Entendendo Processamento de Audio

Visão Geral

O mundo do processamento de áudio é um dos mundos mais inovativos, criativos e cheios de desafios que eu conheço, e tenho a oportunidade de explorar.

Há sempre algo novo para aprender, experiências para se avaliar e também desfrutar.

Na minha opinião, é extremamente fascinante, porque apesenta muitas mudanças dentro de um horizonte onde se discute aspectos teóricos e práticos que é processamento de áudio.

Introdução a Processamento de Áudio

Processadores de FM são duas coisas distintas, engenharia e arte! (Muitas vezes somente tentativas) No campo da engenharia a tentativa de conseguir o melhor sinal-ruído, em rádio de FM’s na largura de banda de transmissão disponível no dial evitando os efeitos de sobre modulação.  No campo da arte, é o técnico ou engenheiro que irão conseguir fazer um ajuste sem degradar ou modificar o material original em um todo (áudio) podendo criar um som distinto com uma bela assinatura sônica.

Os especialistas e Gurus em processamento de áudio conseguem operar entre estes dois extremos, criando um meio termo. Porem sempre com a intenção de se criar um o melhor som possível com boa percepção e intensidade (loudness) dentro dos limites de modulação legais permitido. Se isto acontecer a transmissão do sinal estará dentro das normas de controle de modulação (100%). Não existe uma maneira correta ou errada de se fazer um processamento de áudio. Como em muitas áreas o julgamento sempre será Subjetivo; artisticamente o julgamento é cheio de controvérsias e muitos terão opiniões diferentes (não se pode agradar a Gregos e Troianos). Porém o sucesso de um processamento de áudio em FM deve ser julgado pelo resultado final conseguido! se agradar a grande maioria dos ouvintes, objetivo foi atingindo com pleno sucesso, não importando a opinião dos críticos e experts em áudio. Falo isso, pois na grande maioria das rádios no Brasil se ajusta o processamento de áudio de acordo o gosto do dono da rádio ou do técnico/engenheiro encarregado da emissora.

Uma emissora de rádio FM deve brindar os seus ouvintes com uma boa programação e um som agradável e com qualidade o ar!

Nota: Não se precisa ter os equipamentos mais modernos para se conseguir um som com qualidade, tudo começa otimizando a qualidade do áudio que vai ao ar.

O maior vilão o para um processador de áudio em FM são os arquivos em Mp3 ou comprimidos e depois os links (STL) de qualidade ruim.

Fundamentos do Processamento de Áudio

 

Intensidade de áudio no ar (loudness).

A intensidade do áudio (loudness) pode ser aumentada, reduzindo a proporção do valor médio dos picos de áudio na modulação. Se os picos forem reduzidos, o nível médio de áudio pode ser aumentado dentro dos limites legais permitidos de modulação (100%). Este ajuste realmente permite aumentar a modulação do áudio processado. Pois não irá introduzir efeito colaterais como ceifamento (clipagem) nem distorção na cadeia do áudio processado que sempre diminui o poder de modulação. A intensidade do sinal no ar terá mais intensidade com maior presença no dial, que comumente chamamos de loudness.

Compressão

A compressão de áudio reduz a faixa dinâmica de ganho do material reproduzido cuja a média ou nível de RMS exceda a taxa ou limite (limiar) da compressão (threshold). Amplificadores de AGC são na realidade compressores. Porem um compressor reduz o nível de diferença existente entre um sinal baixo e um sinal alto. Porém não pode fazer um sinal alto ficar mais alto ainda. O compressor reduz a faixa dinâmica do áudio de maneira relativamente lenta quase similar ao controle de ganho - "riding the gain" – no ajuste de volume.

 

Densidade

É a medida de amplitude que são feitos os picos de um sinal de áudio de forma uniforme (em uma da faixa dinâmica). Programas com uma faixa dinâmica de tempo muito curto, possuem baixa densidade; programas com muita compressão possuem alta densidade. A finalidade do limitador de áudio é proteger as bandas adjacentes de saturação, trabalho oposto ao do compressor que tem como função reduzir a faixa dinâmica do programa de áudio.

Limitador de Picos e Clipping (ceifamento)

Limitação de picos é uma forma extrema de compressão caracterizada por uma alta taxa (ratio) de compressão tempo de ataque muito rápido com uma liberação de tempo rápida (release). Nos modernos processadores de áudio o limitador de picos somente limita os picos de áudio do envelope da forma de onda, o oposto do limitador de picos de forma de onda instantâneo individual. Estes são normalmente controlados através do ceifamento (clipping). O limitador e clipping, reduz os picos com média de tempo curto habitual no áudio. O propósito principal do limitador é proteger uma banda adjacente de uma saturação – trabalho oposto ao do compressor, que tem o propósito somente de reduzir a dinâmica do programa de áudio.

O limitador de pico é o processo que instantaneamente corta os picos de uma parte da forma de onda que exceda (threshold) ou limite de corte pré-determinando (clipping) apesar de ser muito efetivo para produzir maior intensidade de áudio (loudness) pode produzir distorção quando usado em excesso, também aumenta a largura de banda do sinal, produzindo harmônicos e intermodulação na saída do sinal. Os limitadores são essencialmente controladores de picos, sem que seja introduzido significante energia espectral fora da banda de saída.

 

O limitador de picos, pode aumentar a intensidade do áudio. Aumentando a intensidade do áudio, os sons densos (loud) podem se tornar mais densos ainda, porém com efeitos indesejados tipo: cansativo, sem definição, com distorção, peso exagerado que acaba desagradando ao ouvinte. Por isso é importante ficar atento aos efeitos negativos e subjetivos de uma excessiva intensidade de áudio (loudness). Se os picos de modulação acentuados (Sharp) forem recortados moderadamente não irá produzir nenhum efeito colateral. Porem se os cortes forem excessivos (clipping) com certeza vai gerar uma distorção audível, que irá afetar a qualidade do som.

Tenha cautela neste ajuste! pois o áudio em FM deve ser agradável ter boa qualidade para assim tentar manter o ouvinte no ar o maior tempo possível.

Compressão Multi Bandas com Limitador de Frequência Seletiva

Esta técnica de compressão divide o espectro de áudio em várias bandas de frequências comprimindo ou limitando cada banda separadamente.

(Todavia pode ser usado o acoplamento das Inter banda para evitar a disparidade entre os ganhos das bandas adjacentes). Quando usado corretamente elimina o efeito de ganho por intermodulação espectral.

Esta é a técnica mais precisa e popular em processamento de áudio, ocorre em compressores de banda larga ou limitadores quando a voz ou instrumento em uma frequência domina a energia espectral, e assim ira determinar o nível de redução de ganho. Se outros elementos, mesmo que seja, mais fracos estiverem presente t

Efeitos desagradáveis podem ocorrer se a energia dominante for na região dos graves, isto devido ao ouvido humano ser relativamente insensível a energia dos graves, de assim o volume das frequências medias será empurrado para baixo pela energia de graves que será dominante! inexplicável aparentemente.  Os melhores resultados serão obtidos com o uso de Steep Crossover Slopes (filtro seletivo de frequencia) que irá permitir maior consistência das muitas variadas fontes de programa criando uma sensação “ilusória” de um som com grande dimensão sem os artefatos de processamento.

 

Esta técnica divide o espectro de áudio em várias bandas de frequências comprimindo ou limitando cada destas bandas separadamente.

Esta é a técnica mais popular e conhecida no mundo para se fazer processamento de áudio com boa qualidade em FM; sendo usada na maioria dos equipamentos modernos desde as grandes marcas até as menos conhecidas. Quando usada corretamente evita o efeito de intermodulação espectral que ocorre quando em um compressor de banda larga ou limitador de voz ou instrumento, uma faixa de frequência domine a energia espectral. Determinando assim a quantidade de redução de ganho.

Se outros elementos estiverem presente mesmo que sejam fracos a densidade (loudness) poderá ser audível com acentuada a presença do elemento dominante.

Efeitos desagradáveis podem ocorrer se a energia dominante for na região dos graves, porque o ouvido humano é relativamente insensível à energia dos sons graves e assim, a intensidade de som (loudness) nas regiões das frequências medias, serão empurradas para baixo pela energia dominante dos graves aparentemente.

Os melhores resultados para este tipo de processamento serão obtidos usando crossovers ativos com filtro de frequências pré-determinadas nas altas frequências para permitir maior consistência nas várias fontes de programas processados.

 

Outro tipo de limitação é por frequência-seletiva que utiliza filtros controlados. Estes filtros podem cortar as frequências por intensidade ou por seletividade, ou a combinação dos dois parâmetros. É variado para poder alterar dinamicamente a resposta de frequência do áudio processado. Este tipo de controle é muito usado para o controle das altas frequências nos limitadores e poder evitar potencial saturação devido ao pré-ênfase quando usado.

Equalização

A equalização muda o balanço espectral do sinal de áudio. Em broadcast um equalizador é um seletor de filtros, colocado no percurso do áudio processado.

Em processamento de áudio FM, um equalizador é utilizado para aplicar uma seletividade de frequência (filtro) na curva de resposta do áudio. Também é usado para se criar uma assinatura sônica no som. Equalizadores são muito usados em processamento para criar uma certa assinatura sônica na transmissão.

Processadores de áudio possuem normalmente equalizadores para produzir uma coloração no programa, ou para corrigir a resposta de frequência dos links de transmissão analógicos.

Topologia de um Processador de Áudio para FM

Um típico processador de áudio consiste de um AGC lento (slow) seguindo de um compressor Multi-Bandas (Split) com um tempo de ataque e liberação (release) moderado. Processadores de Multi-Bandas corretamente projetados têm este tempo constante otimizado para cada banda de frequência; as bandas baixas (low band) de frequências possuem uma resposta de tempo lento e constante; nas bandas das altas frequências rápido, pois é onde o compressor realiza o seu maior trabalho aumentando a densidade do programa. O AGC de banda larga foi projetado para controlar os níveis médios compensado os erros do operador da mesa que na maioria dos casos satura o sinal de áudio no console de áudio.

 

Os processadores de áudio modernos costumam acrescentar outros elementos para melhorar básico descrito acima. Por exemplo, incorporar um equalizador para colorir o áudio ou criar uma assinatura sônica. O equalizador é geralmente encontrado entre o AGC e compressor de multi-banda. O próprio compressor multi-banda também pode ser utilizado como um equalizador, ajustando os ganhos das diferentes bandas que possuir.

 

Os recortadores de picos (peak clippers) diminui os picos proporcionais à media, aumentando a intensidade de modulação sem os picos que existentes. Para diminuir os picos distorção é introduzida, processadores mais sofisticados utilizam um canceladores de distorção, que removem a distorção nas bandas de frequências onde será mais audível para o ouvinte.

 

Vários filtros passa-baixos são frequentemente incluídos nos processadores para limitar a largura de banda do sinal de saída para 15 kHz em FM. Os filtros passa-baixos no final do sistema quase sempre compensam a sobre modulação para assim prevenir a introdução de picos de modulação forma de onda da saída.

Preservando a Fidelidade do Processador de Áudio FM

O áudio com um processamento exagerado produz uma forma de onda com um topo achatado, tipo uma onda quadrada, sendo muito sensível a resposta de magnitude de fase na cadeia de processamento que está sendo realizado.

Desvios dessa resposta plana na magnitude e atrasos de grupos (delay) sobre a faixa de frequência contendo significante quantidade de energia no programa vai fazer estas ondas com topos achatados se inclinarem produzindo o que chamamos de (tilt) aumentando os níveis de picos da modulação sem entretanto aumentar o nível médio na modulação. Isto aumenta a proporção de valor de taxa dos picos-médios da onda, reduzindo o nível médio (e portanto a intensidade) assim podendo acomodar o processamento.

 

Embora o áudio da entrada de um processador de áudio poder ser filtrado pelos filtros de passa-alto, os limitadores de picos rápidos ou recortadores (clipping) como são chamados não são lineares produzindo uma diferença na frequência ou intermodulação (IM) abaixo do corte dos filtros passa-alto no áudio não processado; ou mesmo que o áudio tenha sido filtrado pelo filtro passa-alto (high pass filter) em 30Hz está intermodulação (IM) poderá se estender até 5Hz ou menos. Para se preservar a forma de onda processada, está IM produzida terá que passar através de um processo sem que tenha significante mudança de magnitude de fase ou distorção de fase.

 

Normalmente, a forma de onda vai sobre modular menos que 1% se o corte da frequência baixa de processamento for 0.16Hz ou menos. Isto significa menos que 1% de inclinação (tilt) de 50Hz da onda quadrada. Embora as formas de onda Infrassônica IM (intermodulação) sejam mais afetadas por este corte do que pela potência na banda áudio. Por ter maior potência a banda de áudio, ira dominar, e assim a forma de onda naturalmente será preservada quando o corte for baixo (LF) menor que 0.16Hz.

Uma das consequências deste princípio é que este sistema ira deixar passar as ondas senoidais planas (flat) até 30Hz podendo distorcer muito a curva de onda do áudio processado.

Melhor Local para se Instalar o Processador de Áudio FM.

O melhor local para o processador de áudio ser instalado seria o mais perto possível do transmissor de FM, pois assim o áudio processado não iria passará por nenhum outro circuito (analógico ou digital) preservando totalmente a integralmente da forma de onda gerada, sem que seja introduzida mudanças no meio do caminho (picos adicionais). Esta seria a maneira mais efetiva para se realizar um bom processamento de áudio em FM, porem a realidade nem sempre é, como desejamos. Em Países como o Brasil onde não existe um controle efetivo nas rádios, a grande maioria das emissoras de rádios FM sobre modula o sinal, produzindo interferências em canais adjacentes e degradando a qualidade do áudio processado. E importante entender que a sobre modulação não aumenta a qualidade do áudio processado ao contrario piora muito.

Continuando o assunto; na grande maioria das instalações o processador de FM está localizado no estúdio, o sinal processado será transportado para o transmissor até o excitador por um link (STL) analógico ou digital.

Nota sobre links analógicos:

Os links analógicos devem ser estáveis e ter uma resposta de frequência plana com a melhor linearidade possível, pois os desvios de fase irão causar espúrios como picos de modulação; portanto o nível médio da modulação deve ser reduzido para acomodar estes picos produzidos dentro do limite legal de 100% permitido por lei.

Se o transmissor (FM) for de boa qualidade construído com filtros passa-alto e passa-baixo, esses filtros devem ser desabilitados para se conseguir a melhor fidelidade possível do processamento feito. Os processadores de FM modernos de qualidade já possuem filtros integrados que são totalmente capazes de proteger o transmissor, sem causar nenhum tipo de degradação no controle dos picos de modulação.

O link de transmissão deve ter uma resposta de frequência de 30-15.000Hz, baixo sinal ruído e com baixa distorção não linear, se o link for ruidoso como muitos que existem no mercado, a audibilidade deste ruído pode ser minimizada através do ajuste de compressão no processador de áudio FM no estúdio. A compressão aplicada antes do sinal trafegar pelo link melhora a relação sinal-ruído, devido ao nível médio de modulação será aumentado.

Nota sobre links digitais:

Os links digitais tipo Barix, Deva Comrex, Tieline, Sinteck e outros sistemas, usam sistema de redução de taxa de amostragem, estes sistemas não conseguem deixar passar com sucesso os picos de modulação controlados e limitados pelo processador de FM no estúdio. Por serem sistemas com perda de compressão (lossy compression) adicionam uma grande quantidade de ruídos em certas bandas de frequências e quantização digital realizada. Uma análise de medida foi realizada usando um codec APT-X™ com uma taxa de compressão de 256Kbps, foi constatado que introduzia no áudio processado mais de 3db de sobre modulação (picos), usando uma taxa de compressão em 384Kbps introduzia mais de 1db de sobre modulação (picos). Sobre modulação nos enlaces (STL) digitais aumentam quando se diminui a taxa de compressão do áudio trafegado nos codec’s.

Embora estes picos de sobre modulação possam ser controlados ou limitados irá sempre produzir efeitos colaterais. Se o processador estiver no local do transmissor não haverá este tipo de problemas, pois irá entregar um sinal de áudio totalmente controlado ao transmissor de FM sem os temíveis picos de modulação que tiram do processamento realizado de áudio cerca de 3dB na modulação total. Isto significa menos intensidade (loudness) no ar. 

 

Quando o processador de FM estiver no estúdio e o áudio processado trafegar através de um link (STL) diretamente até o transmissor (excitador), se recomenda desabilitar os limitadores de áudio de proteção do transmissor de FM. O processador no estúdio faz o todo o trabalho de proteção do áudio que envia ao transmissor.

Nota: Se o link (enlace) for de qualidade duvidosa com certeza vai criar efeitos colaterais tipo picos de modulação que tem como consequência diminuir a modulação produzida pelo processador no estúdio.

Se você tem dúvida ou alguma pergunta que gostaria de fazer escreva-nos será um prazer responder!

 

Artigo escrito por: Jorge Faria

Consultor de Broadcast da Audiotx e Stereotool FM

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