Os Compandors são dispositivos de extrema utilidade no processamento de sinais de áudio, sendo encontrados em tape-decks, telefones, microfones sem fio e em muitos outros casos em que sons devam ser transmitidos. Veja neste artigo o que são os Compandors, como funcionam e onde são usados.
Compandor é o acrônimo de Compressor-Expandor que poderia ser traduzido como Compressor-Expansor. Isso é juistamente o que esse dispositivo faz e que vamos explicar neste artigo.
Compressão e Descompressão
Existem diversos motivos para se comprimir um sinal de áudio antes de fazer sua transmissão e depois descomprimi-lo novamente no lado receptor, para que ele recupere sua forma original. Um dos motivos é o fato de que, se transmitirmos o sinal através de um meio ruidoso, como uma linha telefônica, e esse sinal não oscilar entre os limites de sua faixa dinâmica, ocorrem cortes e distorções.
Outro motivo, bastante aproveitado pelos radioamadores já há muito tempo, é que concentrando a faixa dinâmica dos sinais podemos obter maior rendimento dos transmissores, alcançando maiores distâncias.
Para que o leitor tenha uma idéia do que ocorre, vamos imaginar um sinal típico de áudio em que suas componentes possuem picos de diferentes intensidades, conforme a freqüência. De uma forma simples, podemos representar esse sinal conforme mostra a figura 1.
Vamos imaginar que o meio em que esses dois sinais devam ser transmitidos é ruidoso, apresentando uma característica conforme a mostrada na figura 2.
Se o sinal for transmitido através desse meio, na sua forma original, verificamos que podem ocorrer dois problemas. Um deles, é que os pontos de maior amplitude podem ser mais intensos do que o aceito pelo meio (linha de transmissão, modulador, etc.) e com isso ocorre uma saturação. O resultado, conforme mostra a figura 3 é que ocorrem cortes e conseqüentemente distorções.
Por outro lado, as partes do sinal de menor amplitude, se não forem amplificadas, podem ser cobertas pelo ruído e com isso não aparecerem no receptor, conforme mostra a figura 4.
Em suma, se amplificarmos "de menos" as partes de menor amplitude do sinal serão cobertas pelos ruídos, e se amplificarmos "demais", as partes de maior amplitude serão "clipadas". A melhor solução consiste em se fazer uma amplificação seletiva, ou seja, uma compressão do sinal, modificando sua faixa dinâmica, isso é o que denominamos "comprimir" o sinal e é uma das funções do compandor.
O que ele faz então é aumentar as componentes de menor amplitude do sinal de modo que superem eventuais ruídos existentes no meio em que ele será transmitido, e amplificar menos as componentes de maior amplitude de modo que elas não saturem o circuito. Isso é mostrado na figura 5.
Para recuperar a forma original do sinal é preciso que ele passe por um processo de "descompressão" ou expansão, feita pelo "expandor", conforme mostra figura 6.
Nesse circuito, as partes que foram mais amplificadas recebem uma amplificação menor do que as que foram menos amplificadas e com isso a faixa dinâmica do sinal é recuperada. Com isso ele pode ser reproduzido mantendo a forma original.
Onde são usados
Existem diversos equipamentos que trabalham com a transmissão e gravação de sinais de áudio que fazem uso das técnicas de compressão e expansão dos sinais. Os sistemas de comunicações analógicos como os usados nas faixas de radioamadores, VHF, serviços públicos são exemplos. Os telefones sem fio analógicos além de microfones sem fios também podem ser citados como exemplos.
Esses equipamentos, conforme mostra a figura 7 comprimem os sinais antes de fazer sua transmissão e depois os descomprimem no receptor de modo a recuperar a forma original.
Com esse procedimento, eles podem ser melhor transmitidos, com maior rendimento do sistema, menor influência dos ruídos do meio e mantendo a sua fidelidade original.
Estrutura de um Compandor
Existem diversos circuitos integrados que consistem em compandors e que podem ser usados com facilidade. Podemos citar os NE570, NE571 o NE572.
O Compressor
Analisemos a estrutura de um compandor típico, partindo dos blocos básicos que formam a parte compressora e que são mostrados na figura 8.
O que temos um amplificador operacional em que o ganho é determinado pela intensidade do sinal de entrada. Um bloco que contém um sistema retificador amostra a intensidade do sinal na saída produzindo uma tensão que, aplicada ao bloco de ganho (G) determina a realimentação do amplificador operacional. Dessa forma, o ganho do circuito não é fixo, mas depende da intensidade do sinal.
Com os sinais de baixa intensidade o ganho é maior e com os sinais de maior intensidade o ganho é menor. O bloco de ganho nada mais é do que um atenuador controlado por tensão ou VCA (Voltage Controlled Attenuator). Este circuito pode ser baseado num segundo amplificador operacional que proporciona uma realimentação que depende da tensão externa fornecida pelo bloco retificador. Na figura 9 temos a implementação de um compressor para linhas de 600 ohms.
Nesse circuito observamos a presença de um trimmer para ajuste de sinais no nível mais baixo. A finalidade desse circuito é compensar eventuais problemas de distorção que possam ocorrer na célula de ganho.
O Expansor
Na figura 10 temos o circuito em blocos que corresponde a um expansor (expandor).
Conforme podemos, a diferença em relação ao circuito compressor está no fato de que temos uma etapa de ganho fixo, mas na sua entrada temos um circuito atenuador variável. Esse circuito, em função da intensidade do sinal que chega, gera na célula retificadora uma tensão que controla o bloco atenuador. Se o sinal for intenso, a tensão gerada aumenta a atenuação e se o sinal for fraco, a atenuação é pequena. Dessa forma, a faixa dinâmica do sinal original pode ser recuperada, aparecendo na forma original na entrada da etapa amplificadora.
Assim, o amplificador usado nesse circuito pode ser linear, conforme mostramos na figura dada como exemplo. Para uma linha de 600 ohms, podemos ter o circuito completo conforme mostrado na figura 11.
Esse circuito recupera a forma de onda original, para o sinal que é comprimido no circuito da figura 9.
Aplicações em Áudio
Existem diversas aplicações possíveis para os Compandors em circuitos de áudio de alta fidelidade. A compressão do sinal pode ser importante em gravadores de fita mantendo o sinal no seu nível mais baixo, acima do ruído da própria fita e circuito; em sistemas de distribuição de áudio, superando os níveis de ruído da linha; em sistemas de som digital, para que o sinal seja comprimido antes de digitalizado, obtendo-se melhor fidelidade e nas câmaras de éco.
O circuito mostrado na figura 12 é um exemplo de aplicação que usa como base o NE570 e tem o recurso da pré-ênfase, necessária para se evitar o problema de se ouvir uma espécie de ruído de fundo quando ele muda de ganho.
A rede formada por R2/C5 e R14/C8 evita esse problema. Para expandir os sinais, pode ser usado o circuito da figura 13 também sugerido pela Philips e que faz uso do NE570.
Evidentemente, para compensar o efeito da pré-ênfase, temos o circuito de de-ênfase que devolve a forma de onda original aos sinais.
O ganho dos circuito é de 0 dB, o que garante a manutenção da intensidade original dos sinais que vão se trabalhados. Os trimpots servem para corrigir a distorção harmônica e os níveis DC que aparecem junto aos sinais.
NE570/571 - Compandor
Os circuitos integrados NE570 e NE571 consistem em compandors capazes de operar numa faixa dinâmica de 110 dB. Na figura 14 temos o invólucro básico com a identificação dos seus terminais.
A faixa de tensões de operação deste CI vai de 6 V a 24 V. Na figura 15 vemos o bloco correspondente ao circuito tanto do compressor como expansor.
No circuito integrado temos dois blocos semelhantes a esses e conforme o modo de ligação, teremos a operação como compressor ou como expansor. Assim, quando ligamos o bloco de ganho à saída ele proporciona a realimentação que determina a compressão e o com isso o circuito funciona como compressor.
Quando o bloco é ligado em série com a entrada, ele funciona como um atenuador variável, o ganho do operacional pode ser programado para um valor fixo e temos a operação como expansor. A curva de transferência básica do circuito é mostrada na figura 16.
A capacidade de fornecimento de corrente do bloco de saída é +/- 20 mA o que significa uma amplitude de sinal de 3,5 Vrms em uma carga de 300 ohms. Com um resistor e um transformador apropriado, essa saída pode ser convertida em + 13 dBm em uma linha de 600 ohms. A faixa dinâmica obtida é mostrada na figura 17.
Observe que a faixa dinâmica dos sinais pode ir de -80 dB a +20 dB, obtendo-se uma taxa de compressão de 2 para 1. Isso significa que a faixa dinâmica original de 100 dB pode ser comprimida numa faixa de 50 dB para transmissão e depois recuperada. Existem outros circuitos integrados que podem ser usados como compandors como o NE472, mas suas características são diferentes
Conclusão
Os compandors são circuitos de grande utilidade quando se deseja fazer a transmissão de sinais de áudio (analógicos) através de um meio ruidoso ou ainda aproveitando-se a máxima potência de um transmissor. Apesar do uso cada vez mais intenso das formas digitais de transmissão, existem ainda os casos em que a transmissão analógica é necessária e os problemas podem aparecer. Alterando a faixa dinâmica de um sinal e depois recuperando-a pode ser a solução para diversas aplicações que envolvem áudio na sua forma original.
