Ajustar ou modificar sinais de áudio não é novidade. Processadores de sinal analógicos existem em estúdios de gravação e performances ao vivo há décadas. De equalizadores a crossovers e compressores, todos foram concebidos quando válvulas a vácuo eram populares. À medida que a tecnologia avançou, o tamanho, custo e complexidade dos processadores de sinal diminuíram. Agora, muitas unidades de fonte de áudio automotivo contêm mais poder de processamento que estúdios de gravação antigos. Este artigo analisa processadores de sinal digital (DSPs), o que eles fazem e por que você precisa deles.
Se pegássemos um alto-falante doméstico de faixa completa para um campo aberto e medíssemos a resposta de frequência, veríamos uma curva de resposta bastante plana e suave. Se você levar esse mesmo alto-falante para uma sala pequena e medir a resposta novamente, verá picos e vales em várias frequências. Essa mudança na resposta de frequência não é causada pelo alto-falante, mas pela própria sala. Reflexões causam nós e anti-nós (picos e vales) que afetam dramaticamente a resposta de frequência percebida do sistema de alto-falantes. Para maximizar nosso prazer com aquele alto-falante, precisamos aplicar correção de sinal ao alto-falante para que o que ouvimos seja similar ao que experimentaríamos naquele campo.
Em um carro, raramente conseguimos sentar exatamente no meio dos alto-falantes esquerdo e direito. O motorista geralmente está duas vezes mais longe do alto-falante direito que do esquerdo. Ouvimos a saída do alto-falante esquerdo primeiro e parece que aquele alto-falante está tocando mais alto – porque está mais perto. Mantenha isso em mente enquanto discutimos processadores de sinal digital (DSPs).
Nenhum alto-falante único pode reproduzir todo o espectro de áudio de 20 Hz a 20 kHz com precisão, detalhe e dispersão uniforme de som. Mesmo que houvesse um que pudesse fazer isso, os níveis de distorção nos sons de médio e alta frequência ainda seriam altos devido aos requisitos de excursão do alto-falante em baixas frequências. Por causa disso, fazemos uso de vários alto-falantes diferentes para cobrir a banda de áudio. Woofers ou subwoofers cobrem o grave, e tipicamente tocam até 80 ou 100 hertz. Drivers de médio alcance cobrem a faixa de 100 Hz a cerca de 4.000 Hz. Finalmente, usamos tweeters para cobrir o restante das frequências acima de 4.000 Hz. Embora sejam aproximações, são pontos de crossover comuns para esses alto-falantes.
Um crossover é um dispositivo que limita a passagem de sinais de áudio. Existem dois tipos comuns usados em áudio automotivo: passa-alta e passa-baixa. Seus nomes descrevem sua função. Um crossover passa-alta permite que frequências maiores que o ponto de crossover passem, e um passa-baixa permite frequências abaixo do ponto de crossover passarem. Um crossover passa-alta seria usado para manter o grave profundo fora de um pequeno alto-falante de porta ou painel, enquanto um crossover passa-baixa é usado para manter informações de médio e alta frequência fora de um subwoofer. Podemos combinar ambos os tipos de crossovers para produzir o que é conhecido como crossover passa-banda – limitamos as informações de baixa e alta frequência. Usaríamos isso em um alto-falante de médio alcance ao combiná-lo com um woofer e um tweeter. (Discutiremos crossovers em detalhes em outro artigo.)
Em áudio automotivo, usamos crossovers ativos e passivos. Crossovers passivos são uma combinação de capacitores, resistores e indutores que conectamos aos fios do alto-falante entre o amplificador e o alto-falante. O comportamento dos componentes, e como são configurados, limita quais frequências são permitidas passar para o alto-falante.
Um crossover ativo é um dispositivo eletrônico que afeta a resposta de frequência do sinal antes do amplificador. O benefício dos crossovers ativos é que é fácil ajustá-los para diferentes frequências. A maioria, senão todos, componentes de crossover precisam ser substituídos para ajustar a frequência de crossover de uma rede passiva.
Esta informação nos dá uma compreensão básica de por que precisamos de processamento de sinal. Por décadas, a indústria de eletrônicos móveis sobreviveu e prosperou usando processamento analógico. Empresas como AudioControl, Phoenix Gold, Rockford Fosgate e Zapco faziam equalizadores e crossovers, e entusiastas corriam para eles como mariposas para uma chama.
À medida que o poder computacional avançou, vimos produtos como o Rockford Symmetry aparecer. O Symmetry era um processador analógico controlado eletronicamente – uma criação fantástica que permitia aos usuários fazer muitos ajustes a partir de um único painel de controle computadorizado.
A próxima evolução no processamento de sinal foi fazer tudo no domínio digital, em vez do analógico. Como isso funciona?
Um DSP é um poderoso processador de sinal de áudio com hardware e software otimizados para realizar processamento de alta velocidade em tempo real. Alguns dos processadores mais baratos incluem os conversores analógico-para-digital e digital-para-analógico dentro do próprio chip. Nas unidades de alta qualidade, os conversores analógicos são componentes externos. Melhores conversores D/A oferecem resolução aumentada e desempenho melhorado de relação sinal-ruído. Uma vez que o sinal de áudio está no domínio digital, um DSP não varia muito de outro. Algoritmos são escritos de forma semelhante para filtragem, equalização e alinhamento de tempo.
Por que quereríamos um DSP e não um processador analógico? Em um DSP, não há preocupações associadas com tolerâncias de componentes ou variações de temperatura que afetarão a resposta do processamento. Com a interface certa, usuários podem acessar diferentes predefinições de sistema rapidamente e armazenar um número ilimitado de configurações em seus computadores. A maioria das unidades DSP não inclui ajustes analógicos, como potenciômetros ou chaves, que podem sujar ou desgastar com o tempo. Vibrações que poderiam levar a falha de componentes em um sistema analógico raramente afetam DSPs.
Uma vez que um sinal analógico é convertido para digital, o processamento de sinal disponível é limitado apenas pelo software escrito para a unidade escolhida. O limite nos recursos do software é tipicamente determinado pela memória disponível do próprio processador. Leva espaço para armazenar o programa, e espaço adicional para armazenar a informação analógica convertida enquanto o processador trabalha com a informação. Quando você vê um processador com mais recursos que outro, a diferença geralmente é uma limitação de memória.
A maioria das unidades DSP no mercado pode combinar e ajustar o nível de sinais de áudio na entrada do DSP. Se você tem um rádio com saídas frontal, traseira e subwoofer, pode querer manter todos esses canais discretamente enquanto processa o sinal de áudio.
E quando você está tentando integrar com um amplificador de fábrica? Talvez você tenha uma saída de médio da porta dianteira e tweeter de um amplificador que precisa usar para seus novos alto-falantes frontais. A maioria dos processadores de sinal digital permitirá combinar sinais de múltiplas entradas para facilitar aplicações como esta.
Como diferentes fontes têm diferentes níveis de voltagem de pico, as entradas do seu DSP têm sensibilidades ajustáveis. Assim como o controle de ganho em um amplificador, queremos definir os ganhos de entrada no nosso DSP para maximizar a relação sinal-ruído do processador.
Como mencionamos, alto-falantes de diferentes tamanhos são projetados para focar seu desempenho em diferentes faixas de áudio. Um médio de 3 polegadas não tocará a mesma faixa de frequência que um tweeter de 1 polegada ou um woofer de 6,5 polegadas. Usamos os crossovers no DSP para dividir as frequências enviadas a cada saída e alto-falante.
Um benefício de fazer todo o processamento de crossover no domínio digital é que muitos processadores de sinal digital oferecem diferentes alinhamentos de filtro de crossover e inclinações de roll-off. O alinhamento descreve a forma do roll-off ao redor do ponto de -3 dB. Esta forma também afeta como os sinais somam acusticamente. Opções são Butterworth, Linkwitz-Riley, Chebychev, Bessel e mais. Não é que um seja melhor que outro, mas que cada um é distinto e diferente. Poderíamos escrever um artigo inteiro sobre alinhamentos de crossover.
A inclinação do crossover descreve o quão rápido o áudio para de tocar à medida que um sinal se afasta do ponto de crossover. Como é tudo digital, a maioria dos processadores de sinal digital oferece inclinações de -6 dB a -48 dB por oitava, em passos de 6 dB ou 12 dB, dependendo do alinhamento escolhido. Na maioria dos casos com DSPs, filtragem Linkwitz-Riley de 24 dB/Oitava funciona muito bem, mas existem dezenas de abordagens diferentes de ajuste, então use o que funciona bem para você.
Uma das características mais legais de um processador de sinal digital é sua capacidade de armazenar o sinal de áudio por uma quantidade variável de tempo antes de enviá-lo ao alto-falante. Esta capacidade de armazenamento permite que um instalador devidamente treinado atrase o sinal indo para os alto-falantes mais próximos do ouvinte para que o som criado por eles chegue à posição de audição ao mesmo tempo que o resto dos alto-falantes. Para sistemas de quatro vias (subwoofer, médio-grave, médio e tweeter), esta configuração e ajuste fino podem levar um tempinho.
A capacidade de ajustar finamente a resposta de frequência de cada alto-falante em um sistema de áudio é uma chave enorme para fazer esse sistema soar incrível. Temos que medir a resposta de cada alto-falante na posição de audição, então ajustar o equalizador para que cada alto-falante produza uma resposta suave. Existem muitas maneiras de alcançar isso.
Equalizadores gráficos tipicamente oferecem 31 bandas de equalização por canal e são espaçados 1/3 de oitava aparte. Este espaçamento geralmente fornece resolução de frequência suficiente para resolver problemas de resposta. Equalizadores gráficos são fáceis de entender: você escolhe a banda de frequência desejada, então aumenta ou corta o sinal pela quantidade de sua escolha.
Equalizadores paramétricos são muito mais poderosos, mas podem ser um pouco mais difíceis de configurar. Em um equalizador paramétrico, o usuário pode escolher a frequência, largura de banda e quantidade de aumento ou redução do sinal. Entender a seleção de frequência é simples, mas entender o fator Q do filtro é mais difícil. Quando se trata de Q, o conceito básico é que um número mais alto significa que o ajuste da banda afeta uma faixa mais estreita de frequências. Um número baixo, como 0,7 ou 1, cobre uma faixa mais ampla de frequências. Configurar um equalizador paramétrico com precisão requer prática. Dito isso, alguns aplicativos de software fornecerão informações de configuração automaticamente após você medir a resposta de frequência do alto-falante ou sistema.
Ter a capacidade de ajustar finamente o nível de saída de cada alto-falante é crítico para o desempenho de um sistema de áudio. Para alcançar um palco sonoro preciso e equilibrado, a amplitude (nível) de cada alto-falante no sistema deve ser ajustada muito precisamente. O controle de nível de saída também é bastante importante para igualar a eficiência dos diferentes alto-falantes.
Muitas unidades DSP têm a opção de controle remoto. Esses controles podem ser usados para ajustar o volume geral do sistema e ajustar o nível de saída do subwoofer, e tipicamente podem carregar predefinições para o processador. Controladores mais avançados dão acesso a alguns dos recursos de ajuste do sistema, permitindo que você faça ajustes sem a necessidade de um laptop. Displays nesses controles remotos variam de simples painéis LCD monocromáticos de matriz de pontos a displays OEL coloridos que são fáceis de ver na luz solar forte.
Existem muitas escolas de pensamento sobre como configurar um DSP. Seja usando medições instrumentadas ou diferentes técnicas acústicas, queremos alcançar proteção adequada para os alto-falantes, resposta de frequência suave de ambos os canais do sistema de áudio e tempos de chegada alinhados de cada alto-falante.
Muitos fabricantes de áudio automotivo treinam seus revendedores em diferentes métodos de alcançar um ótimo "ajuste" nos veículos de seus clientes. Se você está procurando melhorar o som do seu sistema de entretenimento móvel e já tem ótimos alto-falantes e amplificadores, visite seu profissional local de áudio automotivo. Eles teriam prazer em demonstrar os benefícios dos DSPs, e fornecer as informações necessárias para tomar uma decisão educada sobre a compra de um.
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