Processador de áudio e sua influência no aumento de cobertura em uma emissora de FM.

A psicoacústica está envolvida na fabricação de processadores de FM de última geração (Omnia.9, Stereo Tool FM Box), que é um aspecto particularmente importante na cobertura das transmissões de FM, isto está no fato de que a “potência de um sinal de FM não depende do nível de modulação mas sim que seja sempre constante”,  devido sua amplitude.

Os processadores de última geração utilizam a psicoacústica com dispositivos específicos que exploram o mecanismo pelos quais o cérebro humano percebe o som.

Psicoacústica = A psicoacústica envolve o estudo científico da percepção do som pelo ouvido humano.

 

Foi demonstrado, há muito tempo pelo Eng. O.Bonello (Solidyne) que o processamento de áudio em FM aumenta o nível médio de áudio (RMS), aumentando a cobertura com base na potência melhorada nas bandas laterais.

RMS = Root Mean Square. Mede a intensidade média dos valores de um sinal de áudio ao longo de um período de tempo.

Com o uso de potentes DSP's nos processamento de áudio FM as técnicas de processamento foram refinadas obtendo um som muito sólido e agradável; também cumprindo seu objetivo principal: aumentar o nível médio da modulação (RMS).

Muito contestado pelos técnicos e engenheiros que cuidam das emissoras de FM, porém a instalação de um processador de última geração como Stereo Tool FM Box ou Omnia.9, irá com certeza implementar a cobertura de uma emissora de FM principalmente em áreas marginais.

 

Tenho um exemplo no Brasil (Paraná) da rádio Ilha FM que a sua cobertura aumentou significativamente com a instalação e uso do processador Stereo Tool FM Box.

 

Como é feito:

Aumentando o valor RMS da Modulação.

A Fig.1 mostra um diagrama de blocos simplificado de um processador de áudio multibanda (digital ou analógico). O número de bandas geralmente varia de 3 a 6.

No caso do Stereo Tool FM Box são 18 bandas .

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O sinal de áudio vem com pré-ênfase e passa através de filtros de banda, geralmente de 18 ou 24dB/oitava. cada banda é comprimida com uma taxa de compressão, geralmente maior que 20:1. os tempos de Attack e Release são ajustados pelo técnico para que se tenha melhor qualidade no ar de acordo o segmento musical da emissora.

 

Comprimindo as bandas separadamente , é possível obter uma alta densidade de som, isto porque cada banda é ajustada para um nível máximo de sinal, está ligado ao conceito de volume (loudness). É um conceito clássico da ciência da Psicoacústica, em como o ouvido humano escuta os sons. Se este sinal de áudio for comprimido em várias bandas, o nível de áudio de cada banda aumenta significativamente produzindo maior volume de loudness.

Isso ocorre porque um programa de áudio tem uma distribuição aleatória de amplitudes.

Os picos de duração muito curtos podem chegar até 20 dB acima da média RMS.

Mas os padrões de FM indicam que a modulação máxima, ainda com picos curtos, não precisa ultrapassar 100%. Então, o método mais eficaz para aumentar o valor de RMS é eliminar os picos com duração muito curta.

O conceito de clipping naturalmente está associado à distorção, sendo absolutamente rejeitado em qualquer etapa da cadeia de áudio de alta qualidade. No entanto, na radiodifusão, os sinais clipados (recortados) têm uma longa tradição, devido à necessidade de obter maiores valores na modulação. Ao longo dos anos, os engenheiros de P&D de áudio criaram diversas técnicas para reduzir os efeitos indesejáveis ​​de clipping, mantendo a qualidade de áudio, Stereo Tool FM Box possui um clipper composto que produz vários dB's de headroom extra principalmente para as altas frequências, e recursos como proteção de distorção e Intermodulação (IM). 

Mascaramento

O mascaramento em frequência ocorre quando um som que normalmente poderia ser ouvido é mascarado por outro, que se encontra em uma frequência próxima. Ou seja, o limiar de audição é modificado (aumentado) na região próxima a frequência do som que causa o mascaramento, isto se deve a limitação da percepção de frequências do ouvido humano.

O mascaramento depende da frequência em que o sinal se encontra.

O conceito de mascaramento ajuda a entender que é possível reduzir e até eliminar os efeitos negativos da distorção de clipping (recorte), mantendo a vantagem de aumentar o valor de  RMS do sinal.

Cancelamento de IM – Intermodulação.

Um refinamento adicional que que os processadores de última geração possuem

(Stereo Tool FM Box) é o cancelamento da intermodulação gerado pelo clipper.

Para entender melhor, lembremos que as transmissões em FM são feitas acentuando os agudos acima de 2122 HZ, com base em uma constante RC de 75 uS (50 uS na Europa). Isso significa aumentar 17 dB a 15 KHz antes da transmissão.

Cobertura do sinal estéreo de FM.

O sinal estéreo é obtido por meio de uma sub-banda de 38 KHz modulada em amplitude pelo

componente L-R se esta banda de 38 KHz chegar nos receptores fraca, distorção e ruído serão  produzidos o que impede uma recepção com boa qualidade . Em termos gerais, o ruído na sub-portadora de 38 KHz marca o fim da área de cobertura de um rádio estéreo FM.

Aumentando o valor de RMS do sinal de áudio modulante também aumentará a potência das

bandas laterais, tendo como consequência um aumento na cobertura de FM.

Quando enviamos uma sub-portadora de 38KHz, podemos ver uma ação notável nos valores de AM, que indica que o aumento do valor de RMS do sinal de áudio. Veja figura abaixo.

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Torick-Keller fez medições cuidadosas com o objetivo de verificar o aumento do alcance de uma emissora de FM localizada em Meridien, Connecticut ao qual através de um processamento de áudio, se aumentava a modulação na subportadora de 38 KHz em valores de 95% .

Os resultados deste trabalho indicam que é possível para esses valores extremos de modulação da subportadora aumentar em até 4 vezes a área de cobertura de uma emissora de FM estéreo.

Conclusão

Analisando o atual estado das teorias envolvendo projetos de processadores de FM digital. Existe razões pelas quais eles conseguem um aumento significativo na intensidade de um sinal de áudio e nos valores de modulação RMS, com mínima degradaçao audível na qualidade do som. Esta aparente degradaçao é no entanto, compensada pela sensação de volume e graves de alto impacto que faz com que uma grande maioria de ouvintes considere o som melhor do que o original.

Finalizando, a analise das bandas laterais de transmissão, considerando a propriedade ortogonal das funções de Bessel, pode mostrar que em FM mono só nos beneficiamos do aumento de volume do processamento de áudio, enquanto em FM Stereo há um aumento significativo na potência irradiada, veja figura abaixo que permite prever com precisão o aumento real no alcance de uma transmissão de FM, sabendo o aumento do valor RMS da modulação produzida pelo processamento de áudio.

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Referencies:

1- Oscar Bonello New improvements in audio signal processing for AM Broadcasting, AES.

2- E.Torik and T.Keller, Improving the signal to noise ratio and coverage of FM stereo, AES.

3- R.Cabot, R.Genter II and T.Lucke, Sound Levels and Spectra of Rock Music, AES.

4- National Association of Broadcasters Engineering Handbook.

Artigo escrito por: Jorge Faria  

Data:04/02/2022

Consultor de Broadcast da Audiotx e Stereotool FM

www.stereotool.com.br

www.audiotx.com.br