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SISTEMAS COMPLEMENTARIOS DE REDUCCIÓN DE RUIDO Elaborado por: Jorge Azama Contacto: jorge_azama@lycos.com

Octubre 2005

I.- Proceso de Compresión-Expansión (Companding) Un proceso muy común utilizado en los sistemas de reducción de ruido es el denominado Compander o Companding, incluído en los sistemas Dolby y dbx. El proceso de codificación-decodificación del Compander obtiene su nombre debido a que la señal de entrada es comprimida antes de ser grabada en la cinta, y al momento de ser reproducida, esta señal es expandida en forma recíproca a su rango dinámico original. En efecto, el rango dinámico total de la señal de entrada es comprimido en un valor controlado en forma precisa. De esta manera, las señales de bajo nivel pueden ser grabadas a niveles operativos más altos. En el proceso inverso de expandir estos pasajes de nivel bajo a su rango dinámico original, el ruido producido por la cinta también es reducido de su nivel original a uno menor y menos perceptible. El siguiente gráfico muestra este proceso en forma esquemática, utilizando el sistema Dolby:


II.- Dolby tipo A El sistema de reducción de ruido Dolby A existe desde aproximadamente 30 años y siempre ha sido utilizado en sistemas de grabación profesional, nunca en máquinas para consumidores. Provee 10dB de atenuación debajo de 5KHz, incrementándose gradualmente hasta 15dB en 15KHz. En este sistema, la compresión se consigue incrementando la ganancia de las señales de bajo nivel, antes que reduciendo las señales de nivel alto. El circuito usa un limitador en la entrada lateral o sidechain que previene que la señal de salida supere el nivel de -40dBm.

La salida de este limitador se suma algebraicamente a la señal de entrada sin compresión. Cuando la señal de entrada es baja, la salida del limitador es mayor en comparación, lo que hace que la suma de las señales dé como resultado un incremento general. Cuando la señal de entrada es alta, la salida del limitador es insignificante cuando se suman ambas señales. La expansión sigue el mismo procedimiento, excepto que la salida del limitador en este caso es sustraída o restada de la señal de entrada, y así se reducen los niveles de ganancia bajos a sus valores originales. En el sistema Dolby A, para reducir efectivamente el espectro de ruido, el audio se divide en 4 bandas separadas, cada una con su propio procesador de rango dinámico, de forma que la presencia de una señal de alto nivel en una banda no interfiere con los procesos de detección de las otras. Las salidas de los 4 filtros y procesadores de señal se combinan de forma que


las señales de bajo nivel (debajo de -40dBm) se incrementan en 10dB de 20Hz a 5KHz, aumentando gradualmente entre 5KHz y 14KHz hasta un máximo de 15dB.

Conforme el nivel de la señal en una banda aumenta, su reducción de ruido disminuye, pero el enmascaramiento efectivo también aumenta, de forma que el nivel de ruido aparenta ser constante. Las bandas no están rigurosamente definidas, de tal forma que si la Banda 2 está desactivada por la presencia de señales de alto nivel entre 80Hz y 3KHz, una pequeña reducción de ruido (junto con enmascaramiento) es dada por la Banda 1, y también por la Banda 3. Si la Banda 3 también está desactivada por señales de alto nivel entre 3KHz y 9KHz, la reducción la dará la Banda 4 a partir de 5Khz hacia arriba. Es muy raro que la reducción de ruido en las Bandas 1 y 4 se desactive totalmente, excepto por tonos muy fuertes de órgano o por platillos. Aún cuando la cantidad de reducción de ruido en todo el espectro de audio cambia de un momento a otro, el nivel de ruido percibido por el oído se mantiene constante. Cada pista de una cinta se asigna a un canal Dolby separado. La misma unidad que procesa la señal para grabación es usada en el procesamiento complementario de reproducción, cambiando las conexiones de entrada y salida cuando el modo de procesamiento es cambiado.


III.- Dolby tipo B El sistema de reducción de ruido denominado Dolby tipo B fue desarrollado en 1968 para reducir el Hiss (ruido en altas frecuencias) presente en formatos de grabación en cinta caseros de baja velocidad, como carretes de 3-3/4, cassettes, y más adelante, grabación de audio en pistas lineales en cintas de video VHS. Explicaremos el funcionamiento de este sistema mediante un ejemplo: supongamos que queremos grabar un bombo. La mayoría de su sonido se encuentra en frecuencias graves, y podría aproximarse al punto de saturación de la cinta. Aun así, el bombo no es capaz de esconder el hiss en el rango de frecuencias altas. El codificador de reducción de ruido Dolby tipo B no proporciona un incremento a la señal del bombo, de forma que la cinta no se satura. Sin embargo, sí provee un incremento considerable sobre el resto del espectro de frecuencias. Al reproducir esta señal a través de un decodificador Dolby B, se produce una reducción significativa del ruido sin tener saturación en la cinta. Esto se consigue utilizando lo que se denomina una “Banda deslizante de Compresión-Expansión”, que es básicamente un filtro que puede variar su frecuencia de corte hacia arriba o abajo. En este caso, la frecuencia donde la reducción de ruido puede actuar varía desde aproximadamente 300 Hz hasta los 20KHz. Cuando la señal de audio es muy baja o no contiene frecuencias altas, el filtro se desliza al punto de frecuencia más baja, dando un máximo de 10dB de reducción de ruido por encima de 4KHz. Conforme el filtro se desliza hacia frecuencias más altas, menor parte del espectro es cubierto, lo que se traduce en un efecto menor del mismo. El filtro no se desliza hacia arriba hasta que la señal que está siendo grabada sea lo suficientemente fuerte para enmascarar al ruido. Al mover esta banda deslizante lo suficientemente rápido como para seguir la música que está siendo grabada, el efecto completo de la reducción de ruido se mantiene. En el siguiente gráfico, la banda deslizante incrementa su frecuencia por encima de la señal fuerte del bombo (lo que se denomina “Frecuencia Dominante”) y mantiene la reducción de ruido trabajando en frecuencias más altas, donde el hiss de la cinta podría ser audible:


Finalmente, para que la señal final decodificada sea fielmente restaurada, las bandas deslizantes en el decodificador deben seguir las posiciones de las bandas del codificador lo más cercanamente posible. La señal de audio grabada le indica al decodificador como operar para completar el proceso eficientemente. Actualmente, el sistema de reducción de ruido Dolby tipo B es el standard para reproductores de cassettes, mini-componentes y sistemas stereo para automóviles, ya que, como hemos explicado anteriormente, brinda una reducción de ruido de 10dB por encima de 4KHz.

IV.- Dolby tipo C Fue introducido al mercado en 1980. El sistema Dolby tipo C brinda 20dB de reducción de ruido a partir de 1KHz, duplicado la cantidad otorgada por el tipo B. La reducción de ruido empieza a partir de aproximadamente 100Hz y brinda alrededor de 15dB de atenuación en 400Hz, llegando a atenuar en 20dB el ruido entre 2KHz y 10KHz. En el siguiente gráfico comparativo, podemos apreciar que el sistema Dolby C comienza su codificación casi 2 octavas más abajo que el sistema Dolby B:


El sistema Dolby C utiliza 2 bandas deslizantes de Compresión-Expansión (Companding) de una forma particular: ambas bandas cubren el mismo rango de frecuencias, pero son sensibles a señales de diferentes niveles. Una de ellas reacciona a señales casi del mismo nivel que en el procesador Dolby B (entre -30dB y -10dB), mientras la otra trabaja con señales de menor nivel (entre -50dB y -30dB). Cada uno de estos procesadores otorgan 10dB de companding, y al estar conectados en serie, al actuar en conjunto brindan un companding de 20dB y también una reducción de ruido de 20dB, con una relación de compresión aproximada de 2:1 (y una de expansión de 1:2).

V.- Dolby tipo S Este sistema es capaz de brindar una atenuación de ruido de hasta 24dB, superando todos los diseños anteriores. Esto ha sido logrado mediante un nuevo diseño de filtros, controlando de manera más sofisticada, las acciones e interacciones entre los mismos. Al igual que en Dolby C, el sistema Dolby tipo S utiliza dos bandas deslizantes de Compresión-Expansión en altas frecuencias, pero además, incorpora en cada una de ellas otro procesador de banda fija por separado


(también en altas frecuencias), lo que Dolby denomina “Action Substitution” (Sustitución por Acción). Esta técnica permite reducir el efecto de pumping que se produce cuando señales de alto nivel afectan el procesamiento sobre las señales de nivel bajo. Los siguientes gráficos permiten comprender mejor este procedimiento:

La figura A muestra el funcionamiento de una Banda Deslizante de companding con una sola Frecuencia Dominante (usado en el sistema Dolby B). La figura B muestra el funcionamiento de una Banda Fija de companding con la misma Frecuencia Dominante. La figura C muestra los beneficios del proceso de Action Substitution: la Banda Fija actúa en las frecuencias que se encuentran por debajo de la Frecuencia Dominante, mientras que la Banda Deslizante lo hace sobre aquellas ubicadas por encima de la Frecuencia Dominante. Gráficamente puede apreciarse que


con el Action Substitution, las frecuencias de menor nivel son levantadas de manera más constante, por lo cuál la reducción de ruido es más efectiva. Cabe mencionar que el sistema Dolby S también incluye un procesador de Banda Fija para bajas frecuencias, que brinda 10dB de reducción de ruido por debajo de 200Hz, lo que ayuda a escuchar música con un mejor balance tonal cuando se escucha una cinta codificada en Dolby S usando una máquina con el sistema Dolby B.

VI.- dbx El sistema dbx es un compander que brinda entre 20 y 30dB de reducción de ruido. Como todos los demás sistemas, se conecta entre la consola y la grabadora. El compresor emplea una relación de 2:1 entre -90dBm y +25 dBm, con el punto de ganancia unitaria en +4dBm (0 VU). A diferencia de los sistemas Dolby, todas las señales son comprimidas y expandidas con relación de 2:1, independientemente del nivel de señal.

Supongamos que la grabadora tiene 60dB de relación señal-ruido, y el audio que se quiere grabar tiene 60dB de rango dinámico. En los pasajes más suaves del programa musical, el ruido añadido por el programa es igual de fuerte que el audio mismo, siendo por lo tanto, muy audible. Con el sistema dbx, el audio pasa a través de la sección de grabación y se


comprime 2:1 a un rango dinámico de 30dB. Esta señal comprimida es grabada en la cinta, donde se mezcla con el ruido de ésta. Sin embargo, el ruido de cinta estará ahora 30dB por debajo de los pasajes más suaves de la música. Durante la reproducción, el expansor reduce el nivel de la señal en 30dB en los pasajes más suaves y reduce el ruido 30dB debajo de ésta, o lo que es lo mismo, 90dB por debajo de 0 VU. Así, la reducción de ruido es de 30dB. El sistema dbx opera en el rango de 20Hz a 20KHz, y usa un filtro para preenfatizar las frecuencias altas en 12dB antes del compresor, y aplica otro filtro para de-enfatizar las mismas después del expansor. De esta manera, aunque la señal esté a un nivel de 0 VU, en la que no aplica ninguna compresión o expansión, hay una reducción de ruido efectiva en altas frecuencias de 10dB. Esta reducción sólo se lleva a cabo cuando la mayoría de la energía de la señal se levanta debajo de 500Hz. Cuando esta energía se levanta por encima de 500Hz, el efecto del filtro es disminuído y reemplazado por el efecto de enmascaramiento del programa musical. Un circuito especial de control para el compander reduce la ganancia cuando el nivel de las señales de altas frecuencias es muy alto, para evitar la saturación en la cinta.


BibliografĂ­a.-

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