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Procesadores de dinámica

TEMA 4. PROCESADORES DE DINÁMICA 1.- Introducción. En primer lugar, y ya que este tema está dedicado a los procesadores de dinámica, es conveniente efectuar un comentario sobre esta magnitud. Se puede definir el margen dinámico de un canal o sistema de reproducción sonora, como la diferencia en dB entre el nivel de saturación o máximo nivel que admite el canal con una tasa de distorsión prefijada, y el nivel de ruido propio del canal. Se podría intentar aplicar esta definición a la dinámica de la señal, aunque el nivel más bajo alcanzado es difícil de establecer, estando en general asociado al ruido captado en la toma o generación de la señal. La utilización de los procesadores de dinámica es doble. Por el lado más “técnico” se aplican (y sobre todo se aplicaban) para adaptar la dinámica de una señal a un canal con una dinámica menor. El objetivo era doble; ni saturar el canal, ni perder los niveles más bajos dentro del nivel de ruido. El tratamiento se realiza bien con el programa “completo” (mezcla final de la señal de un tema musical), como sucedía en los reductores de ruido; o con cada instrumento por separado, como en la toma de sonido en directo. La otra vertiente de aplicación de estos procesadores es la meramente musical; la generación de efectos sonoros, o mejor dicho, la modificación de la señal de un instrumento, para obtener un “sonido diferente” desde el punto de vista creativo. En éste caso, lo habitual, es realizar el tratamiento con cada instrumento por separado. 2.- Características generales Dicho todo esto, podemos definir los procesadores de dinámica como dispositivos que permiten alterar los rangos dinámicos de la señal de audio, para adaptarla a unas necesidades concretas, o producir unos determinados "efectos sonoros". Los más importantes son: compresores, limitadores, expansores y puertas de ruido; dando estos a su vez origen a sistemas de aplicación específica como los reductores de ruido, de-esser, etc. La manipulación de la dinámica es, al principio, un proceso poco intuitivo. Veamos con un ejemplo qué necesitamos realizar, y será más fácil justificar cómo. Supongamos Francisco Tabernero

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un sistema que tiene que reducir la dinámica de la señal, o lo que es lo mismo, acercar los niveles bajos a los altos. Una forma posible sería atenuar las señales de alto nivel y amplificar las de nivel bajo; de manera que cuanto mayor fuera el nivel de entrada mayor la atenuación a aplicar, y cuanto menor el nivel en la entrada mayor la amplificación a recibir. Esto implica transformar cada nivel de entrada en un determinado nivel de salida; con lo que la ganancia/atenuación a aplicar debería ser función del nivel de la señal de entrada. Además, la amplitud de la señal de audio varía continuamente; con lo que, como comentábamos antes, si el nivel está cambiando la ganancia debe seguir dichos cambios. La manipulación o control de la dinámica se realiza electrónicamente mediante amplificadores controlados por tensión (VAC), dispositivos cuya ganancia es función de una señal de control Vc. La figura 1 representa el esquema fundamental de un procesador de dinámica. La señal a tratar pasa a través del VAC, cuya ganancia instantánea es función de la señal de control Vc.

Figura 1. Diagrama básico de un procesador de dinámica.

Si la señal Vc se obtiene a partir del nivel de la señal de entrada, la amplitud de la señal de salida es función, y no lineal, de la propia señal. El funcionamiento consiste en obtener una muestra de la señal de entrada, la cual se lleva a un detector que entrega una señal de control Vc, que aplicaremos como gobierno de la ganancia del VAC. El corazón de estos sistemas lo constituye el detector, formado por dos secciones en cascada y encargado de: - En primer lugar, extraer información del nivel de la señal a procesar. Para ello, primero se rectifica la señal; tras lo cual se integra, obteniendo una tensión continua (dc) Ver proporcional a la amplitud de la señal de entrada. A toda esta etapa se le denomina 2

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rectificador - La segunda etapa del detector es el convertidor. Su misión es obtener la señal de control de la ganancia Vc en función de la señal ya rectificada Ver. Está claro que la función Vc vs Ver no tiene porqué ser lineal, de manera que esta característica es la que establece la modificación de la dinámica. Así, viendo el proceso de creación de la señal de control Vc podemos definir, en cualquier procesador de dinámica, dos tipos de características: estáticas y dinámicas. 2.1.- Características estáticas Están asociadas al comportamiento del convertidor; y nos hablan de la ley que debe seguir la ganancia, en función de los niveles de la señal de entrada. Desde el punto de vista matemático, es difícil su formulación (ya que depende de cuatro o cinco parámetros difíciles de cuantificar en la práctica). Para su definición y manejo se opta por una representación gráfica, de forma que es mucho más intuitiva para evaluar la modificación de la dinámica. Esta representación se conoce como curva de transferencia de niveles de entrada-salida, y un ejemplo de la misma aparece en la figura 2. En ella, el eje de abscisas representa los niveles de entrada al procesador,

Figura 2. Representación de la curva de transferencia de un procesador de dinámica

indicando en el de ordenadas los de salida. Habitualmente se dibuja también la bisectriz, ya que indica un tratamiento con ganancia unidad y facilita la visualización rápida de la alteración de

niveles producida. Así, la sección de curva por encima de la bisectriz corresponde a una zona de amplificación, mientras que la que aparece bajo ella es una zona de atenuación. Como se habrá observado, la representación se da en niveles, sin especificar la referencia; aunque podríamos tomar ésta como cualquier tensión interna del procesador. El conocer su valor es innecesario, puesto que nuestro interés se centra en la transformación de dinámica y no de amplitudes de la señal; y un cambio del valor de la referencia, solo implica una amplificación o atenuación fija para todos los niveles.

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El tratamiento que se puede realizar sobre la dinámica o es una reducción (compresión), o una ampliación (expansión) de la misma. Por tanto, los procesadores básicos son los compresores y los expansores; aunque que veremos algunas variaciones o combinaciones de particular interés. El tipo de procesado lo establece la función de transferencia, luego a partir de ésta los clasificamos en compresores (y sus tipos), expansores y puertas de ruido. 2.2.- Características dinámicas Las características dinámicas están asociadas al detector, y dentro de éste al integrador. El integrador necesita un tiempo finito para dar una tensión que refleje el nivel de la señal, no pudiendo hacer esta evaluación de forma instantáneamente. Teóricamente, y como comentamos en el apartado anterior, las características estáticas establecen la magnitud de la ganancia para cada nivel de la señal de entrada; pero esto sólo sucede en la realidad con señales cuyo nivel permanezca sin cambios apreciables. La señal de audio no es así, de manera que sus continuos cambios de nivel no pueden ser reflejados como instantáneos cambios de ganancia. Las características dinámicas (o transitorias) nos hablan de la rapidez del sistema en adaptarse a esos continuos cambios de ganancia. Para ello, definimos dos parámetros fundamentales: el tiempo de ataque y el tiempo de recuperación. Dan una idea de la velocidad de adaptación de la ganancia en dos casos diferentes: cuando la señal crece (en un “ataque”), o cuando decrece (una “caída”). Se define el tiempo de ataque como el necesario para que tras un crecimiento súbito de la señal la ganancia del sistema alcance el 90% de su valor final. El tiempo de recuperación es el que transcurre hasta que la ganancia alcance el 90% de su valor final tras una caída brusca del nivel de la señal. Como se puede apreciar no son parámetros ni muy precisos ni fáciles de medir, pero permiten hacerse una idea bastante correcta de cómo funcionan los equipos reales con señales reales.

3. - Compresores. De forma genérica, son los procesadores destinados a reducir el margen dinámico de la señal. Esta reducción de la dinámica puede efectuarse con el objetivo de adaptar una señal de dinámica elevada a un canal con margen dinámico menor, o bien para producir 4

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efectos sonoros. En lo que se refiere a la adaptación de dinámica, la reducción se debe realizar intentando mantener la sonoridad de todos los instrumentos, aún a riesgo de alterar el equilibrio sonoro entre los mismos. Para ir entendiendo esto, ello hay que decir que la sensibilidad del oído frente a cambios moderados de dinámica es relativamente baja, de manera que la modificación puede ser difícil de detectar, incluso comparando la señal procesada con la original. El segundo caso es cuando el objetivo es realizar efectos sonoros, de manera que en este caso músico o técnico solo buscan que el procesado sea lo suficientemente efectista. Como todo procesador de dinámica, los compresores poseen características estáticas y dinámicas. Las características estáticas son las que se derivan de la relación entre los niveles de entrada y salida del compresor, quedando definidas a partir de la función de transferencia de niveles. Atendiendo a esto, podemos establecer tres tipos fundamentales de compresores: lineales, de ganancia constante, y compresores-limitadores. 3.1.- Compresor lineal. Estos compresores amplifican las señales inferiores a un nivel determinado llamado punto de rotación (PR), atenuando los niveles de señal superiores a éste.

Figura 3. Curva de transferencia de un compresor lineal.

La figura 3 muestra un ejemplo de la curva de transferencia de un compresor lineal, quedando el sistema definido por dos magnitudes: - el Punto de Rotación PR, nivel para el cual el sistema actúa con ganancia unidad, y - la pendiente de la recta dada por la Relación de Compresión RC, definida Francisco Tabernero

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como la variación en dB que se debe producir en la señal de entrada, para obtener en la salida una variación de 1 dB. Los dos parámetros son representativos de: la magnitud de la compresión (RC) y del nivel en el que se produce el cambio de comportamiento de atenuación a ganancia (PR) En esta figura se muestra un sistema con el Punto de Rotación situado en los 0 dB, y una Relación de Compresión de 2:1. Así se puede observar, como una variación de 20 dB en la dinámica de la entrada queda reducida a una variación de 10 dB en la salida (20 dB / RC = 10 dB), y cómo se pasa de amplificación a atenuación alrededor del PR. Por otro lado, conviene fijarse en que la amplificación/atenuación es distinta para cada nivel de entrada; creciendo a medida que nos alejamos del punto de rotación. La función de transferencia es una recta, hecho por el cual se denomina lineal. Matemáticamente, la relación entre niveles de entrada y salida está dada de forma genérica por:

Ls =

Le + PR × ( RC − 1) RC

expresión que liga todos los parámetros del sistema de una forma muy sencilla1. Hay que hacer constar que esta "linealidad" es para la transferencia en dB, y que no corresponde a un tratamiento lineal de la amplitud de la señal, ya que cada nivel es tratado con una amplificación distinta. También se puede ver como la compresión efectiva (la reducción de dinámica que sufre la señal) sólo es función de la inclinación de la recta, es decir de RC. Obsérvese como el PR únicamente desplaza los niveles de salida, es decir, introduce una atenuación o ganancia constante en estos, pero no tiene ninguna influencia en la dinámica de la señal. Podemos desarrollar matemáticamente la función de transferencia para obtener la relación entre tensiones de entrada y salida; y suponiendo que los dB están tomados con respecto a una referencia Vr, operando nos quedaría:

Vs = RC Ve × Vr (RC −1) × 10

PR ( RC −1) 20

La tensión de salida es proporcional a la raíz RCésima de la tensión de entrada, con lo que la ganancia (Vs /Ve ) es función del valor de Ve, como ya suponíamos.

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Generalmente, usaremos un PR=0dB en los ejemplos para facilitar los cálculos.

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La figura 3, muestra otra forma de representar la alteración de niveles que produce el sistema de la figura 2 (recuerde, con RC 2:1 y un PR en 0 dB). Se puede observar la compresión producida por el sistema, y como el margen dinámico de la señal de entrada queda reducido a la salida en un factor igual a RC; quedando, en el ejemplo, una dinámica original de 100 dB reducida a 50 dB. La sección de la línea que une niveles de entrada y salida da una indicación de si se aplica ganancia (pendiente positiva) o atenuación (pendiente negativa); y la mayor o menor inclinación de esa línea de puntos la magnitud de la misma. Es tipo de representación muy “poco técnica”, pero da una idea intuitiva de cómo funcionan estos sistemas.

Figura 4. Diagrama de niveles del compresor de la figura 2.

Con un compresor de estas características, en la figura 5 se muestra un fragmento de una señal musical antes y después de la compresión. Se aprecia perfectamente la amplificación de los niveles bajos y atenuación de los altos; pudiendo observar el proceso de reducción de dinámica que ha sufrido la señal.

Figura 5. Señal musical antes y después pasar por un compresor lineal.

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En los compresores comerciales, la relación de compresión es seleccionable por el usuario, siendo valores usuales los de 1.5:1, 2:1, 4:1; y no siendo habitual relaciones superiores a 8:1 En la figura 6 se representan las funciones de transferencia de un sistema con dos relaciones de compresión; 2:1 y 4:1. Nótese como a medida que aumenta la RC, la acción compresora se vuelve más enérgica, provocando una mayor reducción de la dinámica de la salida. Como consecuencia de este proceso, cuanto más elevada sea la relación de compresión, para una dinámica de entrada fija, mayor será la variación de ganancia que tiene que introducir el sistema.

Figura 6. Funciones de transferencia de un compresor lineal con relaciones de compresión 2:1 y 4:1.

Vistas las posibilidades de variación de la RC, parece fácil acomodar cualquier dinámica de señal a un soporte o canal de dinámica más reducida; y aunque teóricamente es cierto presenta serias desventajas. El mayor inconveniente de utilizar RC elevadas, reside en que las variaciones de ganancia que debe producir el Amplificador de Ganancia Controlada (VAC) son también considerables, y por lo tanto se introducen elevadas tasas de distorsión. Comentaremos este punto suponiendo un compresor de RC 2:1 y un PR situado en 0dB; para lo que nos ayudaremos de la figura 7 en la que se representan envolventes de señal. Si el compresor recibe en su entrada (figura izquierda) una señal de -80 dB, el nivel de salida vemos que deberá ser !40 dB, por lo que tiene aplicar una amplificación de 40 dB. Si la señal de entrada pasa de forma súbita a !20 dB, en la salida debería aparecer con !10 dB, con lo que la amplificación aportada tendría que ser 10 dB (figura 7 derecha, 8

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en verde). Si el paso de -80 a -20 dB se realiza de forma súbita, el compresor debe cambiar su ganancia rápidamente de 40 a 10 dB. Este cambio de ganancia no puede realizarse instantáneamente, apareciendo un pico de señal que recibe el nombre de distorsión transitoria (figura 7 derecha, en azul).

Figura 7. El cambio brusco de niveles en a entrada

El problema reside en que el integrador del detector no puede informar al Amplificador de Ganancia Controlada instantáneamente de la aparición de un cambio de nivel, tardando un cierto intervalo de tiempo en reaccionar. Esta inercia provoca que durante ese intervalo se aplique una amplificación incorrecta (desde el punto de vista de la función de transferencia) y excesiva a la señal de alto nivel, por lo que aparece un sobreimpulso que puede dar lugar a una distorsión muy audible. A primera vista, solucionar el problema sería tan fácil como minimizar el tiempo de respuesta del detector, aunque no es posible (en tiempo real). Si el integrador fuera muy rápido, en las señales de baja frecuencia a medida que va evolucionando la amplitud, el sistema Figura 8. Distorsión de la señal por la utilización de tiempos de ataque y caída muy cortos.

cambiaría la ganancia, con lo que se distorsionaría la señal por completo (figura 8, arriba señal de entrada y abajo

de salida). Estos sistemas trabajan intentando tratar la sonoridad de la señal, la cual está más relacionada con el valor medio de la señal que con su valor de pico. Es la extracción de ese valor medio lo que provoca la inercia del sistema. La solución real al problema, es Francisco Tabernero

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evitar las grandes excursiones de ganancia que impone un compresor lineal con una RC elevada; de manera que, desde el punto de vista real, se fuerza a la utilización de bajas relaciones de compresión. La solución a la aparición de los sobreimpulsos sería limitar estas grandes variaciones de ganancia, haciendo que las señales de bajo nivel sean amplificadas todas en la misma magnitud. Este modo de trabajo da lugar al empleo de otra función de transferencia; los compresores de ganancia constante. 3.2.- Compresor de ganancia constante. Está caracterizados por una curva de transferencia (figura 9) con dos zonas bien diferenciadas: - Una zona que corresponde al tratamiento de los niveles altos de señal, en la cual las señales de entrada superiores a un nivel umbral de compresión UC son afectadas por una relación de compresión RC. - Y una zona de procesado de señales inferiores al umbral, las cuales son amplificadas una ganancia constante denominada factor de compresión FC. En el ejemplo de la figura 8 se ha representado un sistema con factor de compresión FC= 15 dB, umbral de compresión UC = -35 dB, y una RC de 2:1.

Figura 9. Curva de transferencia de un compresor de ganancia constante.

Con el uso de un sistema de estas características, la ganancia máxima está limitada a este valor FC, evitando la aparición de las elevadas tasas de distorsión transitoria de los 10

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sistemas lineales; aunque eso sí, a costa de producir una menor compresión en los niveles bajos. Como se puede apreciar, no existe una curva de compresión ideal, de manera que la menor tasa de sobreimpulsos se obtiene a costa de disminuir la compresión efectiva del sistema. En los sistemas reales, se adopta una solución intermedia, eligiendo un factor de compresión entre 10 y 20 dB. Aunque este sistema disminuya en gran parte la aparición de distorsión transitoria, todavía se sigue produciendo cuando procesando u...