I processori di segnale digitale portano il tuo sistema audio al livello successivo
La regolazione o la modifica dei segnali audio non è una novità. I processori di segnale analogico sono stati utilizzati negli studi di registrazione e nelle esibizioni dal vivo per decenni. Tutto, dagli equalizzatori ai crossover e ai compressori, è stato concepito quando le valvole a vuoto erano popolari. Con l'avanzare della tecnologia, le dimensioni, i costi e la complessità dei processori di segnale sono diminuiti. Ora, molte unità sorgente audio per auto contengono più potenza di elaborazione rispetto ai primi studi di registrazione. Questo articolo esamina i processori di segnali digitali (DSP), cosa fanno e perché ne hai bisogno.
Un ambiente ostile
Se dovessimo portare un diffusore domestico full-range in un campo aperto e misurare la risposta in frequenza, vedremmo una curva di risposta abbastanza piatta e regolare. Se porti lo stesso altoparlante in una piccola stanza e misuri di nuovo la risposta, vedrai picchi e cali a varie frequenze. Questo cambiamento nella risposta in frequenza non è causato dall'altoparlante, ma dalla stanza stessa. Le riflessioni causano nodi e anti-nodi (picchi e valli) che influiscono notevolmente sulla risposta in frequenza percepita del sistema di altoparlanti. Per massimizzare il nostro godimento di quell'oratore, dobbiamo applicare la correzione del segnale all'oratore in modo che ciò che ascoltiamo sia simile a ciò che avremmo sperimentato in quel campo.
In un'auto, molto raramente siamo in grado di sederci direttamente al centro degli altoparlanti sinistro e destro. Il driver è solitamente due volte più lontano dall'altoparlante destro rispetto a quello sinistro. Sentiamo prima l'uscita dell'altoparlante sinistro e sembra che quell'altoparlante suoni più forte, perché è più vicino. Tienilo a mente mentre discutiamo dei processori di segnali digitali (DSP).
Limiti degli altoparlanti
Nessun singolo altoparlante può riprodurre l'intero spettro audio da 20 Hz a 20 kHz con precisione, dettaglio e persino dispersione del suono. Anche se ce ne fosse uno in grado di farlo, i livelli di distorsione nella gamma media e nei suoni ad alta frequenza sarebbero comunque elevati a causa dei requisiti di escursione dell'altoparlante alle basse frequenze. Per questo motivo, utilizziamo diversi altoparlanti per coprire la banda audio. I woofer o i subwoofer coprono i bassi e in genere riproducono fino a 80 o 100 hertz. I driver di gamma media coprono la gamma da 100 Hz a circa 4.000 Hz. Infine, utilizziamo i tweeter per coprire il resto delle frequenze superiori a 4.000 Hz. Sebbene queste siano approssimazioni, sono punti di crossover comuni per questi altoparlanti.
Un crossover è un dispositivo che limita il passaggio dei segnali audio. Esistono due tipi comuni utilizzati nell'audio per auto:passa alto e passa basso. Il loro nome descrive la loro funzione. Un crossover passa alto consente il passaggio di frequenze superiori al punto di crossover e un passa basso consente il passaggio di frequenze al di sotto del punto di crossover. Un crossover passa alto verrebbe utilizzato per mantenere i bassi profondi fuori da una piccola porta o da un altoparlante da cruscotto, mentre un crossover passa basso viene utilizzato per mantenere le informazioni sulla gamma media e sulle alte frequenze fuori da un subwoofer. Possiamo combinare entrambi i tipi di crossover per produrre quello che è noto come un crossover passa-banda:abbiamo limitato le informazioni a bassa e alta frequenza. Lo useremmo su un altoparlante di fascia media quando lo combiniamo con un woofer e un tweeter. (Discuteremo i crossover in dettaglio in un altro articolo.)
Nell'autoradio utilizziamo crossover attivi e passivi. I crossover passivi sono una combinazione di condensatori, resistori e induttori che colleghiamo ai cavi degli altoparlanti tra l'amplificatore e l'altoparlante. Il comportamento dei componenti e il modo in cui sono configurati limita le frequenze che possono passare attraverso l'altoparlante.
Un crossover attivo è un dispositivo elettronico che influenza la risposta in frequenza del segnale prima dell'amplificatore. Il vantaggio dei crossover attivi è che è facile regolarli su frequenze diverse. La maggior parte, se non tutti, i componenti di crossover devono essere sostituiti per regolare la frequenza di crossover di una rete passiva.
Queste informazioni ci danno una comprensione di base del motivo per cui abbiamo bisogno dell'elaborazione del segnale. Per decenni, l'industria dell'elettronica mobile è sopravvissuta e prosperata utilizzando l'elaborazione analogica. Aziende come AudioControl, Phoenix Gold, Rockford Fosgate e Zapco hanno realizzato equalizzatori e crossover e gli appassionati si sono riversati su di loro come falene in fiamme.
Con l'avanzare della potenza di calcolo, abbiamo visto apparire prodotti come Rockford Symmetry. Il Symmetry era un processore analogico controllato elettronicamente, una creazione fantastica che permetteva agli utenti di effettuare molte regolazioni da un unico pannello di controllo computerizzato.
La successiva evoluzione nell'elaborazione del segnale è stata quella di fare tutto nel dominio digitale, invece che in quello analogico. Come funziona?
Mattoni
Un DSP è un potente processore di segnale audio con hardware e software ottimizzato per eseguire elaborazioni ad alta velocità in tempo reale. Alcuni dei processori meno costosi includono i convertitori analogico-digitale e digitale-analogico all'interno del chip stesso. Sulle unità di fascia alta, i convertitori analogici sono componenti esterni. I migliori convertitori D/A offrono una maggiore risoluzione e migliori prestazioni del rapporto segnale-rumore. Una volta che il segnale audio è nel dominio digitale, un DSP non varia molto da un altro. Gli algoritmi sono scritti in modo simile per il filtraggio, l'equalizzazione e l'allineamento temporale.
Perché dovremmo volere un DSP e non un processore analogico? In un DSP, non ci sono problemi associati alle tolleranze dei componenti o alle variazioni di temperatura che influenzeranno la risposta dell'elaborazione. Con la giusta interfaccia, gli utenti possono accedere rapidamente a diversi preset di sistema e memorizzare un numero illimitato di configurazioni sui propri computer. La maggior parte delle unità DSP non include alcuna regolazione analogica, come potenziometri o interruttori, che possono sporcarsi o consumarsi nel tempo. Le vibrazioni che potrebbero causare il guasto di un componente in un sistema analogico influiscono raramente sui DSP.
Caratteristiche dei processori di segnali digitali
Una volta convertito un segnale analogico in digitale, l'elaborazione del segnale disponibile è limitata solo dal software scritto per l'unità scelta. Il limite alle funzionalità del software è in genere determinato dalla memoria disponibile del processore stesso. Richiede spazio per memorizzare il programma e spazio aggiuntivo per memorizzare le informazioni analogiche convertite mentre il processore lavora con le informazioni. Quando vedi un processore con più funzioni di un altro, la differenza è solitamente una limitazione della memoria.
Ingressi e somma dei segnali
La maggior parte delle unità DSP sul mercato può combinare e regolare il livello dei segnali audio in ingresso al DSP. Se disponi di una radio con uscite anteriore, posteriore e subwoofer, potresti voler mantenere tutti questi canali in modo discreto durante l'elaborazione del segnale audio.
E quando stai cercando di integrarti con un amplificatore di fabbrica? Forse hai un midrange e un tweeter della porta anteriore da un amplificatore che devi usare per i tuoi nuovi altoparlanti anteriori. La maggior parte dei processori di segnali digitali ti consentirà di combinare segnali provenienti da più ingressi per facilitare applicazioni come questa.
Poiché diverse sorgenti hanno diversi livelli di tensione di picco, gli ingressi del DSP hanno sensibilità regolabili. Proprio come il controllo del guadagno su un amplificatore, vogliamo impostare i guadagni in ingresso sul nostro DSP per massimizzare il rapporto segnale/rumore del processore.
Crossover e filtri
Come accennato, altoparlanti di diverse dimensioni sono progettati per concentrare le loro prestazioni all'interno di diverse gamme audio. Un midrange da 3 pollici non riprodurrà la stessa gamma di frequenze di un tweeter da 1 pollice o di un woofer da 6,5 pollici. Usiamo i crossover nel DSP per dividere le frequenze inviate a ciascuna uscita e altoparlante.
Un vantaggio dell'esecuzione di tutta l'elaborazione crossover nel dominio digitale è che molti processori di segnali digitali offrono diversi allineamenti di filtri crossover e pendenze di roll-off. L'allineamento descrive la forma del roll-off attorno al punto -3 dB. Questa forma influenza anche il modo in cui i segnali si sommano acusticamente. Le opzioni sono Butterworth, Linkwitz-Riley, Chebychev, Bessel e altro ancora. Non è che uno sia migliore di un altro, ma che ognuno è distinto e diverso. Potremmo scrivere un intero articolo sugli allineamenti incrociati.
La pendenza del crossover descrive la velocità con cui l'audio interrompe la riproduzione quando un segnale si allontana dal punto di crossover. Poiché è tutto digitale, la maggior parte dei processori di segnale digitale offre pendenze da -6 dB a -48 dB per ottava, con incrementi di 6 dB o 12 dB, a seconda dell'allineamento scelto. Nella maggior parte dei casi con i DSP, il filtro Linkwitz-Riley a 24 dB/ottava funziona abbastanza bene, ma ci sono dozzine di diversi approcci di ottimizzazione, quindi usa ciò che funziona bene per te.
Allineamento temporale e ritardo del segnale
Una delle caratteristiche più interessanti di un processore di segnale digitale è la sua capacità di memorizzare il segnale audio per un periodo di tempo variabile prima di inviarlo all'altoparlante. Questa capacità di memorizzazione consente a un installatore adeguatamente addestrato di ritardare il segnale che va agli altoparlanti più vicini all'ascoltatore in modo che il suono da loro creato arrivi alla posizione di ascolto contemporaneamente al resto degli altoparlanti. Per i sistemi a quattro vie (subwoofer, midbass, midrange e tweeter), questa configurazione e messa a punto possono richiedere un po' di tempo.
Equalizzazione
La capacità di mettere a punto la risposta in frequenza di ciascun altoparlante in un sistema audio è un'enorme chiave per far suonare quel sistema sorprendente. Dobbiamo misurare la risposta di ciascun altoparlante nella posizione di ascolto, quindi regolare l'equalizzatore in modo che ogni altoparlante produca una risposta uniforme. Ci sono molti modi per raggiungere questo obiettivo.
Gli equalizzatori grafici in genere offrono 31 bande di equalizzazione per canale e sono distanziati di 1/3 di ottava. Questa spaziatura in genere fornisce una risoluzione di frequenza sufficiente per risolvere i problemi di risposta. Gli equalizzatori grafici sono facili da capire:scegli la banda di frequenza desiderata, quindi aumenta o riduce il segnale della quantità che preferisci.
Gli equalizzatori parametrici sono molto più potenti, ma possono essere un po' più difficili da configurare. In un equalizzatore parametrico, l'utente può scegliere la frequenza, la larghezza di banda e la quantità di aumento o riduzione del segnale. Comprendere la selezione della frequenza è semplice, ma comprendere il fattore Q del filtro è più difficile. Quando si tratta di Q, il concetto di base è che un numero più alto significa che la regolazione della banda influisce su una gamma più ristretta di frequenze. Un numero basso, come 0,7 o 1, copre una gamma più ampia di frequenze. L'impostazione accurata di un equalizzatore parametrico richiede un po' di pratica. Detto questo, alcune applicazioni software forniranno automaticamente informazioni sull'impostazione dopo aver misurato la risposta in frequenza dell'altoparlante o del sistema.
Livello di uscita e telecomandi
Avere la capacità di regolare finemente il livello di uscita di ciascun altoparlante è fondamentale per le prestazioni di un sistema audio. Per ottenere un soundstage accurato ed equilibrato, l'ampiezza (livello) di ciascun altoparlante nel sistema deve essere regolata in modo molto accurato. Anche il controllo del livello di uscita è molto importante per abbinare l'efficienza dei diversi altoparlanti.
Molte unità DSP hanno l'opzione di un telecomando. Questi controlli possono essere utilizzati per regolare il volume generale del sistema e regolare il livello di uscita del subwoofer e in genere possono caricare i preset per il processore. Controller più avanzati ti danno accesso ad alcune delle funzioni di ottimizzazione del sistema, consentendoti di effettuare regolazioni senza la necessità di un computer portatile. I display di questi telecomandi variano da semplici pannelli LCD a matrice di punti a colore singolo a display OEL a colori facili da vedere alla luce del sole.
Ottimizzazione del processore di segnale digitale:arte o processo?
Esistono molte scuole di pensiero su come configurare un DSP. Sia che tu lo faccia utilizzando misurazioni strumentate o diverse tecniche acustiche, vogliamo ottenere una protezione adeguata per gli altoparlanti, una risposta in frequenza regolare da entrambi i canali del sistema audio e tempi di arrivo allineati da ciascun altoparlante.
Molti produttori di car audio addestrano i loro rivenditori in diversi metodi per ottenere una grande "messa a punto" sui veicoli dei loro clienti. Se stai cercando di migliorare il suono del tuo sistema di intrattenimento mobile e disponi già di ottimi altoparlanti e amplificatori, visita il tuo professionista dell'audio per auto locale. Saranno felici di dimostrare i vantaggi dei DSP e di fornirti le informazioni necessarie per prendere una decisione informata sull'acquisto di uno.