El lado oscuro de los filtros
Cuidado con las pendientes!
Al momento de utilizar filtros, deberíamos prestar mucha atención al tipo de pendiente asignada. Básicamente, las pendientes más suaves suelen ser las más musicales, y aunque podrían llegar a ser insuficientes en algunos casos, el uso de pendientes muy abruptas puede comenzar a traer consecuencias indeseadas en nuestras mezclas o masterings.
En el diseño de audio digital moderno, los ecualizadores nos otorgan un control casi absoluto sobre el espectro de frecuencias. Es tentador usar un filtro de paso alto o paso bajo con una pendiente súper abrupta para extirpar quirúrgicamente algún componente no deseado. Sin embargo, en el procesamiento de señales rige una ley inmutable: toda moneda tiene dos caras. Lo que ganamos en precisión matemática en el dominio de la frecuencia, lo pagamos en el dominio del tiempo, y en la musicalidad de la señal.
En este artículo analizaremos por qué las pendientes abruptas suelen ser contraproducentes para tus producciones musicales.
Para tal fin, primero paso a describir la clasificación de las pendientes, y sus recomendaciones prácticas:
Clasificación:
Pendiente (dB/Oct)
Orden del Filtro
Comportamiento Típico
Respuesta suave (mayor musicalidad)
6 a 12 dB/Oct
1.º a 2.º Orden
Transición natural, rotación de fase mínima. Muy buena respuesta temporal.
Respuesta moderada
18 a 24 dB/Oct
3.º a 4.º Orden
Todavía mantiene un buen balance entre control frecuencial y posibles artefactos.
Respuesta abrupta
32 a 48 dB/Oct
5.º a 8.º Orden
Comienzan los problemas notables de retardo de grupo o pre-ringing.
Respuesta ultra abrupta
96 dB/Oct o superior
Orden Elevado
Destrucción temporal severa. Generación de over-shooting y pérdida de naturalidad.
El Filtro de Fase Mínima: Rotación de Fase y Retardo de Grupo
La mayoría de los filtros analógicos y sus emulaciones digitales tradicionales son de fase mínima, por lo que procesan el audio en tiempo real con una latencia interna mínima. Sin embargo, para alterar la amplitud de una frecuencia, estos filtros deben alterar su relación temporal, debido a que la respuesta en frecuencia y la respuesta en fase están intrínsecamente ligadas.
Al utilizar un filtro con una pendiente abrupta (como un Butterworth de orden elevado), la velocidad de cambio en la atenuación provoca una rotación de fase violenta alrededor de la frecuencia de corte (fc).
El Retardo de Grupo (Group Delay)
El verdadero problema, en términos de musicalidad, no es solo el desfase en sí, sino el retardo de grupo. Cuando la pendiente es abrupta, el retardo de grupo se dispara exponencialmente en la rodilla del filtro. Esto significa que diferentes frecuencias contenidas en un mismo sonido (por ejemplo, el cuerpo y el ataque transitorio de un bombo) saldrán del filtro a diferentes tiempos, generando un impacto audible en donde las frecuencias más bajas se "frenan" respecto a las medias y agudas. El transitorio pierde impacto, el sonido puede perder parte de su definición.
La fase lineal y el pre-ringing
Para solucionar los potenciales problemas ocasionados por la rotación de fase, solemos recurrir al empleo de filtros de fase lineal. Estos filtros distribuyen el retardo de manera uniforme para todas las frecuencias, manteniendo un retardo de grupo constante.
Sin embargo, al forzar una pendiente abrupta en un filtro de fase lineal, se genera un artefacto temporal que en algunos casos llega a ser sumamente contraproducente: el pre-ringing.
Figura 1: Respuesta al impulso simétrica de un filtro de fase lineal abrupto.
Un filtro de fase mínima generará su propia oscilación después del transitorio, pero será enmascarada naturalmente por nuestro sistema auditivo. En cambio, un filtro de fase lineal abrupto distribuye esa oscilación de forma simétrica: el filtro empieza a oscilar audiblemente previo a la aparición de la señal, percibiéndose como una especie de eco inverso que antecede a los transitorios afectando más típicamente a los instrumentos de percusión, como tambotes, bombos, aunque pudiendo afectar audiblemente a otros componentes, como ser guitarras acústicas, destruyendo la nitidez del ataque natural del instrumento.
El Over-Shooting
Otro aspecto a tener en cuenta cuando las pendientes son muy abruptas es el aumento del over-shooting, o sobreimpulso, por el cual la salida de un filtro supera temporalmente el valor final esperado cuando recibe una señal con cambios bruscos, como un escalón o un transitorio muy rápido.
Figura 2: El intento de un corte vertical genera sobreimpulsos (Over-shooting).
Es importante tener en cuenta que este sobreimpulso hará que, aunque estés atenuando energía espectral, el pico máximo de amplitud de la señal pueda aumentar. Por lo tanto, si la señal de audio original ya estaba cerca del límite digital (0 dBFS), un filtro abrupto puede empujar los transitorios hacia el clipping inter-sample, provocando distorsión por saturación digital.
A su vez, al buscar pendientes sumamente verticales, se suele introducir ripple (ondulación) en la banda de paso o de rechazo. Filtros como el de Chebyshev consiguen cortes más abruptos a cambio de crear resonancias artificiales cerca de la frecuencia de corte, alterando el timbre natural del instrumento.
La configuración de la pendiente según la búsqueda del sonido resultante
En situaciones típicas de mezcla, solemos buscar la preservación de la dinámica, el impacto y la naturalidad de la toma original. Por ende, sugiero utilizar pendientes más suaves, y contemplar al filtro más como una solución de compromiso entre las partes, que a una solución definitiva.
Para el empleo de filtros de paso alto (HPF) es preferible trabajar con pendientes de 6, 12, ó 18 dB/Octava, basándonos en el criterio de que un HPF de 2.º orden decrece de forma muy similar a la caída espectral natural de muchos instrumentos musicales.
Por ejemplo, si necesitamos limpiar la zona por debajo del registro de una voz, o una guitarra, un corte a 12 dB/Oct entre 65 y 80 Hz cumplirá tal función, a la vez que mantendrá los transitorios intactos y evitará que la zona de corte se perciba "hueca" o antinatural.
En tanto que en el uso de filtros pasa bajo (LPF) sugiero utilizar pendientes de 6 ó 12 dB/Oct, ya que el oído humano es muy sensible a los cambios de fase en las altas frecuencias, donde se localiza la percepción de la tridimensionalidad y el "aire". Un LPF abrupto suena inmediatamente artificial y plano. Una pendiente suave de 6 dB/Oct actúa como un sutil amortiguador acústico natural (asimilándose a cómo el aire absorbe los agudos a la distancia), manteniendo una respuesta transitoria impecable.
Recordá que la ingeniería de audio es el arte de balancear compromisos. Los filtros de pendientes muy abruptas (48 dB/Oct o más) son herramientas de laboratorio muy útiles para telecomunicaciones o sistemas de conversión A/D donde se requiere un filtrado anti-aliasing estricto. Sin embargo, en el espacio de la mezcla de música, el tiempo es tan importante como la frecuencia. Mantener pendientes moderadas garantiza que la música respire con coherencia de fase, pegada e integridad dinámica.
