Procesori digitalnog signala podižu vaš audio sustav na višu razinu

Prilagodba ili izmjena audio signala nije ništa novo. Procesori analognog signala prisutni su u studijima za snimanje i nastupima uživo već desetljećima. Sve, od ekvilajzera do skretnica i kompresora, osmišljeno je još kad su vakuumske cijevi bile popularne. Kako je tehnologija napredovala, smanjivali su se veličina, cijena i složenost procesora signala. Sada mnoge audio izvorne jedinice za automobile imaju veću procesorsku snagu od ranih studija za snimanje. Ovaj članak govori o procesorima digitalnih signala (DSP), čemu služe i zašto su vam potrebni.

Neprijateljsko okruženje

Kada bismo iznijeli kućni zvučnik punog raspona na otvoreno polje i izmjerili frekvencijski odziv, vidjeli bismo prilično ravna i glatka krivulja odziva. Ako taj isti zvučnik odnesete u malu prostoriju i ponovno izmjerite odziv, vidjet ćete vrhove i padove na različitim frekvencijama. Ovu promjenu frekvencijskog odziva ne uzrokuje zvučnik, već sama prostorija. Refleksije uzrokuju čvorove i antičvorove (vrhove i doline) koji dramatično utječu na percipirani frekvencijski odziv sustava zvučnika. Da bismo maksimalno uživali u tom zvučniku, moramo primijeniti korekciju signala na zvučniku tako da ono što čujemo bude slično onome što bismo iskusili u tom polju.

U automobilu vrlo rijetko možemo sjediti direktno na sredini lijevog i desnog zvučnika. Vozač je obično dvostruko udaljeniji od desnog zvučnika nego od lijevog. Prvo čujemo zvuk lijevog zvučnika i čini se kao da taj zvučnik svira glasnije – jer je bliže. Imajte ovo na umu dok budemo raspravljali o digitalnim procesorima signala (DSP).

Ograničenja zvučnika

Niti jedan zvučnik ne može reproducirati cijeli audio spektar od 20 Hz do 20 kHz s točnošću, detaljima i ravnomjernom disperzijom zvuka. Čak i kad bi postojao jedan koji bi to mogao učiniti, razine izobličenja u srednjotonskim i visokofrekventnim zvukovima i dalje bi bile visoke zbog zahtjeva zvučnika za ekskurziju na niskim frekvencijama. Zbog toga koristimo nekoliko različitih zvučnika za pokrivanje audio pojasa. Wooferi ili subwooferi pokrivaju bas i obično sviraju do 80 ili 100 herca. Srednjetonski drajveri pokrivaju raspon od 100 Hz do oko 4000 Hz. Na kraju, koristimo visokotonce za pokrivanje ostatka frekvencija iznad 4000 Hz. Iako su ovo aproksimacije, to su uobičajene točke križanja za ove zvučnike.

Skretnica je uređaj koji ograničava prolaz audio signala. Dva su uobičajena tipa koja se koriste u zvuku automobila:visokopropusni i niskopropusni. Njihovo ime opisuje njihovu funkciju. Visokopropusna skretnica omogućuje prolaz frekvencijama višim od točke skretanja, a niskopropusna omogućuje prolaz frekvencijama ispod točke skretnice. Visokopropusna skretnica bi se koristila kako bi se duboki bas zadržao izvan zvučnika malih vrata ili instrument ploče, dok bi se niskopropusna skretnica koristila kako bi se spriječile srednjetonske i visokofrekventne informacije iz subwoofera. Možemo kombinirati obje vrste skretnica kako bismo proizveli ono što je poznato kao skretnica pojasnog prolaza – ograničili smo informacije o niskim i visokim frekvencijama. Ovo bismo koristili na srednjetonskom zvučniku kada bi ga kombinirali s wooferom i visokotoncem. (Detaljno ćemo raspravljati o križanjima u drugom članku.)

U zvuku automobila koristimo aktivne i pasivne skretnice. Pasivne skretnice su kombinacija kondenzatora, otpornika i induktora koje spajamo na žice zvučnika između pojačala i zvučnika. Ponašanje komponenti i način na koji su konfigurirane ograničava frekvencije koje smiju proći do zvučnika.

Aktivna skretnica je elektronički uređaj koji utječe na frekvencijski odziv signala prije pojačala. Prednost aktivnih skretnica je u tome što ih je lako prilagoditi različitim frekvencijama. Većina, ako ne i sve komponente skretnice moraju se zamijeniti kako bi se prilagodila frekvencija skretnice pasivne mreže.

Ove informacije nam daju osnovno razumijevanje zašto nam je potrebna obrada signala. Desetljećima je industrija mobilne elektronike preživjela i napredovala koristeći analognu obradu. Tvrtke kao što su AudioControl, Phoenix Gold, Rockford Fosgate i Zapco napravile su ekvilajzere i skretnice, a entuzijasti su ih prihvatili kao moljce na vatru.

Kako je računalna snaga napredovala, vidjeli smo kako se pojavljuju proizvodi poput Rockford Symmetry. Symmetry je bio elektronički kontrolirani analogni procesor – fantastična kreacija koja je korisnicima omogućila mnoga podešavanja s jedne računalne upravljačke ploče.

Sljedeća evolucija u obradi signala bila je raditi sve u digitalnoj domeni, umjesto u analognoj. Kako to funkcionira?

Sastavni elementi

DSP je moćan procesor audio signala s hardverom i softverom koji je optimiziran za izvođenje brze obrade u stvarnom vremenu. Neki od manje skupih procesora uključuju analogno-digitalne i digitalno-analogne pretvarače unutar samog čipa. Na jedinicama više klase, analogni pretvarači su vanjske komponente. Bolji D/A pretvarači nude povećanu rezoluciju i poboljšane performanse omjera signala i šuma. Jednom kada je audio signal u digitalnoj domeni, jedan DSP se ne razlikuje mnogo od drugog. Algoritmi su napisani na sličan način za filtriranje, izjednačavanje i vremensko usklađivanje.

Zašto bismo htjeli DSP, a ne analogni procesor? U DSP-u nema povezanih briga o tolerancijama komponenti ili temperaturnim varijacijama koje će utjecati na odziv obrade. S pravim sučeljem, korisnici mogu brzo pristupiti različitim postavkama sustava i pohraniti neograničen broj konfiguracija na svojim računalima. Većina DSP jedinica ne uključuje nikakve analogne prilagodbe, poput potenciometara ili prekidača, koji se mogu zaprljati ili istrošiti tijekom vremena. Vibracije koje bi mogle dovesti do kvara komponente u analognom sustavu rijetko utječu na DSP.

Značajke digitalnih procesora signala

Nakon što se analogni signal pretvori u digitalni, dostupna obrada signala ograničena je samo softverom koji je napisan za odabranu jedinicu. Ograničenje značajki softvera obično je određeno dostupnom memorijom samog procesora. Potreban je prostor za pohranu programa i dodatni prostor za pohranu pretvorenih analognih informacija dok procesor radi s informacijama. Kada vidite jedan procesor s više značajki od drugog, razlika je obično u ograničenju memorije.

Ulazi i zbrajanje signala

Većina DSP jedinica na tržištu može kombinirati i prilagoditi razinu audio signala na ulazu u DSP. Ako imate radio s prednjim, stražnjim i subwoofer izlazima, možda ćete htjeti zadržati sve te kanale diskretno dok obrađujete audio signal.

Što kada se pokušavate integrirati s tvorničkim pojačalom? Možda imate izlaz za srednjetonce i visokotonce na ulaznim vratima iz pojačala koje trebate koristiti za svoje nove prednje zvučnike. Većina procesora digitalnih signala omogućit će vam kombiniranje signala s višestrukih ulaza kako bi se olakšale ovakve aplikacije.

Budući da različiti izvori imaju različite vršne razine napona, ulazi u vaš DSP imaju podesive osjetljivosti. Baš poput kontrole pojačanja na pojačalu, želimo postaviti ulazne dobitke na našem DSP-u kako bismo maksimalno povećali omjer signala i šuma procesora.

Križnice i filtriranje

Kao što smo spomenuli, zvučnici različitih veličina dizajnirani su za fokusiranje svoje izvedbe unutar različitih audio raspona. Srednjotonac od 3 inča neće reproducirati isti frekvencijski raspon kao visokotonac od 1 inča ili niskotonac od 6,5 inča. Koristimo skretnice u DSP-u da podijelimo frekvencije koje se šalju svakom izlazu i zvučniku.

Prednost obavljanja cjelokupne obrade skretnice u digitalnoj domeni je ta što mnogi digitalni procesori signala nude različita poravnanja filtara skretnice i nagibe okretanja. Poravnanje opisuje oblik roll-offa oko točke -3 dB. Ovaj oblik također utječe na to kako se signali akustički zbrajaju. Opcije su Butterworth, Linkwitz-Riley, Chebychev, Bessel i drugi. Ne radi se o tome da je jedan bolji od drugog, već da je svaki zaseban i drugačiji. Mogli bismo napisati cijeli članak o crossover poravnanjima.

Nagib skretnice opisuje koliko brzo zvuk prestaje svirati kako se signal udaljava od točke skretnice. Budući da je sve digitalno, većina digitalnih procesora signala nudi nagibe od -6 dB do -48 dB po oktavi, u koracima od 6 dB ili 12 dB, ovisno o odabranom poravnanju. U većini slučajeva s DSP-ovima, Linkwitz-Riley filtriranje od 24 dB/oktavi radi prilično dobro, ali postoje deseci različitih pristupa ugađanju, stoga koristite ono što vam odgovara.

Vremensko usklađivanje i kašnjenje signala

Jedna od najboljih značajki digitalnog procesora signala je njegova sposobnost pohranjivanja audio signala na različito vrijeme prije nego što se pošalje zvučniku. Ova sposobnost pohranjivanja omogućuje pravilno obučenom instalateru da odgodi signal koji ide do zvučnika koji su najbliži slušatelju tako da zvuk koji oni stvaraju stiže na mjesto slušanja u isto vrijeme kad i ostali zvučnici. Za četverostazne sustave (subwoofer, srednji bas, srednjetonac i visokotonac), ovo postavljanje i fino ugađanje može potrajati malo vremena.

Izjednačavanje

Mogućnost finog podešavanja frekvencijskog odziva svakog zvučnika u audiosustavu ključna je za postizanje zvuka tog sustava nevjerojatno. Moramo izmjeriti odziv svakog zvučnika na mjestu slušanja, zatim podesiti ekvilizator tako da svaki zvučnik proizvodi glatki odziv. Postoji mnogo načina da se to postigne.

Grafički ekvilizatori obično nude 31 pojas ekvilizacije po kanalu i međusobno su razmaknuti 1/3 oktave. Ovaj razmak obično pruža dovoljnu razlučivost frekvencije za rješavanje problema s odgovorom. Grafički ekvalizator je lako razumjeti:odaberete željeni frekvencijski pojas, zatim pojačate ili smanjite signal za količinu po svom izboru.

Parametarski ekvilajzeri mnogo su moćniji, ali ih je malo teže konfigurirati. U parametarskom ekvilizatoru korisnik može odabrati frekvenciju, propusnost i količinu pojačanja ili smanjenja signala. Razumijevanje odabira frekvencije je jednostavno, ali razumijevanje Q faktora filtra je teže. Kada je u pitanju Q, osnovni koncept je da veći broj znači da prilagodba pojasa utječe na uži raspon frekvencija. Mali broj, poput 0,7 ili 1, pokriva širi raspon frekvencija. Točno postavljanje parametarskog ekvilizatora zahtijeva malo vježbe. Ipak, neke će softverske aplikacije automatski pružiti informacije o postavkama nakon što izmjerite frekvencijski odziv zvučnika ili sustava.

Izlazna razina i daljinski upravljači

Mogućnost finog podešavanja izlazne razine svakog zvučnika ključna je za performanse audio sustava. Kako bi se postigla točna i uravnotežena zvučna kulisa, amplituda (razina) svakog zvučnika u sustavu mora biti vrlo precizno podešena. Kontrola izlazne razine također je vrlo važna za usklađivanje učinkovitosti različitih zvučnika.

Mnoge DSP jedinice imaju opciju daljinskog upravljanja. Ove se kontrole mogu koristiti za prilagodbu ukupne glasnoće sustava i prilagodbu izlazne razine subwoofera, a obično mogu učitati unaprijed postavljene postavke za procesor. Napredniji kontroleri daju vam pristup nekim od značajki podešavanja sustava, omogućujući vam da izvršite podešavanja bez potrebe za prijenosnim računalom. Zasloni na ovim daljinskim upravljačima variraju od jednostavnih jednobojnih matričnih LCD panela do OEL zaslona u boji koji se lako vide na jakom suncu.

Ugađanje procesora digitalnog signala – umjetnost ili proces?

Postoje mnoge škole mišljenja o tome kako konfigurirati DSP. Bez obzira radite li to pomoću instrumentalnih mjerenja ili različitih akustičkih tehnika, želimo postići odgovarajuću zaštitu za zvučnike, glatki frekvencijski odziv iz oba kanala audio sustava i usklađeno vrijeme dolaska iz svakog zvučnika.

Mnogi proizvođači audio sustava za automobile obučavaju svoje prodavače različitim metodama postizanja izvrsne "štimbe" na vozilima svojih kupaca. Ako želite poboljšati zvuk svog mobilnog sustava za zabavu, a već imate sjajne zvučnike i pojačala, posjetite lokalnog stručnjaka za auto audio. Oni će rado demonstrirati prednosti DSP-a i pružiti vam informacije koje su vam potrebne da donesete obrazovanu odluku o kupnji jednog.