A principal função de um processador de FM é manter o nível do sinal dentro dos parâmetros legais de modulação.
Isto para que não sobre modulação causando interferência em outras emissoras em canais adjacentes.
Exemplo: O sinal de uma portadora em 91.3 pode interferir em uma portadora de 91.7 assim o ouvinte pode ouvir o áudio da frequência de 91.3 na frequência 91.7. Quanto mais alto for a modulação maior será a interferência. A Anatel do Brasil a FCC dos Estados Unidos tem regras bem definidas sobre excesso de modulação.
Nota: Para verificar a modulação as emissoras de rádio geralmente possuem monitores de modulação, que ajudam a monitorar e ajustar o nível de modulação dentro da legalidade permitida.
Continuando falando de processamento:
Um processador de FM básico possui os seguintes controles.
Limitador – Compressor – Controle de clipping – Controle automático de ganho (AGC) e gerador de estéreo (MPX).
Limiter
O Limiter controla o nível do sinal evitando os picos de sobre modulação. É caracterizado por uma taxa (THRESHOLD ) de compressão muito alta, tempo de ataque rápido e tempo de liberação (RELEASE) rápido.
Os processadores de alta qualidade possuem um limitador de picos que por si só, limita os picos da forma de onda, em oposição aos picos instantâneos individuais
(na direção + ou -).
As imagens abaixo mostram as forma de ondas de um processamento de áudio.
Forma de Onda sem Compressão.
Forma de Onda com Limiter
Forma de Onda Clipada
Clipping.
É o processo que corta instantaneamente e abruptamente qualquer parte da forma de onda (picos) que exceda o limite (THRESHOLD).
Pode ser muito eficaz para aumentar o volume de Loudness, usado em excesso pode produzir distorção.
Aumenta a largura de banda do sinal introduzindo distorção harmônica e distorção de intermodulação.
Em processadores de alta qualidade o Clipper é muito eficiente pois usa técnicas para não deixar passar picos de sobre modulação, nem perder a dinâmica ou produzir distorção na música, mas sim manter o volume de Loudness e ENERGIA ESPECTRAL do sinal de áudio no ar.
Mais Detalhes:
Como já disse anteriormente clipping é um corte instantâneo e abrupto de picos na forma de onda que ocorre quando o nível do sinal instantâneo excede (na direção + ou -).
A forma de onda com clipping se parece com uma montanha cortada no topo deixando a superfície plana. Clipping não altera o nível de sinal, ele apenas corta a forma de onda deixando-a envelopada.
Forma de Onda Clipada -6dB - Brick Wall
Em um processador de baixa qualidade o clipping em -6dB (Brick Wall) vai manter o sinal protegido contra os picos de modulação, mas irá tirar a dinâmica e produzir distorção além de deixar o som bem desagradável para os ouvintes.
Nota: O temo Brick Wall é usado para definir uma proteçao tipo uma parede, nada ultrapassa o limite ajustado.
Efeitos colaterais de Clipping:
Distorção de clipping é um tipo de distorção que ocorre quando a forma de onda é cortada abruptamente (na direção + ou -).
Na figura abaixo mostro um osciloscópio mostrando uma forma de onda cortada (clipada).
Clipping deve ser usado com cautela pois afeta o som de voz e outros sons monotônicos.
Nas músicas retira a dinâmica e a naturalidade, podendo produzir fadiga auditiva para o ouvinte.
Explicando em mais detalhes:
Limitando o Áudio:
Em primeiro lugar, limitar é uma espécie de compressão. É a compactação com o controle de RATIO definido na proporção infinito para 1. Isso faz com que o compressor diminua o nível (usando seu atenuador eletrônico interno) o quanto for necessário para evitar que o nível geral do sinal exceda o limite (definido pelo controle THRESHOLD). Quando o nível de entrada cai abaixo do limite, o nível começa a subir novamente a uma taxa (velocidade) definida pelo controle de RELEASE até que outro pico exceda o limite e o nível seja forçado para baixo novamente.
Limitar se refere ao fato de que o nível de saída do compressor é limitado ao da configuração THRESHOLD. Esse é o caso quando o RATIO é definido como infinito para 1. Se o RATIO fosse definido como 2 para 1, por exemplo, o nível de saída poderia aumentar 1 db acima do THRESHOLD quando o nível de entrada fosse 2 db acima. A saída aumentaria 5 db quando a entrada aumentasse 10 db, etc. A relação infinita para 1 - limitação - faz com que, não importa o quanto o nível de entrada suba, o fader interno seja reduzido o suficiente para impedir que a saída suba.
O limite se refere-se ao fato de que o nível de saída do compressor é limitado ao da configuração de THRESHOLD. Esse é o caso quando o RATIO é definido como infinito para 1. Se o RATIO fosse definido como 2 para 1, por exemplo, o nível de saída poderia aumentar 1 db acima do THRESHOLD quando o nível de entrada fosse 2 db acima. A saída aumentaria 5 db quando a entrada aumentasse 10 db, etc. A relação infinita para 1 - limitar - faz com que, não importa o quanto o nível de entrada suba, o nível interno seja reduzido o suficiente para impedir que a saída suba.
O Limitador sozinho não faz todo o controle, mas ajuda criar um som mais natural
Os compressores por sua vez reduzem não apenas a faixa dinâmica superior, mas também permitem que as passagens mais silenciosas se tornem mais altas, reduzindo assim a faixa dinâmica em ambas as extremidades.
Usar um Limitador, com um Clipper e um THRESHOLD (limiar) ligeiramente mais alto, produz uma curva suave o suficiente para manter as músicas agradáveis de se ouvir.
Na figura abaixo mostra uma música com um limitador ajustado em -18db com o Attack e Release lento, o som produzido é mais natural do que usando um Clipper abrupto
( hard clipper).
Normalmente, os picos são longos o suficiente para acionar o limitador: mas às vezes os picos transitórios são mais curtos que o tempo de Attack.
Compressor de Audio.
Controles:
Attack, Release, Ratio e Threshold.
Attack é a taxa na qual o fader interno responde aos picos; quão rápido ele é puxado para baixo. Portanto, ATTACK é o quão rápido ele é puxado para baixo.
RELEASE é o quão rápido ele pode subir de volta. Se o ATTACK for lento, um pico rápido passará pelo compressor. O fader interno não reagiu rápido o suficiente para reduzir o nível. No entanto, um nível de sinal alto sustentado permitirá que um compressor com uma configuração de ATTACK lenta responda e reduza o fader para compensar.
Configurações diferentes para ATTACK, RELEASE, THRESHOLD e RATIO são usadas para propósitos diferentes e podem ser chamadas por nomes diferentes.
Limiting (limitar) se refere a um ATAQUE rápido e Ratio infinito 1:1.
Release:
Literalmente o oposto do tempo de ataque, mais especificamente é o tempo que o sinal permanece comprimido ou atenuado até retornar a seu estado original. O tempo de release será consideravelmente mais longo que o de ataque, geralmente entre 40-60 ms até 2-5 segundos, dependendo do compressor.
Também podem ser ajustados em modo de dB por segundo em alguns compressores. Num ajuste normal de compressão o tempo de release deve ser o mais curto possível para evitar um efeito indesejado causado pela ativação e desativação do compressor. Por exemplo, se o tempo de release for muito baixo e o compressor estiver atuando em modo ativado-desativado constantemente, o sinal dominante, geralmente o baixo ou o bumbo da bateria, terá a parte dos ruídos modulada resultando num efeito tipo respiração.
O release funciona de forma inversa do attack, no final da compressão. É o tempo que o Compressor leva para parar de comprimir o sinal, após o sinal voltar a ficar abaixo da linha de compressão (Threshold).
Threshold:
O controle de threshold ajusta o nível em que o efeito de compressão começa a funcionar, assim só quando atingir determinado nível a compressão começará a atuar. Se o nível de Threshold for ajustado para -10 dB, só os picos de sinal que atingirem valores superiores a -10 dB serão comprimidos. No resto do tempo, não haverá compressão
Ratio: Proporção de redução de volume.
O ratio, também chamado de “razão”, é a proporção em que o volume do sinal será comprimido. Esse parâmetro é, também, o nível da compressão, pois essa proporção determina como se ouvirá o som comprimido.
Este parâmetro é geralmente mal entendido mas simplesmente é a quantidade de atenuação aplicada ao sinal.
Exemplo: a proporção 3:1 diz que para 3 dB que ultrapassem a linha do threshold o sinal de saída será de apenas 1dB. Quanto maior for a proporção, maior será a atenuação.
Um ratio de 3:1 pode ser considerado como compressão moderada, 5:1 será considerado uma compressão média, 8:1 forte e 20:1 até ∞:1 (infinito pra um) pode ser considerada um limitador e garante que o sinal não excederá o ponto de threshold.
Alguns Exemplos de Taxa de Ratios:
1:1 não possui compressão. Os níveis de entrada e saída permanecem os mesmos, independentemente do nível de limite.
1.5:1 compressão sutil. Esta relação é suave e som transparente. Ele preservará a dinâmica das músicas.
2:1 aplica compressão leve. Essa proporção controla suavemente a dinâmica sem causar alterações perceptíveis no som.
3:1 compressão moderada. Essa configuração de proporção é um pouco mais agressiva. Aplica um controle transiente suave, mantendo a dinâmica natural.
4:1 compressão média. Essa relação tem um controle mais rígido sobre os transientes. Haverá mudanças sutis no som, e no volume.
10:1 compactação pesada. Essa proporção é agressiva. Isso reduzirá drasticamente o a dinâmica, fazendo com que o sinal perca força, clareza e presença.
20:1 infinito:1 é limitante. Em Infinity:1, o compressor essencialmente bloqueia o sinal de audio atuando como um limitador.
Agora, tente entender:
Clipping pode ser visto como compressão/limitação com ATTACK e RELEASE instantâneos (infinitamente rápidos) e RATIO Infinito 1:1.
Limitando e Clipando, mais uma vez:
A razão pela qual deseja limitar e clipar o áudio em um processador de áudio FM:
O limitador é necessário para controlar os níveis e fazer a maior parte do trabalho que é de prevenir a sobre modulação.
No entanto, a maioria dos limitadores tem uma constante de tempo de ataque finita, embora pequena eles não respondem instantaneamente aos picos. Muitos também não têm taxas de compressão perfeitas de infinito a 1. Ou seja, a saída ainda pode aumentar um pouco mesmo quando a entrada excede o limite, especialmente quando excede rapidamente.
Assim, um clipper é necessário como o último estágio para garantir absolutamente a conformidade exigida por lei. O clipper apenas cortará qualquer pico de forma de onda que passe pelos outros estágios, evitando a SOBREMODULAÇÃO.
A maioria dos processadores de áudio FM reduz intencionalmente a taxa de ataque ou a taxa de compressão no estágio do limitador ou aumenta o limite do limitador para que ocorra algum corte no estágio do clipper. Isso causa distorção de Clipping, especialmente em ataques rápidos e picos estreitos. Mas também aumenta o nível de volume médio.
Até certo ponto, quanto mais se fizer o clipping (cortar), mais alto vai soar porque a relação entre o nível médio e o nível de pico é aumentada.
Esse é ajuste é crítico, é onde o volume versus distorção entra em cena.
Então, qual é a diferença entre um Processador de FM de Baixa qualidade e Um Processador de Alta Qualidade.
Na minha opinião os três itens abaixo fazem a grande diferença:
Gerador de Estéreo.
Nem todos os processadores de FM possuem geradores de estéreo de qualidade, muitos não produzem um pré-ênfase correto. Alguns processadores de FM utilizam geradores de estéreo com fase linear (linear phase) feito por um DSP isto é incorreto e causa picos de sobre modulação em torno de 20% perdendo volume de Loudness em torno de 2dB que acaba diminuindo a competitividade no ar.
Pode ser verificado facilmente através de um osciloscópio.
Os processadores de alta qualidade já possuem RDS integrado o que também não afeta a modulação
Limiter – Controle de Picos.
O limiter, assim como o compressor de áudio, é um Processador de Dinâmica, no entanto, ele sempre reduzirá o volume ao limite estabelecido, quando o sinal ultrapassar o threshold.
A limitação aumenta a densidade do áudio. O aumento da densidade pode fazer com que os sons altos pareçam mais altos, resultando em um som mais denso.
É importante estar ciente dos muitos efeitos colaterais subjetivos negativos da densidade excessiva ao definir os controles que afetam a densidade do som de um processador.
Clipping Composto.
O clipping composto pode criar até 160% de modulação de canal esquerdo e direito, mantendo a modulação total em 100%. Ele também permite o uso de codificação estéreo de banda lateral única e várias melhorias na recepção.
Se o áudio for clipado normalmente e a codificação estéreo e a codificação RDS forem adicionadas posteriormente, a saída gerada raramente atingirá picos da modulação máxima.
Múltiplos dB's de headroom de sinal são desperdiçados cortando o áudio sem olhar para o piloto estéreo e sinal RDS como L+R e L-R modulados em 38 kHz contribuem para o níveis de picos.
Exemplo:
Exemplo simples: se houver um pico de alta frequência no áudio e os sinais do piloto estéreo e RDS atingirem o pico na direção oposta, o pico do áudio poderá ser cortado em um nível muito mais alto. É possível 'esconder' os picos de áudio dentro dos buracos criados pelos sinais piloto e RDS. O efeito da modulação de 38 kHz do sinal L-R é ainda maior, mas também muito mais difícil de explicar.
Em um processador de baixa qualidade que usa clipper normal, e em seguida adiciona os sinais estéreo e RDS, o nível de áudio do canal esquerdo e direito após a demodulação em um receptor FM sempre será abaixo de 100%.
O nível de áudio que sai do receptor não alcançará 100%, porque apenas as altas frequências podem atingir níveis acima de 100%, e estas são reduzidas com a redução da pré ênfase no receptor
Escrito por:
Jorge Faria
16/12/2022
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