Relação Sinal Ruído – SNR e como ela pode destruir sua gravação!

Essa é certamente uma das questões de teoria de audio que mais afetam a prática. Como minimizar a presença do ruído de fundo para a melhor captação do sinal? É o que vamos explicar nesse artigo. A relação sinal ruído é a razão entre a potência do sinal e os efeitos do noise floor, o tal ruído de fundo. Esse problema pode surgir de interferências na corrente elétrica, de calor, vibrações no ambiente ou equipamento de má qualidade mesmo. Gravações in the box não escapam. A qualidade na conversão analógico-digital é fundamental para evitar os erros de quantização, que provocam os ruídos no arquivo digital. O SNR se aplica a sinais acústicos, elétricos, ópticos e digitais e também é adotado em outros campos das telecomunicações, engenharia e ciência.

A relação sinal ruído

O SNR (signal-to-noise ratio) é a comparação entre o nível mais alto de sinal emitido e o ruído presente na saída do equipamento. O termo representa a razão entre a potência daquele ruído indesejado e o sinal de áudio enviado. Quanto maior a distância entre eles, melhor a relação sinal/ruído. Assim, o sinal está sendo enviado com qualidade, sem distorção e o ruído não é percebido. Pelo menos não a ponto de influir no som produzido. A maioria dos equipamentos de áudio profissional apresentam descrições com os níveis de Dynamic Range ou Faixa dinâmica e SNR (signal noise ratio). O Dynamic Range é basicamente a variação de dBs que aquele equipamento é capaz de receber. Exemplo: 100 dB de Dynamic Range. Em equipamentos digitais, isso quer dizer que o equipamento suporta sinal de -100 dB a 0 dB, já que é o máximo na escala dBFS, a usada no âmbito digital. O SNR é calculado a partir da subtração do noise floor do valor de Dynamic Range. Exemplo: SNR de 70 dB. Para um equipamento com 100 dB de Dynamic Range, indica que temos aproximadamente um noise floor em -70dB.

Cálculo da relação sinal ruído

A relação sinal ruído é expressa em decibéis. Como se trata de uma escala logaritmo, o cálculo é feito da seguinte forma:

O que é noise floor?

O ruído de fundo, também conhecido como “noise floor”, pode vir de diversos elementos, seja de componentes do próprio aparelho envolvido, seja de impedância, da corrente elétrica, interferências no sinal, reflexos no ambiente, vento, vibrações, variações de temperatura, umidade, etc. Por isso, não existe uma fórmula ideal para corrigir o problema. O ideal é se cercar de equipamentos de qualidade, em ambientes preparados e sempre se certificar de dar a atenção devida ao fenômeno em cada produção. Todo equipamento que se relaciona com áudio produz ruído. Microfones, amplificadores, alto-falantes, fones, receivers, toca-discos, rádios, aparelhos de CD e DVD, interfaces, placas de som, tablets, telefones com e sem fio, smartphones, instrumentos musicais e até cabos! Alguns são insignificantes, outros mais perceptíveis. Esses ruídos vão aumentando com a deterioração, idade ou mal uso do equipamento. E além dele, também podem surgir ruídos de interferências externas, como já mencionamos. No caso de execução e principalmente de gravação, eles fazem toda a diferença. O ruído comum de todo equipamento costuma se assemelhar a um zumbido: intensidade constante, pouquíssima variação de frequências. É o famoso “humming”. Parece muito aquele barulho do motor de geladeira.

Quer entender melhor o que é esse ruído?

• Ligue um amplificador de guitarra, sem instrumento plugado;
• aumente bastante o volume.

Percebeu o “hummm” contínuo?

Próximo passo

• Agora, plugue sua guitarra no amplificador. Aumente volume do instrumento até o máximo e toque algo - de preferência toque um acorde e deixe soar.

No som produzido, há tanto o que você executou na guitarra quanto aquele zumbido no fundo. Se o zumbido tiver praticamente desaparecido, ótimo, o SNR é alto, o ruído não vai atrapalhar. Mas se o noise continua lá, bastante presente no som que sai do amplificador, o SNR é baixo. A diferença entre o sinal e o “noise floor” é pouca, mesmo com a guitarra no máximo. O mais imediato e óbvio a se fazer é aumentar o volume do amplificador, certo? Não! Por que, ao fazer isso, você aumenta tanto o som da guitarra quanto o ruído. O SNR é expresso em decibéis, uma medida definida a partir de cálculo logaritmo. Por isso, apenas aumentar o ganho no dispositivo sonoro não é a solução perfeita. Ao subir o ganho geral, o volume do ruído aumenta proporcionalmente ao do sinal.

Entendendo o a relação sinal ruído em gravações digitais

Agora vamos transpor todo esse papo para o mundo digital. Em gravações, não ter o controle sobre a relação sinal/ruído pode arruinar o seu trabalho. Aquele ruidinho até “tolerável” em execuções e reproduções ao vivo faz toda a diferença - negativa - se não for eliminado em um processo de gravação. Atualmente, quase todos os aparelhos de audio digital usados em gravação profissional são feitos para mutarem suas saídas quando não tem nenhum sinal entrando. Nesse quadro, temos um SNR baixíssimo. Problema resolvido, certo? Errado! Para transformar um som analógico em dado digital, sua interface captura milhares de instantes do som por segundo. No CD, para cada segundo de som são 44.100 capturas, expressas em 44.1 KHz. Essa ação é conhecida como sample rate, ou frequência de amostragem. É como se o conversor digital tirasse fotos cada segundo da onda sonora que entra. Quanto mais “fotos” de cada segundo de som, melhor a amostragem. As amostras são armazenadas em bits. Quanto maior o bit depth, ou profundidade de bits, melhor sua fidelidade, resolução e qualidade. O CD, por exemplo, tem 16 bits por amostra; o DVD e o Blu-ray, 24 bits-per-sample.

Erro de quantização e a relação sinal ruído

Mas as ondas sonoras variam o tempo todo. Essas variações podem não ser compreendidas corretamente pelo conversor. Os parâmetros da leitura digital nem sempre se encaixam perfeitamente às ondas analógicas enviadas. Quando chega uma onda que não bate com um parâmetro da escala digital, o conversor tende a arredondar o valor analógico para o patamar mais próximo do ambiente digital. Esse desvio é conhecido como erro de quantização. É um dos fatores que provoca ruído de fundo no sistema digital de gravação. Trata-se de uma incompatibilidade entre a natureza do sinal analógico e a representação digital de dados. Então, por melhor que seja a frequência de amostragem e maior o bit depth, pode ocorrer esse erro na conversão.

Como equilibrar o SNR na conversão analógico/digital?

Melhorando a qualidade da gravação. Cada bit acrescentado em uma mostra amostra aumenta 6 dB no dynamic range. Ou seja, uma gravação em 16 bits, tem dynamic range de 96 dB. Aplicando 24 bits por amostra, você tem 144 dB na escala dinâmica. Quanto maior o dynamic range, mais espaço para trabalhar você tem. Trabalhando com 16 bits, tem-se 2 elevado a 16a potência possíveis níveis de quantização (65.536). 
Já com 24 bits, são 2 elevado a 24a potência (16.777.216). Com mais "degraus" para representação do som digital, menors são os arredondamentos da quantização. A maioria dos conversores hoje trabalham com 24 bits de profundidade. Mas além de ocupar bastante espaço no HD, os arquivos em 24 bits exigem muito do processador do seu DAW e da memória RAM do computador. Já é possível gravação em 32 bits. Essa opção apresenta o ponto flutuante, que oferece mais 8 bits de volume. É ideal para aumentar o headroom e conseguir usar bem o compressor, mas ocupa ainda mais espaço no disco rígido. No entanto, o 24 bits já é considerado um standard e não é recomendado (nem é bem visto) gravar em menos do que isso.

Dithering

Dither é um recurso usado para amenizar o ruído digital criado pelos erros de quantização. Ele adiciona um ruído de fundo bem baixo, no primeiro bit, o menor nível de quantização reconhecido pelo sistema. Esse fenômeno mascara o ruído gerado pelos erros de quantização. Sendo assim, em 24 bits o dither estará em -144dBFS e em 16bits estará em -96dB.

Cuidado com o THD!

O THD - Total Harmonic Distortion - é mais um parâmetro importante para medir a qualidade de um equipamento, ao lado do SNR e do Dynamic Range. Ele aponta o nível de distorção possível em um dispositivos de áudio comparando os sinais de áudio de entrada e saída. A distorção acontece por que os componentes eletrônicos de um equipamento não são lineares. Assim eles produzem pequenos desvios harmônicos na saída, principalmente quando recebem altos sinais. Quanto menor a taxa de THD, menos distorcido o som. A maioria dos mixer e pré-amps apresentam THD de 0,01% pra baixo. Amplificadores e potências costumam trazer THD de 0,5%. O THD pode variar de acordo com a frequência, aumentando em frequências mais altas.  Moral da história: ao dar ganho, fique de olho - e ouvidos - no THD!

Dicas para melhorar o SNR na sua gravação

• Não grave sinais muito baixos. Não é necessário gravar o mais perto do 0dB possível, uma vez que trabalhamos em 24bits. Mas tenha certeza que está em uma região adequada de trabalho, com picos entre -20 e -10 dBFS.
• Configure os ganhos de toda a cadeia para operarem na região ótima de trabalho (do instrumento aos meters do DAW);
• Evite cabos muito longos. A distância para a entrada do dispositivo pode acarretar em perda de sinal e ruído;
• Use direct box para captações diretamente em linha;
• Confira interferências externas - vibrações do chão, equipamentos muito próximos, tempo de uso contínuo e calor dos aparelhos, circuito elétrico (algumas lâmpadas LED influenciam no sinal);
• Certifique-se do melhor pedaço na sala para realizar a gravação;
• Confira o bit depth e o sample rate antes de começar o projeto;
• Deixe o HD do computador sempre com bastante espaço;
• Aplique o dithering nos casos necessários.

E claro: procure usar sempre bons equipamentos. Como você pode perceber, a relação sinal ruído é uma história a se administrar. Não há fórmula, mas sim uma cuidadosa calibragem do sinal. É um resultado da soma da compatibilidade, qualidade e coesão na estrutura e nos componentes envolvidos na gravação. Exige observação e controle de todo o processo. Boa gravação!

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