La posibilidad de convertir una señal de audio a formato digital abre perspectivas inimaginables para los equipos de sonido. Sin embargo, en la práctica, hay algunos puntos críticos a considerar que pueden limitar lo que se espera de los DSPs, al menos por el momento. Vea cómo se pueden usar los DSPs en audio en este artículo y cuáles son los principales problemas a resolver.
Los equipos de audio tradicionales ya tienen procesadores de señal, pero en forma analógica. Procesar una señal de audio no es más que cambiar sus características de acuerdo con un estándar definido (generalmente una ecuación). Así, un control de tono, un ecualizador o un preamplificador constan de procesadores de señales analógicas que han formado parte de casi todos los equipos de audio desde que existen.
Las funciones que los circuitos analógicos pueden aplicar a las señales en el procesamiento analógico son simples y provienen de componentes conocidos de resistores. Un resistor reduce la fuerza de una señal; un capacitor aumenta o atenúa las señales de una cierta banda de frecuencia; un transistor aumenta la intensidad de una señal, como se muestra en la figura 1.
De una manera más compleja, podemos aplicar funciones más complejas a las señales, como filtros que combinan resistores, capacitores e inductores, e incluso otros componentes. Sin embargo, para el ingeniero que proyecta equipos de sonido, las funciones que se pueden agregar a un circuito para procesar una señal en forma analógica son limitadas. Con la posibilidad de convertir una señal de audio a formato digital, su procesamiento se vuelve mucho más sencillo y comienza a admitir recursos ilimitados.
CONVERTIR UNA SEÑAL EN FORMA DIGITAL
Procesar una señal no es más que cambiarla siguiendo una regla, por ejemplo, dada por una ecuación que modifica sus características, como se muestra en la figura 2.
En un sistema analógico, este procesamiento lo realiza un circuito cuyas características eléctricas son tales que introducen modificaciones de acuerdo con una ecuación dada. La ecuación que se utiliza para procesar la señal es característica del circuito.
Si convertimos la señal a forma digital, es decir, a valores numéricos, podemos utilizar un microprocesador para aplicar la ecuación a los valores numéricos que corresponden a las señales. Luego, simplemente convierte la señal de nuevo a forma analógica para tener una salida que corresponda a esta señal procesada como se muestra en la figura 3.
La conversión de la señal se realiza mediante un proceso de muestreo.
Se toma un cierto intervalo de tiempo, por ejemplo 1 ms, y este intervalo se divide en un cierto entero que corresponderá al número de muestras, como se muestra en la figura 4.
En el momento correspondiente a cada muestreo, el circuito lee el valor que la señal la toma y la convierte en un número expresado en forma digital. Por ejemplo, si tenemos una resolución de 8 bits (1 byte), tendremos 256 niveles de señal posibles para cada muestreo, lo que dará como resultado una buena definición para la conversión de una señal de forma analógica a digital.
Esto significa que la señal muestreada durante un período de, digamos 1 ms, se convertirá en una secuencia de tantos valores binarios como el número de muestras, consulte la figura 5.
Este es exactamente el proceso utilizado en la grabación digital de los CDs, donde los sonidos se convierten en forma digital como resaltados (pits) y agujeros (valleys) en la superficie del disco. Si las señales digitales que representan números del 0 al 256, por ejemplo, se llevan a un microprocesador, pueden pasar por un procesamiento que las trata como si fueran números.
Por ejemplo, si queremos una atenuación, solo necesitamos dividir el valor numérico entre 2; si queremos un refuerzo, bastará con multiplicar. El circuito también puede detectar la tasa de repetición de valores máximos, determinando así la frecuencia de la señal y hacer algún tipo de procesamiento como resultado, es decir, atenuando componentes de ciertas frecuencias.
El circuito también puede almacenar el valor del número de cada muestra que ingresa, y solo liberarlo para convertir en forma analógica nuevamente después de un tiempo programado, agregando así el efecto de eco en una cámara de eco digital, verifique la estructura que se muestra en la figura 6.
Evidentemente, si el procesador de señal usado para este tipo de aplicación tiene entradas, es aún posible adaptar el circuito para el medio ambiente, la adición de características aún más interesante. Por ejemplo, puede conectar una entrada a un micrófono y también convertir su señal a forma digital para que procese la señal capturada en el entorno.
Detectando retroalimentación, simplemente puede agregar una señal en fase opuesta a la detectada para cancelar el efecto. Pero, ¿qué tipo de procesador se debe utilizar en este tipo de aplicaciones?
QUÉ HACE UN DSP
Los microprocesadores utilizados en computadoras y otras aplicaciones no están proyectados para funcionar con señales analógicas, incluso si se convierten a formato digital. Para operar con señales analógicas convertidas en forma digital, se emplea un tipo especial de dispositivo: el DSP o Digital Signal Processor o Procesador de Señal Digital.
Un DSP es un circuito que puede trabajar con una señal en su forma analógica, convertirla en forma digital y luego procesarla a través de un programa especial que genera los efectos deseados. Y en la salida, utilizando un convertidor digital/analógico, devuelva esta señal a su forma analógica original.
Para operar a una alta tasa de muestreo, un factor importante para mantener la fidelidad de las señales, el DSP debe ser rápido, y para agregar los efectos más complejos posibles debe tener una alta capacidad de programación. Hoy en día, varios fabricantes tienen en su línea de dispositivos DSPs que agregan características que permiten el proyecto de equipos de audio de muy alta calidad que involucran estos componentes.
En particular, recomendamos que el lector visite el sitio web de Texas Instruments (http://www.ti.com) y también de Motorola (http://motorola.com/sps). En este último, el lector debe digitar en "search" en APR2/D y tener acceso al proyecto completo y un Ecualizador Estéreo Digital de 10 bandas utilizando el DSP56001.
Este ecualizador, cuyo diagrama se ilustra en la figura 7, trabaja con 10 bandas de frecuencia entre 31 y 16.000 Hz, y tiene una característica fantástica: operando con señales en forma digital, puede utilizar las señales capturadas directamente desde los sensores del reproductor de CD, actualizándose antes de pasar por los circuitos analógicos de este tipo de equipos. ¡Esto asegurará que los circuitos analógicos no introduzcan deformaciones en las señales y que se ecualizan de la forma original en que se grabaron! Vea figura 8.
CÓMO PODEMOS USAR UN DSP EN AUDIO
Las aplicaciones de los DSPs en audio no se limitan a equipos que ya conocemos como cámaras de eco, ecualizadores, etc. Las características que se pueden reunir en un equipo para procesar una señal de audio de cualquier forma son fantásticas, y algunas de ellas se pueden mencionar a continuación:
a) Adecuación de la reproducción de sonido al entorno
Una característica fantástica que ya se está probando en equipos comerciales de sonido que utiliza DSPs, consiste en la posibilidad de que su equipo de sonido "sienta" la acústica del entorno en el que está instalado, eliminando reflejos no deseados, o incluso favoreciendo la atenuación de determinadas frecuencias. El equipo de sonido tiene un micrófono incorporado que "escucha" cómo se está reproduciendo el sonido en el entorno en el que fue instalado, como se muestra en la figura 9.
Convirtiendo esta señal a forma digital, la aplica al DSP que la compara con la señal original, es decir, con la señal que se va a reproducir. Con la comparación realizada, el DSP es capaz de atenuar las partes de las señales que son más fuertes y reforzar las más débiles, compensando incluso las diferencias en las características acústicas de los altavoces utilizados.
El circuito puede detectar cuando una ventana está abierta o cuando hay más personas en la habitación cambiando la tasa de absorción de ciertas frecuencias, y compensar esto para que el sonido siempre salga lo más cerca posible de la forma original. Esta característica es especialmente interesante para entornos acústicos problemáticos, como el interior de un automóvil.
b) Recuperación de grabaciones antiguas
Esta característica ya se está utilizando en estudios donde es posible convertir el sonido de grabaciones antiguas a formato digital eliminando todo el ruido y frecuencias no deseados, e incluso introduciendo una "ecualización moderna"; que el equipo de la época no podía, devolviendo no solo la calidad original, sino agregando una calidad que solo se obtendría con una nueva grabación en un estudio moderno.
c) Introducción de efectos especiales
Otro tipo de aplicación es la posibilidad de añadir efectos que van no solo del eco a la reverberación, sino también del "ambiente", que sería estudiar el entorno en el que se encuentra el equipo y modificar sus características acústicas , de modo que el sonido reproducido parezca provenir de un entorno más grande o más pequeño, según corresponda.
LIMITACIONES
El mayor problema al que se enfrentan los DSPs para ser utilizados más ampliamente en equipos de sonido comerciales es la existencia de algunos pequeños detalles relacionados con la propia naturaleza del sonido y nuestros oídos, que aún no han sido debidamente aclarados. Un micrófono colocado frente a una fuente de sonido produce una señal que no da información sobre su distancia de la fuente.
Por lo tanto, el micrófono no distingue un sonido débil cerca del micrófono de un sonido igual, sino más fuerte lejos del micrófono. Ambos generan las mismas señales, como se muestra en la figura 10.
El uso de dos micrófonos mejora la resolución, pero aún existen problemas adicionales. Cuando se reproduce un sonido en un entorno, se producen múltiples reflejos que interfieren entre sí provocando latidos. Los latidos, como se muestra en la figura 11, no son más que puntos donde ciertas frecuencias se refuerzan, o cancelan, con efectos desagradables para el oído.
Fig. 11 - Los maximos y minimos ocurren en puntos que varían según la frecuencia de señal.
Resulta que la posición en la que tenemos un mínimo y un máximo para una frecuencia determinada depende de la posición del oyente. ¡Esto significa que un oyente puede tener un cambio considerable en su sensación de sonido simplemente moviendo la cabeza unos centímetros! Si un DSP conectado a un equipo de sonido intenta corregir uno de estos efectos usando un micrófono, lo hará solo para la posición donde se encuentra el micrófono.
Para corregir el efecto a través de una sala, por ejemplo, se requerirían infinitos micrófonos y un programa especial de complejidad inimaginable para los estándares actuales. Asimismo, si la señal original se obtiene combinando un cierto número de micrófonos y luego reproducida por un cierto número de altavoces, estos no coincidirán originalmente con la disposición de las fuentes de sonido que generaron el sonido.
¿Cómo el DSP puede corregir el sonido emitido para que la sensación sonora también incluye la disposición espacial de las fuentes originales? Vea figura 12.
EL FUTURO
No hay duda de que, poco a poco, el aumento de los recursos disponibles en un DSP y su capacidad de procesamiento puede llevar a soluciones graduales a muchos problemas que hoy impiden que los equipos de sonido que los utilizan sean comunes.
Cuando esto suceda, ya no tendremos que preocuparnos por las características acústicas del entorno en el que se instalarán, ni por la calidad de una grabación a reproducir. Los problemas que hoy afligen a quienes gustan del sonido, como la ubicación de los altavoces, la acústica ambiental y la calidad de los altavoces, ya no serán un impedimento para que tengamos la reproducción fiel de los sonidos, sean los que sean.
