker

    Por outro lado, num som analógico, temos uma grande onda, que pode assumir um número ilimitado de freqüências. Aparelhos analógicos, como gravadores de fitas K-7, limitam-se a captar esta onda e transformá-la num sinal magnético, com trechos mais fortes ou mais fracos, dependendo da intensidade do som. Quando a fita é tocada, este sinal magnético é convertido em um sinal elétrico, que movimenta o cone de um alto-falante, produzindo som. Um esquema relativamente simples.


    Som analógico

    Porém, um micro PC não pode trabalhar com sinais analógicos, e tentar representar sons reais na forma de sequências de uns e zeros, como nos sons gerados pelo speaker, seria simplesmente ridículo. Surgiu então a idéia de converter o sinal analógico para o formato digital através de amostras. Imagine que esta onda sonora fosse colocada em um gráfico cartesiano, e cada ponto da onda passasse a receber valores X e Y.

    Poderíamos então, pegar amostras desta onda e atribuir a cada uma um valor numérico, que representaria sua posição no gráfico. Quanto maior for a quantidade de amostras por segundo, melhor será a qualidade do som. Também é importante a amplitude do sinal, ou seja, a quantidade de valores diferentes que ele poderá assumir. Se, por, exemplo usássemos 8 bits para representar a amplitude de cada amostra, seria possível reproduzir apenas 256 tonalidades diferentes de som. Se fossem usados 16 bits, já seriam possíveis 65.000 valores diferentes e assim por diante.


    Podemos fazer uma analogia entre um som digital e uma imagem digitalizada, onde temos uma certa quantidade de pontos e uma determinada quantidade de cores. Quanto maior for a resolução da imagem, e maior for a quantidade de cores, mais perfeita ela será. Uma imagem de uma árvore, digitalizada com resolução de 320x200 e apenas 256 cores, nem de longe representaria todos os detalhes da árvore original, enquanto outra com 1600 x 1200 pontos e 16 milhões de cores (24 bits) apesar de ainda não ser perfeita, chegaria bem mais perto.

    Um sinal telefônico, por exemplo, é transportado entre os troncos digitais num formato com 8.000 amostras por segundo, e uma amplitude de 8 bits, resultando em um som nítido, mas de baixa qualidade. Um som de CD já é gravado com 44.100 amostras por segundo, e amplitude de 16 bits, que permite 65.000 valores diferentes. No CD, já temos um som quase perfeito, a ponto de uma pessoa normal não conseguir distinguir entre um som real e o mesmo som gravado.

    Porém, um músico experiente ou uma pessoa com uma capacidade auditiva mais desenvolvida, já seria capaz de perceber perda de qualidade no som, já que estamos usando apenas 65.000 tons para representar o som, enquanto num som analógico temos uma quantidade infinita de frequências. Um som digital nunca será perfeito, pois é impossível gravar um número infinito de amostras. A questão é gravar o som com uma quantidade de frequências suficientes para que o ouvido humano não seja capaz de fazer distinção entre o som digital e o som analógico original. Em estúdios profissionais de gravação, já se trabalha com sons de 94 kHz e 24 bits de amplitude, finalmente uma qualidade suficiente para enganar até mesmo os ouvidos mais sensíveis.
    GERANDO SOM DIGITAL

    Quem faz a conversão do sinal analógico em sons digitalizados, é um circuito chamado ADC (Analog Digital converter, ou conversor analógico/digital). Basicamente, um ADC extrai amostras da onda elétrica gerada por um aparelho analógico, como um microfone, que são transformadas em sinais digitais. Estes sinais podem ser facilmente manipulados pelo processador, e transmitidos como qualquer outro tipo de dado, permitindo que você converse com outras pessoas via Internet, por exemplo.

    Quando é necessário tocar um som digital previamente gravado, precisamos fazer o caminho inverso, ou seja, transformar as amostras novamente em uma onda analógica, que possa ser tocada pelas caixas acústicas da placa de som. Esta conversão é feita pelo DAC (Digital Analog converter, ou conversor digital/analógico). O ADC e o DAC são os dois componentes básicos de uma placa de som.

    Gravar os sons digitalmente permite reproduzir qualquer som com qualidade. O problema é que os arquivos gerados acabam sendo muito grandes, o que dificulta seu uso. Apenas um minuto de áudio gravado com qualidade de CD equivale a um arquivo WAV de 10,5 Megabytes. Para contornar este inconveniente, usamos duas técnicas: a compactação de áudio, e a síntese de áudio.


    COMPACTAÇÃO DE ÁUDIO

    Assim como podemos compaqtar documentos do Word, ou imagens BMP, podemos também compaqtar os arquivos de áudio, eliminando informações redundantes. Numa música, um longo período com amostras de som com o mesmo valor, poderia ser substituído por um pequeno código dizendo que o mesmo som deve ser repetido X vezes. Podemos também eliminar informações que exercem pouca influência sobre a qualidade do som.

    Até um certo ponto, é possível compaqtar o som sem nenhuma perda de qualidade (substituindo sequências de sons iguais por códigos que dizem que o som deve ser repetido, por exemplo) Mas chega uma hora que é preciso abrir mão de um pouco da qualidade do som para gerar arquivos menores, assim como sacrificamos um pouco da qualidade de uma imagem gravada em BMP quando a convertemos para o formato JPG, passando a ter, porém, um arquivo muito menor. Exemplos de algoritmos de compactação de áudio são o ADPCM, o True Speech e o MPEG.

    Outro formato de compactação extremamente eficiente e popular é o MP3, que é muito utilizado para transmitir músicas via Internet. O MP3 permite uma compactação de arquivos WAV de 9 ou 10 para 1, ou seja, uma música de 4 minutos que corresponderia a um arquivo WAV de 42 MB, poderia ser convertida em um MP3 com cerca de 4,5 MB, sem qualquer perda significativa na qualidade do som.

    O MP3 consegue este pequeno milagre através da eliminação de frequências sonoras que não são captadas pelo ouvido humano, mas que servem para engordar os arquivos sonoros. O ruído de uma folha caindo durante um tiroteio, sem dúvida não faria falta alguma, assim como o som gerado por um apito de cachorro, que também não é audível para nós. Convertendo um arquivo WAV para MP3, a degradação do som é muito pequena, apenas uma pequena distorção nos sons graves, praticamente imperceptível.

    Para ouvir músicas em Mp3, você precisará de um programa especial, já que o Media Player do Windows não suporta este formato de arquivo. Dois bons players são o Winamp, que pode ser baixado em http://www.winamp.com/ e o Sonique, disponível em http://www.sonique.com/.Você encontrará várias músicas em http://www.mp3.com, todas disponibilizadas gratuitamente com autorização dos autores.

    Outro formato que vem ganhando bastante popularidade é o VQF, que usa um algoritmo de compactação mais eficiente que o usado pelo MP3, gerando arquivos até 30% menores, com uma qualidade um pouco melhor. O problema do VQF é que, devido à complexidade do algoritmo, a descompactação dos arquivos é extremamente trabalhosa, exigindo um processador poderoso. Enquanto num mero Pentium 133, ouvir uma música em MP3 usando o Winamp consome apenas 30% dos recursos do processador, é preciso pelo menos um Pentium 200 para ouvir uma música em VQF com qualidade, o que está dificultando um pouco a popularização deste novo formato.


    SÍNTESE DE ÁUDIO

    Ao invés de gravar uma música em formato digital, o que, mesmo usando um formato de compactação de áudio geraria um arquivo razoavelmente grande, podemos sintetizar a música, usando o sintetizador MIDI da placa de som. Neste caso, teríamos que gravar apenas a sequência de notas a ser reproduzida, gerando um arquivo ridiculamente pequeno. Enquanto 5 minutos de música com qualidade de CD ocupam 52 Megabytes, uma música MIDI de 10 minutos não ocupa mais que 100 ou 150 Kbytes. Existem dois tipos de síntese de áudio: a síntese de FM e a síntese de Wave Table (tabela de onda).


    SÍNTESE POR FM

    Em 1971, um estudante da universidade Stanford desenvolveu uma tese que mostrava que qualquer sinal que varia em amplitude, pode ser representado como uma soma de várias frequências. Segundo esta tese, qualquer som é na verdade um conjunto de frequências harmônicas.

    Se um som qualquer pode ser dividido em várias ondas, poderíamos fazer também o contrário, ou seja, sintetizar diferentes sons simplesmente calculando e somando as ondas sonoras que o compõe, com base em uma tabela com apenas algumas ondas de frequências diferentes. Seria mais ou menos como misturar várias cores de tinta para formar novas cores. Através desta técnica, seria possível produzir desde sons de instrumentos musicais até vozes humanas, passando por quase todo tipo de ruído.

    Com base na tese, a tecnologia de geração de som através de frequências moduladas, foi criada e licenciada pela Yamaha, que até hoje fabrica a maioria dos sintetizadores FM usados em placas de som e outros equipamentos.

    Alguns aplicativos, especialmente jogos, utilizam o sintetizador FM (frequências moduladas) para gerarem ruídos de tiros, explosões, e outros efeitos sonoros, evitando o uso de sons digitalizados que ocupam muito espaço. Outra aplicação para o sintetizador FM é a geração de sons de instrumentos musicais. Estes sons são usados para compor a trilha sonora da maioria dos jogos.
    MIDI

    O MIDI (Musical Instrument Digital Interface) é um padrão usado para garantir que o som gerado por sintetizadores diferentes, corresponda exatamente às mesmas notas dos instrumentos. Usando o MIDI, o Dó de um Piano será sempre um Dó, e não um Ré, independentemente da placa de som instalada no micro, permitindo que a mesma música codificada em um arquivo MIDI seja tocada com perfeição em qualquer placa de som.

    Os arquivos MIDI, por sua vez, representam as notas que devem ser tocadas, assim como a ordem e a sincronia. É possível também tocar várias notas ao mesmo tempo, sendo possível simular uma orquestra inteira tocando. O número de vozes, ou seja, quantos instrumentos podem ser tocados simultaneamente depende da placa de som, uma Sound Blaster AWE 32, por exemplo, é capaz de tocar até 32 notas simultaneamente, enquanto uma AWE 64 é capaz de tocar até 64 notas.

    Como no arquivo é preciso apenas informar as notas a serem tocadas, os arquivos MIDI acabam ficando extremamente pequenos. Como disse no inicio deste capítulo, uma música MIDI de 10 minutos dificilmente ficará com mais do que 100 ou 150 KB, mesmo com vários instrumentos sendo tocados simultaneamente.

    Outro aspecto interessante do MIDI é que ele é totalmente compatível com a maioria dos teclados musicais e outros instrumentos digitais, que podem ser conectados ao micro através das saídas Midi In/Out da placa de som. Poderíamos então usar algum software específico para compor músicas, tocando as notas diretamente no teclado musical acoplado ao micro.


    SÍNTESE POR WAVE TABLE (TABELA DE ONDA)

    Apesar dos sintetizadores de FM, como o Yamaha OPL 3, usado nas placas Sound Blaster 16, serem extremamente simples e baratos, o som instrumental gerado por eles deixa muito a desejar em termos de qualidade. Apesar do som ser bem parecido com o dos instrumentos reais, é fácil perceber que se trata de um som sintético.

    Para corrigir esta deficiência, além do sintetizador de FM, é usado um sintetizador Wave Table nas placas de som mais atuais. Ao invés de sintetizar os som através da combinação de várias frequências diferentes, como nos sintetizadores FM, nos sintetizadores Wave Table são usadas amostras de sons gerados por instrumentos reais, o que garante uma qualidade muito superior.

    Inicialmente contrata-se um músico para tocar individualmente cada nota de vários instrumentos. Estas notas são digitalizadas e gravadas em chips de memória Rom, geralmente com 2 ou 4 Megabytes, que são incorporados à placa de som. O sintetizador por sua vez se limita a ler estas amostras de som e tocá-las na ordem certa.

    Todas as placas Sound Blaster AWE 32 e AWE 64, assim como placas compatíveis, possuem tanto o sintetizador FM quanto o Wave Table. Como os dois sintetizadores podem ser usados simultaneamente, é possível misturar os sons gerados, fazendo com que a música de um jogo seja sintetizada por Wave Table, enquanto os efeitos sonoros sejam sintetizados via FM. Experimente fazer um teste: tente escutar uma música em MIDI e outra em WAV ou MP3 ao mesmo tempo, você verá que os sons serão tocados simultaneamente pela placa.

    Apenas placas AWE 32 e 64, assim como outras placas mais recentes, trazem sintetizadores por Wave Table. Placas Sound Blaster 16, Sound Blaster Pro e outras placas mais antigas trazem apenas o sintetizador por FM.

    Glossário

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