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Ecualizadores FREDY ALZATE
Procesado en el dominio de la frecuencia. Filtros. Filtros habituales en audio. Tecnologías de implementación. Ecualizadores. Controles de tono. Ecualizadores semiparamétricos y paramétricos. Ecualizadores gráficos Ecualizadores paragráficos. Aplicaciones de filtros y ecualizadores. Introducción a los procesadores DSP. Procesadores multiefecto.
Filtros habituales en audio El filtrado y la ecualización constituyen el procesado de audio más común Utilización de filtros en audio Como parte constituyente de los ecualizadores Como dispositivos independientes de filtrado (filtros paso alto, paso bajo, y filtros ranura) Filtros habituales en audio Filtros paso alto y paso bajo Filtros tipo control de tonos (shelvingfilters) Filtros resonantes (peakfilters, bellfilters) Filtros banda eliminada Filtros ranura (notchfilters)
Filtros paso alto Frecuencia de corte 3 dB (20-40 Hz) Suelen ser de segundo o tercer orden, excepcionalmente de orden cuatro Pendientes de 6, 12, 18 o 24 dB/octava Utilización: atenuación de señales de baja frecuencia donde está presente ruido y distorsión (filtros sub-sónicos) Zumbidos de muy baja frecuencia (rumble) por pasos y vibraciones en el escenario (5-30 Hz) Ruido provocado por el viento y la respiración de vocalistas en los micrófonos Ruido por interferencias La frecuencia de corte y las pendientes de atenuación pueden ser seleccionables por el usuario
Filtros paso bajo Frecuencia de corte 3 dB (15-20 KHz) Suelen ser de orden ajustable, alcanzando en algunos casos orden 6 6, 12, 18, 24, 48, 100 dB/octava Utilización: atenuación de señales de alta frecuencia donde está presente ruido y distorsión Ruido de alta frecuencia (hiss) La frecuencia de corte y las pendientes de atenuación pueden ser seleccionables por el usuario La combinación de un filtro paso alto y otro paso bajo da lugar a un paso banda
Filtros de cruce Aplicación específica de filtros paso alto y paso bajo que se combinan para dividir en frecuencia el programa sonoro entregado a los altavoces o a las etapas amplificadoras correspondientes en un sistema de refuerzo sonoro Típicamente separación entre bajos, medios y agudos (LF, MF, HF) Además de separar frecuencias pueden usarse para ajustar impedancias y/o el diagrama de radiación de la agrupación de altavoces Suelen utilizarse filtros de primer a cuarto orden
Filtros tipo control de tonos (shelvingfilters) Realzan algunas frecuencias y atenúan otras (sin llegar a anularlas completamente) Comportamiento en forma de “rampa” Consta de dos bandas de paso con diferente ganancia/atenuación La atenuación no aumenta indefinidamente a partir de la frecuencia de corte Aplicación típica: control de tono (realce de graves/agudos)
Filtros resonantes (peakfilters, bellfilters) Son los más utilizados como bloque constituyente de los ecualizadores Son filtros paso banda, puesto que lejos de la banda de paso no afectan a la señal (atenuación de 0 dB) Características Ganancia / atenuación (boost / cut) Frecuencia central fC (punto de máximo refuerzo) Frecuencias de corte superior e inferior (caída a 3 dB), fL, fH Ancho de banda: Factor de calidad Q: relación entre la frecuencia central y el ancho de banda
Implementación de un filtro resonante La respuesta de refuerzo se obtiene sumando la salida de un filtro paso banda con la señal original
Típicamente la respuesta del filtro atenuador se obtiene como la recíproca del filtro de refuerzo
Clasificación según las características de ganancia / atenuación (boost/ cut) Filtros de ganancia/atenuación (Boost/Cutfilters): filtros que permiten reforzar o atenuar la banda de paso Filtros de sólo atenuación (Cutonlyfilters): filtros que solamente permiten atenuación (en su posición de máximo “refuerzo” presentan una atenuación de 0 dB
Clasificación según las características de ganancia / atenuación (boost / cut) Existen dos modos de especificar el ancho de banda en un filtro atenuador, dependiendo de los fabricantes Ancho de banda (factor de calidad Q) definido como el ancho de banda del filtro de refuerzo recíproco. Esta suele ser la opción preferida Ancho de banda (Q) definido directamente sobre el filtro atenuador
Clasificación según las características de ganancia / atenuación (boost / cut) Filtros simétricos (recíprocos) : filtros de tipo boost/cut en los que las curvas de refuerzo y atenuación son recíprocas Filtros asimétricos (no recíprocos): filtros de tipo boost/cut en los que las curvas de refuerzo y atenuación no son recíprocas
Ancho de banda de filtros resonantes en audio • La respuesta en frecuencia del oído es de tipo logarítmico, por lo que en aplicaciones de audio se trabaja en bandas de octava • El ancho de banda crítico del oído coincide con intervalos de 1/3 de octava El ancho de banda del filtro depende de la aplicación y el coste Anchos de banda habituales: 1, 2/3 y 1/3 de octava son los valores típicos (más estrechos no son necesarios)
Filtros resonantes (peakfilters, bellfilters) Frecuencias de corte, ancho de banda y factor de calidad Q
Clasificación según el factor de calidad Q Filtros de Q no-constante (proportional Q, variable Q) • Son los primeros que se desarrollaron para aplicaciones de audio, basados en • redes pasivas RLC • El ancho de banda (factor de calidad) varía de forma inversamente • proporcional al valor del refuerzo o atenuación aplicado por el filtro (controles • de ganancia y ancho de banda acoplados) • Solamente en la posición de máximo refuerzo/atenuación se obtiene el ancho • de banda especificado. En cualquier otra posición el factor de calidad se • degrada • Este comportamiento no se considera admisible en aplicaciones profesionales de audio debido a la elevada alteración fuera de banda
Filtros resonantes (peakfilters, bellfilters) Filtros de Q constante (constant Q) En la década de 1980 se desarrollaron los primeros filtros activos de Q constante, en los que el ancho de banda es independiente del valor de refuerzo o atenuación Se reduce la interacción entre bandas adyacentes Menor dependencia de la respuesta en frecuencia con el ajuste Mayor correlación entre la disposición externa de potenciómetros y la respuesta en frecuencia Supusieron un enorme avance en las prestaciones de los ecualizadores, mejorando en gran medida la precisión, especialmente con ajustes moderados
Filtros de Q “perfecto” (perfect-Q) Los filtros de Q-constante solucionan el inconveniente de la degradación del ancho de banda con la actuación sobre su ganancia/atenuación. Sin embargo producen un rizado mayor entre filtros adyacentes El nivel del filtro fuera de la frecuencia central varía de forma no lineal con el ajuste de refuerzo/atenuación El rizado depende del refuerzo/atenuación de los filtros adyacentes
Filtros de Q “perfecto” (perfect-Q) Los filtros basados en DSP ajustan su respuesta (coeficientes filtro FIR o IIR) en función de la posición de los potenciómetros del ecualizador Comportamiento lineal con el ajuste del refuerzo/atenuación Esto permite ajustar las características de los filtros para obtener una elevada correlación entre la respuesta en frecuencia y la posición de los controles No son filtros de Q constante pero tampoco proporcional. Las variaciones del ancho de banda son las necesarias para garantizar la respuesta deseada (“perfecta”) Q
Filtros banda eliminada Filtros que atenúan una banda de frecuencia, afectando lo menos posible las bandas adyacentes Si la banda es menor de 1/3 de octava se denominan filtros ranura (notchfilters) Aplicación fundamental: eliminación de frecuencias conflictivas en el sistema de sonido (no con fines creativos) Eliminación de la frecuencia de red (50 - 60 Hz) Eliminación de frecuencias de resonancia en la ecualización de salas para evitar oscilaciones
Tecnologías de implementación • Filtros pasivos • Redes pasivas LC • Funciones de transferencia típicas: Butterworth, Chebyshev, Bessel, Elíptica
Tecnologías de implementación Filtros pasivos Típicamente de orden 1 a orden 3
Principales inconvenientes Necesidad de fuente y carga adaptadas en impedancia (actualmente los equipos de audio trabajan con acoplo en tensión) Pérdidas de inserción por disipación y desadaptación que dependen de laposiciónde refuerzo/atenuación Equipos pesados y voluminosos (bobinas) Interferencia electromagnética (EMI) Filtros activos (amplificadores operacionales) Durante la década de 1970 se implementaron los primeros filtros de audio utilizando amplificadores operacionales y redes LC Los diseños iniciales se basaban en obtener las mismas funciones de transferencia de los pasivos, sustituyendo las bobinas por elementos activos En la década de 1980 se desarrollaron los filtros activos RC, en los que se evita la utilización de bobinas, reduciendo el tamaño y los costes de fabricación
Filtros activos • Los filtros activos RC de Q constante suponen una revolución no sólo de las • técnicas de implementación, sino también de las técnicas de diseño • Clave para Q constante: independizar la función que implementa el ajuste de • amplitud (refuerzo/atenuación) del filtro paso banda
Filtros activos Filtros activos RC de Q constante asimétricos
Filtros digitales Gran flexibilidad de diseño, normalmente basados en funciones de transferencia de segundo orden Dos tipos: IIR, FIR La configuración del filtro (función de transferencia) puede ser reconfigurable para adaptar su respuesta a los ajustes que realice el operador sobre los potenciómetros de control (filtros de Q “perfecto”) Más fácil en filtros IIR, dada su sencillez El cambio de configuración constituye una de las principales ventajas de los filtros digitales frente a los analógicos. Estos últimos sólo se pueden diseñar una vez!
Ecualizadores Equipos diseñados para compensar las características amplitud-frecuencia en sistemas de almacenamiento o transmisión Ecualizadores fijos, no ajustables (aunque sí se pueden calibrar) Redes de pre-énfasis y de-énfasis Ecualizadores variables, ajustables por el usuario Constituidos por bancos de filtros en los que una o más características pueden ser alteradas por el usuario Aplicaciones típicas Corrección de deficiencias en la respuesta en frecuencia de micrófonos, combinaciones de altavoces, e instrumentos Separación en frecuencia de diferentes instrumentos, para lograr una mezcla más contrastada Evitar la interacción de frecuencias disonantes de diferentes instrumentos (pistas) Alteración de las características frecuenciales por motivos puramente creativos Ecualización del sistema de sonido y la sala en sistemas de refuerzo
Tipos de ecualizadores ajustables en función de sus prestaciones Controles de tono Ecualizadores semiparamétricos y paramétricos Ecualizadores gráficos Ecualizadores paragráficos Controles de tono Ecualizador típico en los sistemas para automóviles y en los sistemas domésticos de bajas prestaciones Constan de 2 o 3 bandas de frecuencia fijas Bajos y agudos (bass, treble); bajos, medios y agudos (low, mid, high) Para los bajos y agudos se utilizan filtros tipo control de tono (shelvingfilters) con frecuencias de corte preestablecidas, amplitud ajustable y pendientes Suaves Frecuencias de corte típicas 100 HZ y 10 KHz Para las frecuencias medias se utiliza un filtro resonante centrado alrededor de 2 KHz y con algunas octavas de ancho de banda
Ecualizador semiparamétrico (sweepableequalizer) Ecualizador similar al control de tonos, pero que incluye la posibilidad de variar la frecuencia central Ganancia ajustable Frecuencia central sintonizable (a menudo sobre un amplio margen) Ancho de banda fijo Esto permite un control del sonido mucho más preciso que en el anterior Es el ecualizador típico en los canales de entrada de las consolas de bajo y medio coste
Ecualizador paramétrico Incluye la posibilidad de variar el ancho de banda, además de la frecuencia central Ganancia ajustable (si sólo permite atenuación se denomina notchequalizer) Frecuencia central sintonizable (a menudo sobre un amplio margen) Ancho de banda (Q) ajustable Se suelen utilizar filtros de Q-constante con la ganancia Mejor control sobre el ancho de banda, independientemente de la amplitud Mayor flexibilidad y precisión Es el ecualizador típico en los canales de entrada de las consolas de altas prestaciones (típicamente 3 o 4 bandas)
Ecualizador gráfico Banco de filtros de sintonía y ancho de banda fijos y ganancia variable Utilizan potenciómetros de ajuste lineal para controlar la ganancia de cada banda La posición de los potenciómetros individuales de cada banda indica de forma aproximada la corrección realizada en frecuencia (de ahí su nombre de ecualizador gráfico)
El número de bandas depende del coste y la aplicación 10 bandas de 1 octava 15 bandas de 2/3 de octava 30 o 31 bandas de 1/3 de octava El ancho de banda (Q) es el mismo para todos los filtros El recubrimiento debe de ser lo más plano posible (poco rizado) Ganancias/atenuaciones típicas: + /-6 dB, 12 dB,18 dB
La mayoría utiliza las frecuencias centrales del estándar ISO Ecualizador de 1 octava (10 bandas) 32, 64, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000, 16000 Hz Ecualizador de 2/3 de octava (15 bandas) 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 635, 1000, 1600, 2500, 4000, 6400, 10000, 16000 Hz Ecualizador de 1/3 octava (31 bandas) 20, 25, 31.5, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1K, 1.25K, 1.6K, 2K, 2.5K, 3.15K, 4k, 5k, 6.3K, 8K, 10K, 12.5K, 16K, 20KHz El ancho de banda de estos filtros suele elegirse igual al espaciado entre frecuencias centrales para reducir el rizado de la respuesta en frecuencia Los filtros se cortan en la caída a 3dB
Ecualizador paragráfico Combinación del ecualizador gráfico y el paramétrico Ecualizador gráfico que además permite la sintonización de las frecuencias centrales de cada banda dentro de un margen determinado Puede ofrecer la posibilidad de alterar el ancho de banda de los filtros Añade flexibilidad en aquellas aplicaciones en las que es necesario actuar sobrefrecuenciaso márgenes de frecuencia muy concretos (caso de realimentación) Existen modelos analógicos, aunque ha sido la tecnología digital la que ha popularizado su utilización Presentación gráfica mediante displays LCD, Son los sistemas más potentes, debido a su gran flexibilidad y manejo a través de una interfaz gráfica intuitiva
Tipos de ecualizador en función del recubrimiento Las prestaciones de un ecualizador no sólo dependen de las cualidades de sus filtros, sino del modo en que éstos se combinan (recubrimiento) La respuesta con todos los potenciómetros al mismo nivel debería de ser plana (sin rizado) Filtros en cascada (cascade Q) Implementación sencilla, so hay necesidad de sumadores La respuesta en frecuencia es el producto de las respuestas individuales de cada filtro. Se acumulan los errores de magnitud y fase Filtros en paralelo (parallel Q) Necesidad de sumadores La respuesta en frecuencia es la suma de las respuestas en frecuencia, lo que tiende a cancelar en buena medida los efectos de la interferencia interbanda Mayor rizado de la respuesta en frecuencia, especialmente con filtros de Q no constante non-combining (non-interpolated) filters Combinación de topología cascada/paralelo Combinación en paralelo de bandas adyacentes y combinación en cascada de los grupos resultantes Reduce el rizado ajustando los filtros adyacentes para que su pico de respuesta no coincida con su frecuencia central combining (interpolated) filters
Ecualizadores digitales de Q “perfecto” Los filtros digitales de Q “perfecto” (perfect-Q) permiten resolver el problema del error de ganancia/atenuación sin degradar el recubrimiento Los filtros basados en DSP ajustan su respuesta (coeficientes filtro FIR o IIR) en función de la posición de los potenciómetros del ecualizador Comportamiento lineal con el ajuste del refuerzo/atenuación Las características de los filtros se ajustan en cada momento para minimizar simultáneamente el error de ganancia/atenuación y el rizado por interacción entre bandas
