Processori di Segnale Digitale: Porta il Tuo Impianto Audio al Livello Successivo
Regolare o modificare segnali audio non è nulla di nuovo. I processori di segnale analogici sono stati negli studi di registrazione e spettacoli live per decenni. Tutto, da equalizzatori a crossover e compressori, fu concepito quando le valvole erano popolari. Man mano che la tecnologia avanzava, dimensioni, costo e complessità dei processori diminuivano. Ora, molte unità sorgente car audio contengono più potenza di elaborazione dei primi studi di registrazione. Questo articolo esamina i processori di segnale digitale (DSP), cosa fanno e perché ne avete bisogno.
Un Ambiente Ostile
Se portassimo un altoparlante full-range domestico in un campo aperto e misurassimo la risposta in frequenza, vedremmo una curva abbastanza piatta e liscia. Se portate quello stesso altoparlante in una stanza piccola e misurate di nuovo, vedrete picchi e avvallamenti a varie frequenze. Questo cambiamento non è causato dall'altoparlante, ma dalla stanza stessa. Le riflessioni causano nodi e anti-nodi (picchi e valli) che influenzano drammaticamente la risposta in frequenza percepita. Per massimizzare il nostro godimento di quell'altoparlante, dobbiamo applicare correzione del segnale così che ciò che sentiamo sia simile a ciò che avremmo sperimentato in quel campo.
In un'auto, siamo molto raramente in grado di sederci esattamente al centro tra altoparlante sinistro e destro. Il guidatore è solitamente due volte più lontano dall'altoparlante destro che dal sinistro. Sentiamo l'output del sinistro per primo e sembra che suoni più forte – perché è più vicino. Tenete questo in mente mentre discutiamo i processori di segnale digitale (DSP).
Limitazioni degli Altoparlanti
Nessun singolo altoparlante può riprodurre l'intero spettro audio da 20 Hz a 20 kHz con accuratezza, dettaglio e dispersione uniforme. Anche se ce ne fosse uno, i livelli di distorsione su medie e alte frequenze sarebbero ancora alti per i requisiti di escursione alle basse frequenze. Per questo, usiamo diversi altoparlanti per coprire la banda audio. Woofer o subwoofer coprono i bassi, tipicamente fino a 80-100 Hz. I driver midrange coprono da 100 Hz a circa 4.000 Hz. Infine, usiamo tweeter per le frequenze sopra 4.000 Hz. Queste sono approssimazioni, ma sono punti di crossover comuni.
Un crossover è un dispositivo che limita il passaggio di segnali audio. Ci sono due tipi comuni in car audio: passa-alto e passa-basso. Il nome descrive la funzione. Un passa-alto permette frequenze superiori al punto di crossover, un passa-basso permette frequenze inferiori. Un passa-alto serve a tenere i bassi profondi fuori da un piccolo altoparlante portiera o cruscotto, mentre un passa-basso tiene medie e alte fuori da un subwoofer. Possiamo combinare entrambi per produrre un crossover passa-banda – limitiamo info bassa e alta. Lo useremmo su un midrange combinandolo con woofer e tweeter. (Discuteremo crossover in dettaglio in un altro articolo.)
In car audio, usiamo crossover sia attivi che passivi. I crossover passivi sono combinazione di condensatori, resistenze e induttori che connettiamo ai cavi altoparlanti tra amplificatore e altoparlante. Il comportamento dei componenti e come sono configurati limita quali frequenze passano all'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 a frequenze diverse. La maggior parte, se non tutti, i componenti di crossover passivo devono essere sostituiti per regolare la frequenza di crossover di una rete passiva.
Questa informazione ci dà una comprensione base del perché serve elaborazione del segnale. Per decenni, l'industria mobile electronics è sopravvissuta e prosperata usando elaborazione analogica. Aziende come AudioControl, Phoenix Gold, Rockford Fosgate e Zapco facevano equalizzatori e crossover, e gli appassionati ci si fiondavano come falene alla fiamma.
Man mano che la potenza di calcolo avanzava, vedemmo prodotti come Rockford Symmetry. Il Symmetry era un processore analogico controllato elettronicamente – una creazione fantastica che permetteva agli utenti di fare molte regolazioni da un singolo pannello di controllo computerizzato.
La prossima evoluzione fu fare tutto nel dominio digitale, invece che analogico. Come funziona?
Blocchi Costitutivi
Un DSP è un potente processore di segnale audio con hardware e software ottimizzati per elaborazione ad alta velocità in tempo reale. Alcuni processori meno costosi includono convertitori analogico-digitale e digitale-analogico dentro il chip stesso. Sulle unità di fascia alta, i convertitori analogici sono componenti esterni. Convertitori D/A migliori offrono risoluzione aumentata e miglior rapporto segnale-rumore. Una volta che il segnale audio è nel dominio digitale, un DSP non varia molto da un altro. Algoritmi sono scritti in modo simile per filtraggio, equalizzazione e allineamento temporale.
Perché vorremmo un DSP e non un processore analogico? In un DSP, non ci sono preoccupazioni associate su tolleranze componenti o variazioni di temperatura che influenzano la risposta dell'elaborazione. Con l'interfaccia giusta, gli utenti possono accedere rapidamente a diversi preset di sistema e memorizzare un numero illimitato di configurazioni sui loro computer. La maggior parte delle unità DSP non include regolazioni analogiche, come potenziometri o interruttori, che possono sporcarsi o usurarsi col tempo. Vibrazioni che potrebbero causare guasti componenti in un sistema analogico raramente influenzano i DSP.
Caratteristiche dei Processori di Segnale Digitale
Una volta che un segnale analogico è convertito in digitale, l'elaborazione disponibile è limitata solo dal software scritto per l'unità scelta. Il limite sulle funzioni del software è tipicamente determinato dalla memoria disponibile del processore. Ci vuole spazio per memorizzare il programma, e spazio aggiuntivo per memorizzare l'informazione analogica convertita mentre il processore lavora con l'informazione. Quando vedete un processore con più funzioni di un altro, la differenza è solitamente una limitazione di memoria.
Ingressi e Somma Segnali
La maggior parte delle unità DSP sul mercato possono combinare e regolare il livello dei segnali audio sull'ingresso al DSP. Se avete una radio con uscite frontali, posteriori e subwoofer, potreste voler mantenere tutti questi canali discreti mentre elaborate il segnale audio.
Cosa succede quando cercate di integrare con un amplificatore di serie? Forse avete un output midrange e tweeter portiera anteriore da un amplificatore che dovete usare per i vostri nuovi altoparlanti anteriori. La maggior parte dei processori di segnale digitale permetterà di combinare segnali da ingressi multipli per facilitare applicazioni come questa.
Poiché diverse sorgenti hanno diversi livelli di tensione di picco, gli ingressi al vostro DSP hanno sensibilità regolabili. Proprio come il controllo gain su un amplificatore, vogliamo impostare i gain d'ingresso sul nostro DSP per massimizzare il rapporto segnale-rumore del processore.
Crossover e Filtraggio
Come accennato, altoparlanti di diverse dimensioni sono progettati per focalizzare le prestazioni in diverse gamme audio. Un midrange da 3 pollici non suonerà la stessa gamma di un tweeter da 1 pollice o un woofer da 6,5 pollici. Usiamo i crossover nel DSP per dividere le frequenze inviate a ogni output e altoparlante.
Un vantaggio di fare tutto l'elaborazione crossover nel dominio digitale è che molti DSP offrono diversi allineamenti di filtro crossover e pendenze di roll-off. L'allineamento descrive la forma del roll-off attorno al punto -3 dB. Questa forma influenza anche come i segnali sommano acusticamente. Opzioni: Butterworth, Linkwitz-Riley, Chebychev, Bessel e altro. Non è che uno sia meglio, ma che ciascuno è distinto e diverso. Potremmo scrivere un intero articolo sugli allineamenti crossover.
La pendenza del crossover descrive quanto velocemente l'audio smette di suonare mentre un segnale si allontana dal punto di crossover. Poiché è tutto digitale, la maggior parte dei DSP offre pendenze da -6 dB a -48 dB per ottava, in step di 6 o 12 dB, a seconda dell'allineamento scelto. Nella maggior parte dei casi con DSP, 24 dB/Ottava Linkwitz-Riley funziona abbastanza bene, ma ci sono dozzine di approcci di tuning diversi, quindi usate ciò che funziona bene per voi.
Allineamento Temporale e Ritardo Segnale
Una delle funzioni più interessanti di un DSP è la sua capacità di memorizzare il segnale audio per una quantità variabile di tempo prima di inviarlo all'altoparlante. Questa capacità di memorizzazione permette a un installatore propriamente addestrato di ritardare il segnale verso gli altoparlanti più vicini all'ascoltatore così che il suono da loro arrivi alla posizione d'ascolto nello stesso momento del resto degli altoparlanti. Per sistemi a quattro vie (subwoofer, midbass, midrange, tweeter), questa configurazione e messa a punto può richiedere un po' di tempo.
Equalizzazione
La capacità di mettere a punto finemente la risposta in frequenza di ogni altoparlante in un impianto audio è una chiave enorme per far suonare quel sistema in modo straordinario. Dobbiamo misurare la risposta di ogni altoparlante in posizione d'ascolto, poi regolare l'equalizzatore così che ogni altoparlante produca una risposta liscia. Ci sono molti modi per ottenere questo.
Gli equalizzatori grafici offrono tipicamente 31 bande di equalizzazione per canale spaziate a 1/3 di ottava. Questa spaziatura fornisce solitamente abbastanza risoluzione in frequenza per risolvere problemi di risposta. Gli equalizzatori grafici sono facili da capire: scegliete la banda di frequenza desiderata, poi boostate o tagliate il segnale dell'importo scelto.
Gli equalizzatori parametrici sono molto più potenti, ma possono essere un po' più difficili da configurare. In un equalizzatore parametrico, l'utente può scegliere frequenza, banda e quantità di boost o riduzione. Capire la selezione della frequenza è semplice, ma capire il fattore Q del filtro è più difficile. Quando si tratta di Q, il concetto base è che un numero più alto significa che l'aggiustamento di banda influenza una gamma di frequenze più stretta. Un numero basso, come 0,7 o 1, copre una gamma più ampia. Impostare accuratamente un equalizzatore parametrico richiede pratica. Detto questo, alcune applicazioni software forniranno info di impostazione automaticamente dopo aver misurato la risposta in frequenza dell'altoparlante o sistema.
Livello Uscita e Controlli Remoti
Avere la capacità di mettere a punto finemente il livello di uscita di ogni altoparlante è critico per le prestazioni di un impianto audio. Per ottenere un soundstage accurato e bilanciato, l'ampiezza (livello) di ogni altoparlante nel sistema deve essere regolata molto accuratamente. Il controllo livello uscita è anche importante per abbinare l'efficienza dei diversi altoparlanti.
Molte unità DSP hanno l'opzione di un telecomando. Questi controlli possono regolare il volume generale del sistema e il livello di uscita subwoofer, e tipicamente caricare preset per il processore. Controller più avanzati danno accesso ad alcune funzioni di tuning, permettendo regolazioni senza computer portatile. Display su questi telecomandi variano da semplici pannelli LCD monocromatici a display OEL a colori pieni facili da vedere in piena luce solare.
Tuning Processore Segnale Digitale – Arte o Processo?
Ci sono molte scuole di pensiero su come configurare un DSP. Che lo facciate usando misurazioni strumentali o diverse tecniche acustiche, vogliamo ottenere protezione adeguata per gli altoparlanti, risposta in frequenza liscia da entrambi i canali del sistema audio e tempi di arrivo allineati da ogni altoparlante.
Molti produttori car audio addestrano i loro dealer in diversi metodi per ottenere un ottimo "tune" sui veicoli clienti. Se cercate di migliorare il suono del vostro sistema di intrattenimento mobile e avete già ottimi altoparlanti e amplificatori, visitate il vostro professionista car audio locale. Saranno felici di dimostrare i benefici dei DSP e fornirvi le info per prendere una decisione educata sull'acquisto.