Los procesadores de señales digitales llevan su sistema de audio al siguiente nivel

Ajustar o modificar señales de audio no es nada nuevo. Los procesadores de señal analógicos han existido en estudios de grabación y presentaciones en vivo durante décadas. Todo, desde ecualizadores hasta cruces y compresores, se concibió cuando las válvulas de vacío eran populares. A medida que la tecnología avanzó, el tamaño, costo y complejidad de los procesadores de señal disminuyeron. Ahora, muchas unidades principales de audio para auto contienen más poder de procesamiento que los primeros estudios de grabación. Este artículo analiza los procesadores de señal digital (DSP), qué hacen y por qué los necesita.

Un entorno hostil

Si tomáramos un altavoz de rango completo para hogar a un campo abierto y midieramos la respuesta en frecuencia, veríamos una curva bastante plana y suave. Si toma ese mismo altavoz a una habitación pequeña y mide la respuesta de nuevo, verá picos y valles en varias frecuencias. Este cambio en la respuesta de frecuencia no es causado por el altavoz, sino por la habitación misma. Los reflejos causan nodos y antinodos (picos y valles) que afectan dramáticamente la respuesta de frecuencia percibida del sistema de altavoces. Para maximizar nuestro disfrute de ese altavoz, necesitamos aplicar corrección de señal al altavoz para que lo que oímos sea similar a lo que habríamos experimentado en ese campo.

En un auto, muy rara vez podemos sentarnos directamente en el medio de los altavoces izquierdo y derecho. El conductor suele estar el doble de lejos del altavoz derecho que del izquierdo. Oímos la salida del altavoz izquierdo primero y parece que ese altavoz suena más fuerte, porque está más cerca. Mantenga esto en mente mientras discutimos los procesadores de señal digital (DSP).

Limitaciones de los altavoces

Ningún altavoz único puede reproducir todo el espectro de audio de 20 Hz a 20 kHz con precisión, detalle y dispersión uniforme del sonido. Incluso si hubiera uno que pudiera hacer esto, los niveles de distorsión en los sonidos de medios y altas frecuencias seguirían siendo altos debido a los requisitos de excursión del altavoz a bajas frecuencias. Por esto, hacemos uso de varios altavoces diferentes para cubrir la banda de audio. Los woofers o subwoofers cubren los graves, y típicamente tocan hasta 80 o 100 Hz. Los conductores de medios cubren el rango de 100 Hz a alrededor de 4,000 Hz. Finalmente, usamos tweeters para cubrir el resto de frecuencias por encima de 4,000 Hz. Si bien son aproximaciones, son puntos de cruce comunes para estos altavoces.

Un cruce es un dispositivo que limita el paso de señales de audio. Hay dos tipos comunes usados en audio de auto: pasa-altas y pasa-bajas. Su nombre describe su función. Un cruce pasa-altas permite pasar frecuencias más altas que el punto de cruce, y un pasa-bajas permite frecuencias por debajo del punto de cruce. Un cruce pasa-altas se usaría para mantener los graves profundos fuera de un altavoz pequeño de puerta o tablero, mientras que un cruce pasa-bajas se usa para mantener información de medios y altas frecuencias fuera de un subwoofer. Podemos combinar ambos tipos de cruces para producir lo que se conoce como cruce pasa-banda: limitamos la información de bajas y altas frecuencias. Lo usaríamos en un altavoz de medios al combinarlo con un woofer y un tweeter. (Discutiremos cruces en detalle en otro artículo.)

En audio de auto, usamos cruces tanto activos como pasivos. Los cruces pasivos son una combinación de capacitores, resistores e inductores que conectamos a los cables del altavoz entre el amplificador y el altavoz. El comportamiento de los componentes y cómo están configurados limita qué frecuencias pueden pasar al altavoz.

Un cruce activo es un dispositivo electrónico que afecta la respuesta de frecuencia de la señal antes del amplificador. El beneficio de los cruces activos es que es fácil ajustarlos a diferentes frecuencias. La mayoría, si no todos, los componentes de cruce tienen que ser reemplazados para ajustar la frecuencia de cruce de una red pasiva.

Esta información nos da una comprensión básica de por qué necesitamos procesamiento de señal. Durante décadas, la industria de electrónica móvil sobrevivió y prosperó usando procesamiento analógico. Empresas como AudioControl, Phoenix Gold, Rockford Fosgate y Zapco fabricaban ecualizadores y cruces, y los entusiastas acudían a ellos como polillas a la llama.

A medida que avanzaba el poder de cómputo, vimos productos como el Rockford Symmetry aparecer. El Symmetry era un procesador analógico controlado electrónicamente, una creación fantástica que permitía a los usuarios hacer muchos ajustes desde un solo panel de control computarizado.

La siguiente evolución en procesamiento de señal fue hacer todo en el dominio digital, en lugar de analógico. ¿Cómo funciona eso?

Bloques de construcción

Un DSP es un potente procesador de señal de audio con hardware y software optimizado para realizar procesamiento de alta velocidad en tiempo real. Algunos de los procesadores menos costosos incluyen los convertidores analógico-digital y digital-analógico dentro del propio chip. En las unidades de gama alta, los convertidores analógicos son componentes externos. Mejores convertidores D/A ofrecen mayor resolución y mejor rendimiento de relación señal-ruido. Una vez que la señal de audio está en el dominio digital, un DSP no varía mucho de otro. Los algoritmos se escriben de manera similar para filtrado, ecualización y alineación temporal.

¿Por qué querríamos un DSP y no un procesador analógico? En un DSP, no hay preocupaciones asociadas con tolerancias de componentes o variaciones de temperatura que afecten la respuesta del procesamiento. Con la interfaz adecuada, los usuarios pueden acceder a diferentes preajustes del sistema rápidamente y almacenar un número ilimitado de configuraciones en sus computadoras. La mayoría de las unidades DSP no incluyen ajustes analógicos, como potenciómetros o interruptores, que pueden ensuciarse o desgastarse con el tiempo. Las vibraciones que podrían causar fallos de componentes en un sistema analógico rara vez afectan a los DSP.

Características de los procesadores de señal digital

Una vez que una señal analógica se convierte a digital, el procesamiento de señal disponible está limitado solo por el software escrito para la unidad elegida. El límite en las características del software generalmente está determinado por la memoria disponible del procesador. Se necesita espacio para almacenar el programa, y espacio adicional para almacenar la información analógica convertida mientras el procesador trabaja con ella. Cuando ve un procesador con más características que otro, la diferencia suele ser una limitación de memoria.

Entradas y suma de señales

La mayoría de las unidades DSP en el mercado pueden combinar y ajustar el nivel de señales de audio en la entrada al DSP. Si tiene una radio con salidas frontal, trasera y subwoofer, puede querer mantener todos estos canales discretamente mientras procesa la señal de audio.

¿Qué pasa cuando intenta integrar con un amplificador de fábrica? Quizás tenga una salida de medio y tweeter de puerta frontal de un amplificador que necesita usar para sus nuevos altavoces frontales. La mayoría de los procesadores de señal digital le permitirán combinar señales de múltiples entradas para facilitar aplicaciones como esta.

Dado que diferentes fuentes tienen diferentes niveles de voltaje pico, las entradas a su DSP tienen sensibilidades ajustables. Al igual que el control de ganancia en un amplificador, queremos establecer las ganancias de entrada en nuestro DSP para maximizar la relación señal-ruido del procesador.

Cruces y filtrado

Como mencionamos, diferentes tamaños de altavoces están diseñados para enfocar su rendimiento en diferentes rangos de audio. Un medio de 3 pulgadas no reproducirá el mismo rango de frecuencia que un tweeter de 1 pulgada o un woofer de 6.5 pulgadas. Usamos los cruces en el DSP para dividir las frecuencias enviadas a cada salida y altavoz.

Un beneficio de hacer todo el procesamiento de cruce en el dominio digital es que muchos procesadores de señal digital ofrecen diferentes alineaciones de filtro de cruce y pendientes de roll-off. La alineación describe la forma del roll-off alrededor del punto -3 dB. Esta forma también afecta cómo las señales se suman acústicamente. Las opciones son Butterworth, Linkwitz-Riley, Chebychev, Bessel y más. No es que uno sea mejor que otro, sino que cada uno es distinto y diferente. Podríamos escribir un artículo entero sobre alineaciones de cruce.

La pendiente del cruce describe qué tan rápido deja de sonar el audio a medida que una señal se aleja del punto de cruce. Porque es todo digital, la mayoría de los DSP ofrecen pendientes de -6 dB a -48 dB por octava, en pasos de 6 dB o 12 dB, dependiendo de la alineación elegida. En la mayoría de los casos con DSPs, el filtrado Linkwitz-Riley de 24 dB/octava funciona bastante bien, pero hay docenas de enfoques de sintonización diferentes, así que use lo que funcione bien para usted.

Alineación temporal y retardo de señal

Una de las características más geniales de un procesador de señal digital es su capacidad para almacenar la señal de audio por una cantidad variable de tiempo antes de enviarla al altavoz. Esta capacidad de almacenamiento permite a un instalador debidamente capacitado retrasar la señal que va a los altavoces más cercanos al oyente para que el sonido creado por ellos llegue a la posición de escucha al mismo tiempo que el resto de los altavoces. Para sistemas de cuatro vías (subwoofer, medio-grave, medio y tweeter), esta configuración y afinación fina puede llevar un poco de tiempo.

Ecualización

La capacidad de afinar finamente la respuesta de frecuencia de cada altavoz en un sistema de audio es una clave enorme para hacer que ese sistema suene increíble. Tenemos que medir la respuesta de cada altavoz en la posición de escucha, luego ajustar el ecualizador para que cada altavoz produzca una respuesta suave. Hay muchas formas de lograr esto.

Los ecualizadores gráficos típicamente ofrecen 31 bandas de ecualización por canal y están espaciadas 1/3 de octava. Este espaciado usualmente proporciona suficiente resolución de frecuencia para resolver problemas de respuesta. Los ecualizadores gráficos son fáciles de entender: elige la banda de frecuencia deseada, luego aumenta o reduce la señal por la cantidad de su elección.

Los ecualizadores paramétricos son mucho más poderosos, pero pueden ser un poco más difíciles de configurar. En un ecualizador paramétrico, el usuario puede elegir la frecuencia, ancho de banda y cantidad de aumento o reducción de señal. Entender la selección de frecuencia es simple, pero entender el factor Q del filtro es más difícil. Cuando se trata de Q, el concepto básico es que un número más alto significa que el ajuste de banda afecta un rango más estrecho de frecuencias. Un número bajo, como 0.7 o 1, cubre un rango más amplio de frecuencias. Configurar un ecualizador paramétrico con precisión requiere práctica. Dicho esto, algunas aplicaciones de software proporcionarán información de configuración automáticamente después de medir la respuesta de frecuencia del altavoz o sistema.

Nivel de salida y controles remotos

Tener la capacidad de afinar finamente el nivel de salida de cada altavoz es crítico para el rendimiento de un sistema de audio. Para lograr un escenario sonoro preciso y equilibrado, la amplitud (nivel) de cada altavoz en el sistema debe ajustarse muy precisamente. El control de nivel de salida también es bastante importante para igualar la eficiencia de los diferentes altavoces.

Muchas unidades DSP tienen la opción de un control remoto. Estos controles pueden usarse para ajustar el volumen general del sistema y el nivel de salida del subwoofer, y típicamente pueden cargar preajustes para el procesador. Controladores más avanzados le dan acceso a algunas características de sintonización del sistema, permitiéndole hacer ajustes sin necesidad de una computadora portátil. Las pantallas en estos controles remotos varían desde paneles LCD de matriz de puntos monocromáticos simples hasta pantallas OEL a todo color que son fáciles de ver a plena luz del sol.

Sintonización de procesador de señal digital: ¿arte o proceso?

Hay muchas escuelas de pensamiento sobre cómo configurar un DSP. Ya sea que lo haga usando mediciones instrumentadas o diferentes técnicas acústicas, queremos lograr protección adecuada para los altavoces, respuesta de frecuencia suave de ambos canales del sistema de audio y tiempos de llegada alineados de cada altavoz.

Muchos fabricantes de audio para auto entrenan a sus distribuidores en diferentes métodos para lograr una gran "sintonía" en los vehículos de sus clientes. Si busca mejorar el sonido de su sistema de entretenimiento móvil y ya tiene grandes altavoces y amplificadores, visite a su profesional de audio para auto local. Estarán encantados de demostrar los beneficios de los DSP y proporcionarle la información que necesita para tomar una decisión educada sobre comprar uno.