Unidad 3. Equipos de procesado de señal

Transcripción

1 Unidad 3. Equipos de procesado de señal 1. Introducción a los sistemas de sonido 2. Amplificadores 3. Equipos de procesado de señal 4. La consola multicanal 5. Sistemas de grabación y reproducción 6. Diseño e instalación de sistemas de sonido Motivación del procesado de dinámica Conceptos previos Margen dinámico: diferencia entre el nivel más alto y el más bajo del programa sonoro Margen de sobrecarga (headroom): diferencia entre el nivel más alto del programa y su nivel nominal Programa poco dinámico Programa muy dinámico Motivación del procesado de dinámica

2 Motivación del procesado de dinámica Nivel de presión sonora de fuentes de sonido habituales Margen dinámico música De 120 a 130 db Margen dinámico palabra De 60 a 90 db Motivación del procesado de dinámica Motivación del procesado de dinámica Sistemas de refuerzo sonoro Escenario G Audiencia Motivación del procesado de dinámica

3 Motivación del procesado de dinámica Posible alternativa: aumentar la ganancia del sistema (G) Escenario G Audiencia Motivación del procesado de dinámica Motivación del procesado de dinámica Solución: procesado de dinámica Escenario Proc. dinámica G Audiencia Motivación del procesado de dinámica

4 Motivación del procesado de dinámica Sistemas de grabación/reproducción Motivación del procesado de dinámica Motivación del procesado de dinámica Margen dinámico de varios sistemas de audio Motivación del procesado de dinámica

5 Desarrollo del tema 3.2. Equipos de procesado de dinámica Motivación del procesado de dinámica Procesadores de dinámica Compresores lineales Compresores de ganancia constante Compresor-limitador Eliminador de siseos (de-esser) Características dinámicas Expansores Expansores lineales Expansores de ganancia constante Puertas de ruido Características dinámicas Sistemas compander Procesadores de dinámica Dispositivos de ganancia variable Caracterización de un procesador de dinámica Características estáticas (función de transferencia) V e VCA V s Características dinámicas (respuesta ante transitorios) V c Tipos de procesadores de dinámica Detector Compresores Expansores Sistemas compander o compansores Diagrama de bloques VCA: Voltage Controled Amplifier Detector: rectificador + integrador V e : señal a la entrada V s : señal a la salida V c : señal de control Procesadores de dinámica

6 Desarrollo del tema 3.2. Equipos de procesado de dinámica Motivación del procesado de dinámica Procesadores de dinámica Compresores lineales Compresores de ganancia constante Compresor-limitador Eliminador de siseos (de-esser) Características dinámicas Expansores Expansores lineales Expansores de ganancia constante Puertas de ruido Características dinámicas Sistemas compander Reducen el rango dinámico de la señal de entrada Ganancia elevada a niveles bajos Ganancia reducida (o atenuación) a niveles altos Dispositivo no lineal Tipos de compresor Compresor lineal Compresor de ganancia constante Compresor-limitador Configuración especial Eliminador de siseos (de-esser)

7 Compresor lineal P r : punto de rotación V e <P r : amplificación V e >P r : atenuación R c : relación de compresión (ratio) 100dB 50dB Problema: elevada ganancia en niveles bajos distorsión de transitorios Compresor lineal Distorsión de transitorios (G= 10 db) V e =-20dBuV s = -10dBu (G=10dB) V e =-80dBuV s = -40dBu (G=40dB) Retardos en VCA y detector ante ataques de la señal distorsión de transitorios (G= 40 db)

8 Ejemplo Ejemplo: cálculo de la distorsión de transitorios para una señal que presenta un ataque de -70 a -10 dbu cuando es procesada por un compresor lineal de relación de compresión 2:1 y punto de rotación en -20 dbu Ejemplo Punto de rotación en 20dBu y relación de compresión 2:1 db =10dB

9 Ejemplo Salida para nivel de entrada de -70 dbu -70 db =25dB = -45dBu G1 = -45-(-70) = +25dB Ejemplo Salida para nivel de entrada de -10 dbu db = -15dBu =5dB G2 = -15-(-10) = -5dB

10 Ejemplo Distorsión de transitorios DT=G1-G2 = 25-(-5)=30dB dbu Entrada -10 dbu Salida DT=G1-G2 = 25-(-5)=30dB G1 = 25 G2 = -5 G1 = 25 G2 = Ejemplo Ejemplo: cálculo de la distorsión de transitorios para una señal que presenta un ataque de a -10 dbu cuando es procesada por un compresor lineal de relación de compresión 2:1 y punto de rotación en -20 dbu

11 Ejemplo Obtención de los niveles de salida y las ganancias aplicadas por el compresor db db = -15dBu G2 = -15-(-10) = -5dB =5dB = 40dB -60 G1 = -60-() = +40dB Ejemplo Distorsión de transitorios Ejemplo anterior dbu Salida DT=G1-G2 = 25-(-5)=30dB dbu Salida DT=G1-G2 = 40-(-5)=45dB G1 = 25 G2 = -5 G1 = 40 G2 = -5 La distorsión de transitorios es 15dB mayor que en el caso anterior

12 Ejemplo Modulación del ruido mezclado con la señal. La relación SNR se mantiene, pero la modulación del ruido puede ser desagradable dbu +20 Entrada dbu +20 Salida Nivel de ruido -80 dbu G1 = 25 G2 = -5 G1 = 25 G2 = Compresor de ganancia constante P r : punto de rotación R c : relación de compresión P u : umbral de compresión (threshold) V e >P u : compresión lineal V e <P u : ganancia constante Se reduce la ganancia aplicada en niveles bajos menor distorsión de transitorios Se reduce la compresión del rango dinámico 100dB 70dB (reducción de 30 db)

13 Compresor de ganancia constante (bilineal) P r : punto de rotación R c : relación de compresión P u : punto umbral V e >P r : ganancia unidad P r >V e >P u : compresión lineal V e <P u : ganancia constante Se evita la distorsión en los niveles altos de la señal Se reduce la compresión del rango dinámico 100dB 80dB (reducción de 20dB) Aplicación típica: sistemas reductores de ruido Compresor-limitador P u : umbral de compresión V e >P u : compresión lineal V e <P u : ganancia unidad R c : relación de compresión valor típico en limitación: 10:1 20:1 R c = :1limitador puro Aplicación típica: protección contra saturación de etapas posteriores Rc= :1-26 -

14 Eliminador de siseos (de-esser) Configuración especial de compresor-limitador para la reducción de la sibilancia P u : umbral de compresión R c : relación de compresión Se atenúa fuertemente la señal por encima del umbral de compresión El compresor solamente actúa en la banda de frecuencias de la sibilancia o siseo (6-10KHz) Sólo se debe utilizar en programas vocales 6 10 KHz V e Compresor + V s 6 10 KHz VCA Detector Ejemplo Ejemplo: cálculo de la distorsión de transitorios para una señal que presenta un ataque de a -10 dbu cuando es procesada por un compresor de ganancia constante con relación de compresión 2:1, punto de rotación en -20 dbu y punto umbral en -60 dbu

15 Ejemplo Relación de compresión 2:1, punto de rotación en 20dBu y punto umbral en -60dBu Pu db Pr =20dB G = -40-(-60) = +20dB G=20dB Ejemplo Obtención de los niveles de salida y las ganancias aplicadas por el compresor db db = -15dBu G2 = -15-(-10) = -5dB =5dB G=20dB -80 G1 = +20dB

16 Ejemplo Comparación entre compresor lineal y compresor de ganancia constante dbu Salida -15 G1 = 40 G2 = -5 Compresor lineal DT=G1-G2 = 40-(-5)=45dB MD = 45dB dbu Salida G1 = 20 G2 = -5 DT=G1-G2 = 20-(-5)=25dB -15 MD = 65dB Compresor de ganancia constante Ejemplo Ejemplo: cálculo de la distorsión de transitorios para una señal que presenta un ataque de a -10 dbu cuando es procesada por un compresor bilineal constante con relación de compresión 2:1, punto de rotación en -20 dbu y punto umbral en -60 dbu

17 Ejemplo Relación de compresión 2:1, punto de rotación en 20dBu y punto umbral en -60dBu Pu db Pr =20dB G = -40-(-60) = +20dB G=20dB Ejemplo Obtención de los niveles de salida y las ganancias aplicadas por el compresor db db G2 = 0dB G=20dB -80 G1 = +20dB

18 Ejemplo Comparación entre compresor de ganancia constante y el compresor bilineal dbu Salida dbu Salida DT=G1-G2 = 20-(-5)=25dB DT=G1-G2 = 20-0=20dB MD = 65dB MD = 70dB G1 = 20 G2 = -5 Compresor de ganancia constante G1 = 20 G2 = 0 Compresor bilineal Ejemplo Ejemplo: cálculo de la distorsión de transitorios para una señal que presenta un ataque de a -10 dbu cuando es procesada por un compresor limitador de relación de compresión 2:1 y punto umbral en -40 dbu

19 Ejemplo Relación de compresión 2:1, punto de rotación en 20dBu y punto umbral en -60dBu db = 10dB Ejemplo Obtención de los niveles de salida y las ganancias aplicadas por el compresor db G2 = (-10) = = 7.5dB G1 = 0dB

20 Ejemplo Distorsión de transitorios dbu +20 Salida DT=G1-G2 = =22.5dB G1 = 20 G2 = 0 Compresor limitador Características dinámicas Determinan la respuesta ante transitorios Tiempo de ataque, T a (attack time) tiempo de respuesta ante los ataques de la señal tiempos de ataque típicos: 100s 100ms Tiempo de recuperación, T r (release time): tiempo de respuesta ante caídas de la señal tiempos de recuperación típicos: 20ms 3s

21 Características dinámicas Efecto del tiempo de ataque Tiempo de ataque largo se enfatiza el ataque de la señal y la distorsión de transitorios aumento de la sibilancia en programas vocales Tiempo de ataque corto: se suaviza el ataque de la señal pérdida de articulación de consonantes (efecto contrario al siseo) introducción de ruidos de alta frecuencia (clicks) Características dinámicas Efecto del tiempo de ataque

22 Características dinámicas Efecto del tiempo de recuperación Tiempo de recuperación largo se enfatiza la caída de la señal (efecto de extrangulamiento ) se pueden perder tramos de bajo nivel Tiempo de recuperación corto se suavizan las caídas de la señal ruido de respiración (breathing) por amplificación del ruido de fondo Características dinámicas Ruido de respiración (breathing) Amplificación del ruido de fondo al final de cada palabra Tiempo de recuperación corto aumento rápido de la ganancia al final de las palabras Amplificación del ruido de fondo hasta niveles audibles

23 Características dinámicas Otras funcionalidadades Función link (programas estéreo) V e i VCA V s i V e i master VCA V s i + Mono Detector Detector V e d VCA V s d V e d slave VCA V s d Control de ganancia de salida (makeup gain, output) Etapa de filtrado paramétrico previo Función soft-knee Función key input o side chain input Características dinámicas Ejemplos de aplicación de los compresores Compresión de señales vocales Compresión de instrumentos Incremento del nivel medio (volumen aparente) Compresión-limitación para evitar la saturación de etapas posteriores Control automático de volumen (función key input)

24 Características dinámicas Equipos comerciales dbx 266XL Compresor-limitador de 2 canales Funcionalidades: umbral de compresión y relación de compresión tiempos de ataque y recuperación función link función soft-knee puerta de ruido BEHRINGER MDX4400 Compresor-limitador de 4 canales Funcionalidades: umbral de compresión y relación de compresión función link función soft-knee api 2500 Compresor-limitador de 2 canales Funcionalidades: umbral de compresión y relación de compresión tiempos de ataque y recuperación función link Desarrollo del tema 3.2. Equipos de procesado de dinámica Motivación del procesado de dinámica Procesadores de dinámica Compresores lineales Compresores de ganancia constante Compresor-limitador Eliminador de siseos (de-esser) Características dinámicas Expansores Expansores lineales Expansores de ganancia constante Puertas de ruido Características dinámicas Sistemas compander

25 Expansores Equipos de procesado de dinámica complementarios a los compresores Incrementan el rango dinámico de la señal de entrada Atenuación (o ganancia reducida) a niveles bajos Ganancia elevada a niveles altos Dispositivo no lineal Tipos de expansor Expansor lineal Expansor de ganancia constante Configuración especial Puerta de ruido ( noise gate ) Expansores Expansor lineal P r : punto de rotación V e <P r : atenuación V e >P r : amplificación R e : relación de expansión Incremento del margen dinámico según la relación de expansión 50dB 100dB Problema: elevada atenuación en niveles bajos se atenúan los ataques de la señal Expansores

26 Expansor de ganancia constante P r : punto de rotación R e : relación de expansión P u : umbral de expansión V e >P u : expansión lineal V e <P u : ganancia constante Se reduce la atenuación a niveles bajos no se atenúan los ataques de la señal Se reduce la expansión del rango dinámico 50dB 80dB (30dB de expansión) Expansores Expansor de ganancia constante (bilineal) P r : punto de rotación R e : relación de expansión P u : punto umbral V e >P r : ganancia unidad P r >V e >P u : expansión lineal V e <P u : ganancia constante Se evita el procesado de los niveles altos de la señal Se reduce la expansión del rango dinámico 50dB 70dB (20dB de incremento) Aplicación típica: sistemas reductores de ruido Expansores

27 Ejemplo Ejemplo: Se desea recuperar una señal que ha sido procesada con un compresor lineal de relación de compresión 2:1 y punto de rotación en -20dBu. Se diseñará el procesador de dinámica necesario y se obtendrá la señal original. La forma de onda de la señal comprimida es la que se muestra dbu Salida del compresor Ejemplo El procesador requerido es el complementario del compresor con el que se ha tratado la señal original expansor lineal con relación de expansión 1:2 y punto de rotación en -20dBu db = 40dB

28 Ejemplo Obtención de los niveles de salida y las ganancias aplicadas por el compresor db db = -10dBu G2 = -10-(-15) = 5dB = 10dB = 80dB G1 = -(-60) = -40dB Ejemplo Salida del expansor dbu +20 Entrada dbu +20 Salida DT=G1-G2 = = -45dB G1 = -40 G2 = 5 G1 = -40 G2 =

29 Puertas de ruido (noise gates) Configuración especial de expansor para la eliminación de señales no deseadas (ruido) P u : nivel umbral V e >P u : ganancia unidad (puerta abierta ) V e <P u : fuerte expansión (puerta cerrada ) R e : relación de expansión se deben evitar R e excesivas Puerta de ruido Expansores Características dinámicas Determinan la respuesta del expansor ante transitorios Tiempo de ataque, T a (attack time) Tiempo de recuperación, T r (release time): Expansores

30 Características dinámicas Efecto del tiempo de ataque Tiempo de ataque largo se suaviza el ataque de la señal pérdida de articulación de consonantes Tiempo de ataque corto se mantiene el ataque de la señal sonido más impulsivo Expansores Características dinámicas Efecto del tiempo de recuperación Tiempo de recuperación largo se prolonga la caída de la señal Tiempo de recuperación corto se mantienen las caídas de la señal sonido más impulsivo Expansores

31 Características dinámicas Ejemplos de aplicación de los expansores Reductores de ruido complementarios Mejora de la calidad de grabaciones en cinta magnética, disco de vinilo o recepción de radio Reducción de ruido en grabaciones antiguas, con excesivo ruido de fondo y diafonía Puertas de ruido Eliminación de ruido cuando el programa principal no está presente Separación entre diferentes instrumentos en las tomas de sonido en directo Incremento de la ganancia acústica disponible en sistemas de refuerzo sonoro Expansores Características dinámicas Equipos comerciales APHEX 622 Expansor-puerta de ruido de 2 canales Funcionalidades: umbral de expansión y relación de expansión tiempos de ataque y recuperación tiempo mínimo de apertura (función hold) función link filtro paramétrico de entrada función key input APHEX 105 Puerta de ruido de 4 canales Funcionalidades: umbral de expansión tiempos de ataque y recuperación tiempo mínimo de apertura (función hold) función link BEHRINGER XR4400 Expansor-puerta de ruido de 4 canales Funcionalidades: umbral de expansión y relación de expansión tiempos de ataque y recuperación tiempo mínimo de apertura (función hold) filtro paramétrico de entrada Expansores

32 Desarrollo del tema 3.2. Equipos de procesado de dinámica Motivación del procesado de dinámica Procesadores de dinámica Compresores lineales Compresores de ganancia constante Compresor-limitador Eliminador de siseos (de-esser) Características dinámicas Expansores Expansores lineales Expansores de ganancia constante Puertas de ruido Características dinámicas Sistemas compander Sistemas compander Los sistemas compander constituyen el núcleo de procesado básico en los sistemas de reducción de ruido El principio de funcionamiento de estos sistemas se basa en el procesado de dinámica de la señal y el efecto enmascaramiento Efecto enmascaramiento: la presencia de un sonido modifica el umbral de audición de forma proporcional al nivel de dicho sonido. Se trata de un efecto selectivo en frecuencia. Cualquier otro sonido por debajo del nuevo umbral es virtualmente inaudible. Efecto enmascaramiento para un tono de 500Hz. Cualquier sonido por debajo de la curva (b) queda enmascarado por este tono Sistemas compander

33 Sistemas compander Los sistemas de reducción de ruido basados en procesado de dinámica son fundamentales en los sistemas de grabación analógica en cinta magnética profesionales Principio de funcionamiento Se eleva el nivel de señal en los pasajes de bajo volumen (donde la señal tiene un nivel menor) antes de su grabación en cinta. El objetivo consiste en mejorar la relación SNR en estos pasajes críticos En aquellos pasajes donde el volumen es mayor deben quedar inalterados, para evitar distorsión por distorsión durante el proceso de grabación. En estos pasajes de mayor volumen el ruido no constituye un problema, ya que el nivel del programa es suficiente para enmascararlo Por tanto es necesario un sistema con elevada ganancia en los niveles bajos y poca (o ninguna) ganancia en los altos compresor En reproducción es necesario recuperar los niveles originales (atenuar el nivel de los pasajes de nivel bajo para compensar la ganancia aplicada por el compresor) expansor complementario al compresor Sistemas compander Sistemas compander Funcionamiento En grabación Compresión de la señal antes de su registro en cinta El compresor no actúa sobre el ruido En reproducción Expansión de la señal reproducida El expansor también actúa sobre el ruido, reduciendo su nivel cuando el nivel de la señal es bajo Sistemas compander

34 Sistemas compander Sistemas compander Sistemas compander dbu Nivel de ruido en cinta Sistemas compander

35 Sistemas compander dbu Nivel de ruido en cinta Sistemas compander Sistemas compander dbu Nivel de ruido en cinta Sistemas compander

36 Sistemas compander Ejemplo: Reductor de ruido profesional de dbx Sistema dbx: Compresor 2:1 + expansor 1:2 Ejemplo de aplicación: Rango dinámico programa: 120 db Margen din. soporte magnético: 60dB Sistemas compander Errores en sistemas compander Error de enganche El proceso de grabación/reproducción no se produce a ganancia unidad Los niveles a la salida no son los adecuados, lo cual puede dar lugar a ruido y/o distorsión en el reproductor Solución: tono de referencia a 1 KHz para ajuste de magnetófonos Sistemas compander

37 Errores en sistemas compander Modulación del ruido El ruido a la salida del expansor (reproductor) está modulado en función de la señal de entrada Nivel de ruido en cinta Señal Ruido Nivel de ruido en cinta Sistemas compander Errores en sistemas compander Modulación del ruido En principio la modulación del ruido no debería de ser un problema (en el fondo es lo que se persigue con el sistema compander) Se convierte en un problema cuando la señal que se desea registrar no cubre con niveles semejantes todo el espectro audible (señal concentrada en banda/s) debido a la selectividad en frecuencia del efecto enmascaramiento Una señal limitada en banda no puede enmascarar el ruido de banda ancha Sistemas compander

38 Errores en sistemas compander Modulación del ruido Una señal de baja frecuencia (bajo, bombo de batería, etc.) no puede enmascarar el ruido de alta frecuencia de la cinta (tape hiss) El hiss es percibido por el oyente modulado por la señal de baja frecuencia El oído humano es más sensible a los cambios de nivel que a los niveles absolutos, por lo que en este caso el efecto del reductor de ruido es más desagradable que su ausencia Solución: sistemas multibanda (reductores de ruido profesionales) Sistemas compander Ejemplo práctico de sistema compander Simulación de un reductor de ruido complementario Simulación de grabación/reproducción en cinta magnética sin reducción de ruido Grabación/Reproducción V e + V s Ruido blanco Simulación de grabación/reproducción en cinta magnética con reducción de ruido Grabación/Reproducción V e Compresor 2:1 + Expansor 1:2 V s Ruido blanco

39 Ejemplo práctico de sistema compander Grabación/Reproducción V e + V s Ruido blanco Ejemplo práctico de sistema compander Grabación/Reproducción V e Compresor 2:1 + Expansor 1:2 V s Ruido blanco

40 Ejemplo práctico de sistema compander Grabación/Reproducción V e Compresor 2:1 + Expansor 1:2 V s Ruido blanco Ejemplo práctico de sistema compander Grabación/Reproducción V e Compresor 2:1 + Expansor 1:2 V s Ruido blanco

41 Ejemplo práctico de sistema compander Grabación/Reproducción V e Compresor 2:1 + Expansor 1:2 V s Ruido blanco Ejemplo práctico de sistema compander Grabación/Reproducción V e + V s Ruido blanco Grabación/Reproducción V e Compresor 2:1 + Expansor 1:2 V s Ruido blanco

42 Resumen Importancia del procesado en dinámica de la señal de audio Compresores: comprimen el rango dinámico Sistemas de-esser: configuración especial de compresor para reducir la sibilancia Comportamiento dinámico de los compresores: tiempo de ataque y recuperación T a y T r largos: se acentúan ataques y caídas T a y T r cortos: se suavizan ataques y caídas Expansores: expanden el rando dinámico Puertas de ruido: configuración especial de expansor para eliminar señales no deseadas Tiempos de ataque y recuperación T a y T r largos: se suavizan ataques y caídas T a y T r cortos: se acentúan ataques y caídas Sistemas compander (compresor-expansor) Sistemas de reducción de ruido complementarios Bibliografía Lecturas recomendadas [Recuero93] Manuel Recuero López, Manuel Vaquero Fernández, Antonio J. Rodríguez Rodríguez, Constantino Gil González, Francisco Tabernero Gil, Técnicas de grabación sonora, Instituto Oficial de RadioTelevisión Española, Madrid, Capítulo 6. [Alten02] Stanley R. Alten, Audio in media, Wadsworth Publishing Co, Capítulo 9. [Eargle96] John M. Eargle, Handbook of recording engineering, International Thomson Publishing, Capítulos 21 a 24. [Huber01] David M. Huber, Robert E. Runstein, Modern recording techniques, Focal Press, Capítulo 12. [Davis90] Gary Davis, Ralph Jones, Sound reinforcement handbook, Hal Leonard Corporation, Capítulo

43 Bibliografía Recursos en internet