Sistemas de audio. Reductores de Ruido

Audio. Ruido. Grabación magnética. Cinta virgen. Modulación. Reducción de ruido. Antisaturación

  • Enviado por: Lombarde
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 12 páginas
publicidad
publicidad

  • REDUCTORES DE RUIDO

  • Introducción

  • El ruido es una señal aleatoria que está siempre presente en el canal de transmisión o en el soporte de almacenamiento de la señal de audio y que por lo tanto le interfiere y en algunos casos la enmascara.

    Por la naturaleza aleatoria del ruido resulta muy difícil separar este de la señal cuando ambos se han mezclado. Siendo la solución para evitar la molestia del ruido el utilizar sistemas con el mayor margen dinámico posible, o aumentar la relación señal/ruido de los sistemas existentes utilizando los denominados Reductores de Ruido.

    Antes de profundizar en los Reductores de Ruido, vamos a ver distintos tipos de ruido en un sistema de grabación magnética.

  • Ruido de los sistemas de grabación magnética

  • Dentro de los sistemas de almacenamiento de la señal de audio podemos distinguir tres tipos de ruidos de menor a mayor magnitud. Ruido eléctrico, ruido mecánico y ruido en cinta (magnético).

  • Ruido eléctrico

  • Es el ruido que aparece en la salida del sistema en funcionamiento, cuando no existe señal de audio ó el soporte de información está fuera de servicio.

    Este ruido es producido por los elementos electrónicos del sistema ya sean activos o pasivos. Este ruido puede quedar unos 20dB por debajo del ruido de cinta, que es el predominante.

    Dentro de este ruido cabe citarse el ruido de red, que puede ser debido a una mala rectificación de la misma ó a un mal conexionado de la realimentación con la masa; lo que provoca fuertes zumbidos.

  • Ruidos mecánicos; Deriva, wow (lloro) & flutter (centelleo)

  • Son producidos por las variaciones y/0 fluctuaciones de la velocidad de arrastre de la cinta con respecto a la velocidad de arrastre nominal del sistema. Estas alteraciones de velocidad nos dan lugar a dos magnitudes dundamentales:

    • L deriva (drift)

    • El wow & flutter (lloro y centelleo)

    La Deriva se define como la desviación relativa entre velocidad nominal y la real del sistema, y se corresponde con una desviación fija (estática) de velocidad, generalmente asociada a un mal ajuste del sistema de arrastre. Esta variación se da en % y su valos es:

    Una deriva del orden de ±0.4% resulta ya molesta para el oido.

  • El “wow & flutter” (lloro y centelleo)

  • Se produce por la falta de regularidad en la velocidad de arrastre del soporte de la información. Las variaciones de velocidad dan lugar a variaciones de la frecuencia de la señal recuperada, obteniéndose un efecto de tremolo.

    Las fluctuaciones de velocidad se pueden deber a diversas causas:

    • Variaciones de la alimentación del motor.

    • Irregularidades de los elementos de arrastre (poleas, rodillos, ...)

    • Excentricidades de los ejes, etc.

    Se distingue entre wow (lloro) y flutter (centelleo), según sean las variaciones de frecuencia:

    • Fluctuaciones de ritmo inferior a 10Hz --> wow (lloro).

    • Fluctuaciones de ritmo superior a 10 Hz --> flutter (centelleo).

    Para cuantificar las fluctuaciones en frecuencia de la señal reproducida (por ejemplo de un magnetófono), se graba un tono de 3150Hz y se obtienen las desviaciones en frecuencia de la señal reproducida (usando un detector de FM); obteniendo así los Δf alrededor de los 3150Hz.

  • Ruido de cinta magnética

  • El ruido de cinta está originado por la naturaleza discreta (discontinua) de la capa magnética.

    La cinta está formada por un gran número de partiçículas magnéticas dispersas en un aglutinante plástico. Esta dispersión (distribución) no es uniforme lo cual provocará que la grabación no se produzca de forma continua sino en forma de “escalones”, cada uno de los cuales corresponderá a la contribución de una partícula o grupo de partículas; y es esta discontinuidad la que constituye el ruido de cinta.

    Dado que la distancia entre partículas (o grupos de partículas) es muy pequeña, el ruido de cinta será fundamentalmente en alta frecuencia.

    Podemos distinguir varios tipos de ruidos de cinta magnética (no continuidad de al capa magnetica):

    • Ruido de cinta virgen.

    • Ruido de modulación (dc)

    • Ruido de polarización.

  • Ruido de cinta virgen

  • Este ruido es intrínseco de la cinta y está producido por la discontinuidad de las partículas, provocando un efecto soplido sobre todo en altas frecuencias (siseo constante).

    Se demuestra que la relación S/N de una cinta para un margen de frecuencias es:

    νa velocidad de arrastre

    W ancho de la pista

    u densidad de partículas

    Para mejorar la relación S/N de las cintas, lo que se hace es aumentar la densidad de partículas (u), para lo cual es necesario disminuir todo lo posible el tamaño de las partículas, teniendo en cuenta que un partícula demasiado pequeña pierde su comportamiento magnético (no es un dipolo).

    Asi pues, si la cabeza de reproducción se encontrara con partículas demasiado grandes, recibiría un campo magnético (que debería ser nulo en la cinta virgen) y que es el que produce este ruido.

  • Ruido de modulación

  • Además de tener en cuenta el tamaño de las partículas, aparecen otros factores como la dispersión de las partículas en el recubrimiento y la superficie de este, en cuanto a su aspereza y rugosidad. Estos factores son los que dan lugar al ruido de modulación (ó dc), donde podemos distinguir el ruido de saturación y el ruido de superficie.

    La forma de medir el ruido de modulación, es grabar un nivel de continua (dc) tan elevado como para saturar la cinta. Dicho nivel de continua no deberá ser leído por la cabeza de reproducción, pero la dispersión no homogénea de las partículas producen unas continuas variaciones de flujo dando lugar a un ruido apreciable.

    El ruido de saturación es producido por una dispersión no homogénea de las partículas, lo que producen aglomeraciones que en reproducción ocasionaran una modulación del ruido de cinta virgen. Este ruido solo es importante en alta frecuencia.

    El ruido de superficie es producido por un pulido deficiente de la superficie de la cinta, apareciendo gránulos, que producen separaciones cinta-cabeza y por lo tanto un pérdida instantánea de la señal. Este tipo de ruido se da en cintas de baja calidad.

  • Ruido de polarización

  • Una cinta borrada o virgen nunca alcanzará el estado de desmagnetización total, es decir, siempre habrá imanes elementales que darán ruido de fondo.

    Si pasamos la cinta ante la cabeza de grabación cuando no hay señal de audio, se produce un aumento del ruido de fondo ya que algunas partículas desordenadas (cinta borrada) se reorientan, se regraban, subiendo el ruido de fondo unos 3dB aproximadamente.

    Otros ruidos asociados a la grabación magnética, pero no intrínsecos a la cinta son:

    • Ruido debido a las cabezas magnetizadas

    Una cabeza, especialmente la de grabación, puede quedar magnetizada por el uso, dando lugar a un ruido continuo que aumenta el ruido de modulación. Por ello, es costumbre desimantar las cabezas cada cierto número de horas de uso.

    • Ruido de efecto copia

    Si varias partículas de la cinta han sido grabadas con un alto nivel de magnetización, las partículas adyacentes pueden verse influenciadas.

    Con altas temperaturas y para partículas muy pequeñas, se pueden producir cambios en la orientación de las partículas, viéndose así aumentado este efecto copia.

    Asi, para minimizar este efecto, debemos de evitar almacenar las cintas próximas a fuentes de calor y radiaciones magnéticas; así como proceder al rebobinado periódico de las cintas para evitar la acumulación de la “copia” en las mismos puntos de la cinta.

  • Fundamento psicoacústico de la reducción del ruido

  • Hemos visto como en los sistemas de grabación magnética, el ruido nos afectaba en la banda de altas frecuencias. También sabemos que el contenido energético de la señal es más bajo en altas frecuencias, así que podemos decir que es precisamente en AF donde el nivel de ruido de cinta es más acusado, es decir, al reproducir la señal es en esta banda donde se va a notar más la molestia del ruido.

    Lo que hacían algunos eliminadores de ruido antiguos (de tipo no complementarios), era que, sabiendo que el ruido iba a contaminar la señal sobre todo en AF, filtraba la señal reproducida (en AF) eliminando el ruido y parte de la señal contaminada por él. Pero es en dicha banda (AF) donde aparecen la mayoría de los armónicos responsables de importantes propiedades de la música. Por esto estos sistemas han quedado ya anticuados, usándose hoy los reductores de ruido de tipo complementario, basados en el efecto del enmascaramiento.

    Este efecto de enmascaramiento consiste en que cuando se presentan al oido dos sonidos de frecuencias próximas y nivel lo suficientemente diferente, el sonido de bajo nivel queda enmascarado por el de alto nivel, siendo subjetivamente inaudible.

    Las características del efecto de enmascaramiento son:

    a.- El sonido enmascarador debe tener una intensidad aproximadamente 20dB superior al sonido enmascarado.

    b.- Las frecuencias de ambos sonidos deben ser próximas.

    e.- El enmascaramiento pierde efectividad si los sonidos aparecen desfasados.

    d.- Cuanto más elevado sea el nivel del sonido enmascarado, mayor rango de frecuencias queda enmascarado.

    d.- Es más fácil enmascarar un sonido de frecuencia mayor por otro de frecuencia menor para un tono enmascarador dado. (se enmascara mejor AF).

    Así pues, viendo las caracteristicas a y b, podemos justificar la necesidad del uso de reductores de ruido que trabajan en varias bandas de frecuencia.

    Con esto, podemos deducir que los reductores de ruido deben conseguir que en reproducción la señal tenga un nivel superior al ruido, los decibelios suficientes como para enmascarar a dicho ruido.

  • Tipos de reductores según su actuación

  • Según el tratamiento realizado sobre la señal y el ruido, se dividen en dos tipos: complementarios y no complementarios.

  • Reductores no complementarios

  • La filosofía de estos sistemas se basa en que cuando la señal de salida del magnetófono esta muy contaminada por el ruido, (y por lo tanto no resulta útil y si molesta), se eliminan la señal y el ruido eliminando la molestia al oyente. Esta eliminación de la señal, como dijimos antes, se hace solo en alta frecuencia donde la energía de la señal es generalmente baja y el ruido elevado (donde se produce la molestia).

    La señal se trata en una sola operación, después del proceso grabación-reprodución.

    Para eliminar dicha señal, se puede emplear un filtro dinámico, de forma que el FP bajo varíe su frecuencia de corte en función de la energía detectada en AF: así cuando la señal en dicha banda es elevada el filtro deja pasar toda la señal; y cuando el detector capte poca energía en AF, la tensión de control reducirá la banda de paso del filtro eliminando señal y ruido de AF.

    Hoy en día estos reductores no complementarios no son de utilidad, ya que la respuesta en frecuencia de los sistemas actuales llega fácilmente a los 18 Khz y así estos reductores no actuarían la mayor parte del tiempo y no eliminaríamos ruido.

  • Reductores complementarios

  • En estos sistemas en vez de eliminar la señal contaminada, lo que hacen es minimizar la contaminación de la señal útil por el ruido, intentando enmascarar a éste con los niveles de señal.

    Esto se hace en dos operaciones:

    Vamos a ver mediante un ejemplo estas operaciones de codificación y decodificación, viendo así la reducción de ruido.

    Supongamos que en un instante dado la fuente suministra una señal cuyo espectro es el de la figura 8a (señal de entrada). Una vez realizada la grabación y después de reproducirla (donde se ha introducido el ruido por la cinta figura 8b) la señal de salida sería la que se muestra en la figura 8c.

    Observamos que en baja frecuencia el nivel de la señal es lo suficientemente elevado como para enmascarar al ruido, mientras que en AF, el nivel de la señal es tan bajo que no se produce enmascaramiento y además la señal queda anulada por el ruido.

    Lo que hacen los reductores complementarios, es elevar el nivel únicamente de la señal débil de alta frecuencia antes de la grabación (codificación), para posteriormente en la reproducción atenuarla en la misma magnitud, de forma que se recupere la señal original (ambas operaciones deben de ser simétricas y de ahí la denominación de sistemas complementarios); así el ruido se verá reducido al ser atenuado en la misma proporción que la señal en el decodidicador ( y como el ruido no fue redorzado en la codificación -la señal sí- la reducción queda realizada en esa banda). El proceso se puede ver en la fig. 9.

    Así pues, podemos decir que el reductor complementario ideal lo que debe hacer es:

    • Analizar en pequeñas bandas de frecuencia el nivel de señal.

    • Si en una de estas bandas el nivel es bajo, reforzarlo lo suficiente para que enmascare al ruido.

    • Transmitir al decodificador la información de que bandas han sido amplificadas y en que magnitud, para que así el decodificador pueda realizar la atenuación complementarida.

    El problema de este análisis en bandas de la señal es su corte, empleandose solo en campo profesional (se trabaja en 4 bandas).

    En el campo no profesional se usan otros sistemas que no dividen la señal en bandas de frecuencia (por economía) y usan otros métodos como por detección RMS, de pico o de valor medio de la señal.

  • Sistemas con red de pre-enfasis y antisaturación

  • En los promeros reductores de ruido destinados al gran consumo, se trabajaba con reducciones de ruido bajos y por tanto el ruido de modulación (BF y A F) no quedaba enmascarado. Este defecto era más acusado en AF donde los sistemas antiguos deban pobre respuesta y además la energía de la señal era baja.

    Para evitar esto se usaba una preecualización, con refuerzo en agudos (y aveces en graves) antes del reductor, y la ecualización complementaria despues del reductor.

    Lo que se hacia era reforzar las BF y AF de la señal, antes de la grabación, atenuándolas detrás del expansor, con lo que se atenuaba el ruido y la señal que antes había sido amplificada. Con esto se disminuye el ruido en la salida, pero también diminuye el margen dinámico de la señal, puesto que con esta red de pre-enfasis es más fácil saturar la cinta en BF y AF.

    Antes esta disminución en la dinámica no era problemática, pero ahora los sistemas actuales tienen gran energía en AF, produciendo problemas de saturación, usándose por ello los sistemas de pre-enfasis y saturación.

    Estos sistemas con preenfasis y saturación lo que hacen es prevenir la saturación, insertando una red de refuerzo de AF en el lado del control, antes del detector. Así si el nivel de salida en AF es grande, se vuelve a reforzar estas AF, creyendo así el detector que el nivel en AF de la señal es mayor de lo que es en realidad, y reduciendo más el nivel a la salida, evitando así la saturación. (ver fig. 16)

    Se puede ver que mientras las redes de pre-enfasis y de enfasis son complementarias, las redes antisaturación de las vías de control son idénticas (la Vc debe ser la misma).

  • Error de modulación. Modulación del ruido. Reductores de bandas divididas

  • Uno de los inconvenientes de trabajar con reductores de banda ancha es el llamado error de modulación.

    Supongamos que la señal a tratar, es una señal de baja frecuencia y bajo nivel a la que se le superpone en un momento dado otra señal de alta frecuencia. Lo representamos en la figura 18a donde dibujamos las envolventes de las salvas.

    Al pasar por el compresor la salva primera, de bajo nivel, se verá amplificada. Pero al aparecer la salva segunda, el nivel total sube lo suficiente para que el reductor aprecie nivel alto y no siga amplificando. (fig. 18b).

    El resultado correcto a la salida del compresor hubiera sido el de la fig. 18c, es decir, que las AF también deberían amplificarse. Esto ocurre como hemos dicho antes, porque el reductor de banda ancha no distingue en frecuencia.

    Si el sistema es idealmente complementario el expansor cometerá el mismo error, pero en sentido opuesto (que el de la fig. 18b), y la señal se recuperará correctamente.

    Pero si el sistema no es perfectamente complementario hay errores de canal (por ejemplo salva agudos atenuada ó saturación en la grabación), el expansor detectará un nivel distinto del correcto, introduciendo algo de atenuación y así, la salva de AF y BF se verán atenuadas más de lo debido. (ver fig. 18d).

    Este error es el llamado “error de modulación ó bombeo” (pumping), que como hemos dicho se produce porque el detector no distingue AF de BF. Se dá cuando hay señales intermitentes de alta frecuencia acompañadas de señales continuas de BF, siendo la consecuencia un falseamiento de dinámica.

    Otro error típico de los reductores de banda ancha es la llamada “modulación del ruido”.

    Supongamos que tenemos un sonido de nivel elevado de baja frecuencia e intermitente (ejemplo: tambor).

    Cuando el sonido estuviera en un nivel alto el compresor no introducirá ningún refuerzo; y después de sumarle el ruido del canal (fig. 19ª), el expansor tampoco atenuaría nada. Cuando el sonido estuviera en la fase intermitente (no hay señal), en el compresor se produciría el refuerzo (que no sería tal porque no hay señal) y después de introducir el ruido del canal, en el expansor se produciría la consiguiente atenuación, que al no haber señal sería sólo atenuando el ruido. (fig. 19b).

    Aunque la situación parezca correcta, es decir, cuando la señal es alta el ruido es alto, y cuando no hay señal el ruido es inaudible, en realizar no lo es, ya que tenemos que tener en cuenta que el enmascaaramiento se produce con frecuencias próximas, y además se debe de tener en cuenta la distribución de la señal en frecuencia, ya que como dijimos la distribución energética no es igual en BF que en AF.

    Así pues, llegamos a la conclusión de que lo más apropiado es el uso de reductores de banda dividida, es decir, reductores que sean capaces de distinguir las señales en frecuencia, seleccionando éstas mediante filtros paso banda y tratando cada banda por separado. El problema de estos sistemas es el coste, así los sistemas profesionales trabajan con un máximo de 4 bandas. Como “mal menor” se podrían utilizar 2 bandas de frecuencia, para evitar la modulación del ruido de cinta a AF.

    Ventajas de los reductores de bandas divididas:

    • Evitan el error de modulación y la modulación de ruido.

    • No hace falta red antisaturación o de preénfasis, ya que podemos trabajar independientemente en la banda de AF.

    • En cada banda se pueden usar relaciones de comprensión diferentes, adaptando mejor así la dinámica de salida del compresor o la relación S/N del sistema, en función de la frecuencia. Además el compresor de cada banda puede tener su Tiempo de Ataque y Tiempo de Recuperación.

    Los reductores de banda dividida presenta algunos inconvenientes:

    • En la frecuencia de cada banda el ajuste (en nivel) del compresor y el expansor han de ser iguales. Sino se introduce un error de nivel.

    • Si el canal (o sistema de grabación) presenta recortes en frecuencia, el error se acumulará en la banda de alta frecuencia, mientras que en reductores de banda ancha el error se distribuía en toda la banda. Como los reductores de banda dividida se usan en sistemas profesionales (magnetófonos de cálidad) no se suele dar dicho recorte en frecuencia del canal.

  • Estudio de los reductores más usados en la actualidad

  • En los apartados precedentes hemos visto la filosofía de funcionamiento de los distintos tipos de reductores de ruido, así como una serie de fenómenos relacionados con su funcionamiento.

    Vamos a ver ahora algunos sistemas reductores de ruido de amplio uso, los cuales están encaminados a la reducción del ruido en los sistemas de grabación y reproducción magnética.

  • Sistemas Dolby

  • Son los sistemas más usados tanto en categoría profesional (A y HX) como en la versión de consumo (B y C).

    Todos ellos trabajan con una función de transferencia del tipo bilineal, con lo que tenemos las ventajas ya sabidas:

    • Contribución muy baja de las distorsiones no lineales y de modulación para elevados niveles de señal.

    • Las variaciones de ganancia del canal no afectan en gran medida al sistema.

    • A pesar de la introducción de error de enganche, un buen ajuste del sistema puede seducir este a una función de un dB.

  • Dolby A

  • Es un sistema de uso profesional basado en la división en 4 bandas de frecuencia de la señal de audio, y el procesado de cada banda mediante un procesador de bajo nivel.

    En el diagrama de bloques del sistema (fig. 22) podemos apreciar como aparece la vía unitaria junto con la diferencial constituida por una bancada de filtros colocados en paralelo los cuales alimentan los diferentes procesadores de bajo nivel.

    Las funciones de transferencia de los filtros son las indicadas (fig. 23) y su elección ha sido adaptada de acuerdo con las características del ruido a combatir.

    Una vez conseguida la limitación en frecuencia en cada banda, nos encontramos con un compresor encargado de efectuar el realce correspondiente para los niveles de señal inferiores a -40dB; tras el cual aparece un limitador no lineal, encargado de limitar los sobreimpulsos; a la salida del cual se obtiene la señal diferencial de banda ancha mediante la suma de las salidas de los 4 canales.

    La elección de las bandas de frecuencia se ha realizado en función de los distintos tipos de ruido:

    • La banda 1 está encargada de reducir los ruidos mecánicos junto con zumbidos de baja frecuencia.

    • La banda 2 se usa para el tratamiento de los ruidos de frecuencias medias, así como para aislar esta banda de las restantes.

    • Las bandas 3 y 4, son las encargadas de reducir el ruido de cinta. Se puede observar como las bandas 3 y 4 comparten su actuación, ya que así se va producir un mayor compresión donde el ruido de cinta es mas acusado, por lo que a partir de 5 KHz donde la ganancia máxima era de 10dB, alcanza los 15dB en 15 KHz.

    • Dolby B

    • Este reductor es el sistema más extendido en aplicaciones de consumo.

      La filosofía de funcionamiento se muestra en el siguiente diagrama de bloques:

      El sistema comprime o expande según la posición del conmutador MODO. Lo primero que nos encontramos en la via diferencial es un filtro dinámico. Es un filtro paso alto de fc desplazable en función del nivel suministrado por la vía de control. Su funcionamiento, tanto en compresión como en expansión, es el siguiente: si la señal de entrada es alta (Vcc↑↑) el filtro desplaza su fc a altas frecuencias, por lo que la vía diferencial no aporta señal a la vía principal; si la señal de entrada es baja (Vcc↓↓) el filtro desplaza su fc hacia las bajas frecuencias llegando como máximo hasta los 500Hz.; esta señal es amplificada (compresión) y pasa a la vía principal aportando señal y variando la ganancia.

      Con esto se realiza una compresión de 10dB para niveles bajos tal como se indica en la figura.

      Como observamos la acción reductora se centra fundamentalmente en una reducción en alta frecuencia, donde estadisticamente va

      Visto esto podemos deducir que el ruido de baja frecuencia no será enmascarado, ya que, si aparece un nivel elevado en alta frecuencia y un nivel bajo en baja frecuencia, el filtro deslizante cortará la aportación de señal a la vía principal, quedando sin tratar esas bajas frecuencias.

      El amplificador que va a continuación del filtro, es un compander bilineal, con el umbral en -30dB y una ganancia máximo de 10dB. Esta limitación en la ganancia y el no poder trabajar por debajo de los 500Hz son los principales defectos del Dolby B.

    • Dolby C

    • Es un reductor de consumo pensado como mejora del Dolby B, del que corrige algunas desventajas:

      • Trabaja con el doble de ganancia que el B (20dB).

      • Procesa mayor margen de baja frecuencia.

      • Utiliza una red antisaturación.

      La filosofía de esta reductor consiste en la acción escalonada de dos reductores similares al Dolby B dispuestos en cascada, pero cada uno de ellos trabajando con un margen diferente de niveles de entrada.

      El primer compresor de la cadena actúa sobre señales de nivel medio y alto como si fuera un Dolby B, y a continuación el compresor de bajo nivel actúa sobre los señales de bajo nivel, con lo que la reducción del ruido a niveles bajos será mayor.

      Así la compresión (y expansión) en este sistema será:

      Observamos que en muy alta frecuencia (20KHz) se produce una perdida de ganancia por la acción de la red de antisaturación.

    • Sistema DBX

    • Es un sistema muy usado en estudios de grabación multipista y con una menor difusión en los aparatos de consumo.

      El sistema amplificador-reductor es un compander de banda ancha, con una característica de transferencia lineal