Procesorji digitalnega signala dvignejo vaš avdio sistem na višjo raven
Prilagajanje ali spreminjanje zvočnih signalov ni nič novega. Procesorji analognih signalov so v snemalnih studiih in na nastopih v živo že desetletja. Vse od izenačevalnikov do kretnic in kompresorjev je bilo zasnovano takrat, ko so bile elektronke priljubljene. Z napredkom tehnologije so se zmanjšali velikost, cena in kompleksnost signalnih procesorjev. Številne avtomobilske avdio izvorne enote zdaj vsebujejo več procesorske moči kot prvi snemalni studii. Ta članek obravnava procesorje digitalnih signalov (DSP), kaj počnejo in zakaj jih potrebujete.
Sovražno okolje
Če bi vzeli hišni zvočnik polnega razpona na odprto polje in izmerili frekvenčni odziv, bi videli dokaj ravno in gladko odzivno krivuljo. Če isti zvočnik odnesete v majhno sobo in znova izmerite odziv, boste videli vrhove in padce na različnih frekvencah. Te spremembe frekvenčnega odziva ne povzroči zvočnik, temveč prostor sam. Odsevi povzročajo vozlišča in protivozlišča (vrhove in padce), ki dramatično vplivajo na zaznan frekvenčni odziv zvočniškega sistema. Da bi čim bolj uživali v tem zvočniku, moramo za zvočnik uporabiti korekcijo signala, tako da je tisto, kar slišimo, podobno tistemu, kar bi izkusili na tem področju.
V avtomobilu nam zelo redko uspe sedeti neposredno na sredini levega in desnega zvočnika. Zvočnik je običajno dvakrat dlje od desnega zvočnika kot od levega. Najprej slišimo zvok levega zvočnika in zdi se, kot da ta zvočnik igra glasneje – ker je bližje. Imejte to v mislih, ko razpravljamo o procesorjih digitalnih signalov (DSP).
Omejitve zvočnikov
Noben posamezen zvočnik ne more reproducirati celotnega zvočnega spektra od 20 Hz do 20 kHz z natančnostjo, podrobnostmi in enakomerno disperzijo zvoka. Tudi če bi obstajal eden, ki bi to zmogel, bi bile stopnje popačenja v srednjetonskih in visokofrekvenčnih zvokih še vedno visoke zaradi zahtev zvočnika glede nizkih frekvenc. Zaradi tega uporabljamo več različnih zvočnikov za pokrivanje zvočnega pasu. Nizkotonci ali nizkotonci pokrivajo nizke tone in običajno predvajajo do 80 ali 100 hercev. Srednjetonski gonilniki pokrivajo območje od 100 Hz do okoli 4000 Hz. Nazadnje uporabljamo visokotonce za pokrivanje preostalih frekvenc nad 4000 Hz. Čeprav so to približki, so običajne točke križanja za te zvočnike.
Crossover je naprava, ki omejuje prehod zvočnih signalov. V avtomobilskem zvoku se uporabljata dve običajni vrsti:visokoprepustni in nizkoprepustni. Njihovo ime opisuje njihovo funkcijo. Visokopasnostna kretnica omogoča prehod frekvencam, ki so višje od točke kretnice, nizkoprepustnost pa omogoča prehod frekvencam pod točko kretnice. Visokofrekvenčna kretnica bi bila uporabljena, da globoki nizki toni ne prihajajo iz majhnih vrat ali zvočnika na armaturni plošči, medtem ko se nizkofrekvenčna kretnica uporablja za preprečevanje srednjetonskih in visokofrekvenčnih informacij iz nizkotonca. Kombiniramo lahko obe vrsti kretnic, da ustvarimo tako imenovano pasovno kretnico – omejili smo nizko- in visokofrekvenčne informacije. To bi uporabili na srednjetonskem zvočniku, ko bi ga kombinirali z nizkotoncem in visokotoncem. (O križanjih bomo podrobno razpravljali v drugem članku.)
V avtomobilskem zvoku uporabljamo aktivne in pasivne kretnice. Pasivne kretnice so kombinacija kondenzatorjev, uporov in induktorjev, ki jih priključimo na zvočniške žice med ojačevalcem in zvočnikom. Vedenje komponent in način njihove konfiguracije omejujeta, katere frekvence lahko prehajajo do zvočnika.
Aktivna kretnica je elektronska naprava, ki vpliva na frekvenčni odziv signala pred ojačevalnikom. Prednost aktivnih kretnic je, da jih je enostavno prilagoditi različnim frekvencam. Za prilagoditev frekvence prehoda pasivnega omrežja je treba zamenjati večino, če ne vseh komponent križanja.
Te informacije nam dajejo osnovno razumevanje, zakaj potrebujemo obdelavo signalov. Desetletja je industrija mobilne elektronike preživela in uspevala z uporabo analogne obdelave. Podjetja, kot so AudioControl, Phoenix Gold, Rockford Fosgate in Zapco, so izdelala izenačevalnike in kretnice, navdušenci pa so se zgrinjali k njim kot molji na ogenj.
Ko je računalniška moč napredovala, smo videli, da se pojavljajo izdelki, kot je Rockford Symmetry. Symmetry je bil elektronsko nadzorovan analogni procesor – fantastična stvaritev, ki je uporabnikom omogočala številne prilagoditve z ene same računalniške nadzorne plošče.
Naslednji razvoj v obdelavi signalov je bil narediti vse v digitalni domeni namesto analogne. Kako to deluje?
Gradniki
DSP je zmogljiv procesor zvočnega signala s strojno in programsko opremo, ki je optimizirana za izvajanje hitre obdelave v realnem času. Nekateri manj dragi procesorji vključujejo analogno-digitalne in digitalno-analogne pretvornike v samem čipu. Pri enotah višjega razreda so analogni pretvorniki zunanje komponente. Boljši D/A pretvorniki nudijo večjo ločljivost in izboljšano razmerje med signalom in šumom. Ko je zvočni signal v digitalni domeni, se en DSP ne razlikuje veliko od drugega. Algoritmi so napisani na podoben način za filtriranje, izravnavo in časovno poravnavo.
Zakaj bi želeli DSP in ne analognega procesorja? V DSP ni povezanih skrbi glede toleranc komponent ali temperaturnih variacij, ki bi vplivale na odziv obdelave. S pravim vmesnikom lahko uporabniki hitro dostopajo do različnih sistemskih prednastavitev in v svoje računalnike shranijo neomejeno število konfiguracij. Večina enot DSP ne vključuje analognih nastavitev, kot so potenciometri ali stikala, ki se lahko sčasoma umažejo ali obrabijo. Vibracije, ki bi lahko povzročile okvaro komponent v analognem sistemu, redko vplivajo na DSP.
Funkcije digitalnih signalnih procesorjev
Ko je analogni signal pretvorjen v digitalnega, je razpoložljiva obdelava signala omejena le s programsko opremo, ki je napisana za izbrano enoto. Omejitev funkcij programske opreme je običajno določena z razpoložljivim pomnilnikom samega procesorja. Potreben je prostor za shranjevanje programa in dodaten prostor za shranjevanje pretvorjenih analognih informacij, ko procesor dela z informacijami. Ko vidite en procesor z več funkcijami kot drugi, je razlika običajno v omejitvi pomnilnika.
Vhodi in seštevek signalov
Večina enot DSP na trgu lahko kombinira in prilagodi nivo zvočnih signalov na vhodu v DSP. Če imate radio s sprednjimi, zadnjimi in nizkotonskimi izhodi, boste morda želeli med obdelavo zvočnega signala ohraniti vse te kanale diskretno.
Kaj pa, ko poskušate integrirati s tovarniškim ojačevalnikom? Morda imate izhod srednjetonca in visokotonca na sprednjih vratih iz ojačevalnika, ki ga morate uporabiti za svoje nove sprednje zvočnike. Večina procesorjev digitalnih signalov vam bo omogočila združevanje signalov iz več vhodov za olajšanje takšnih aplikacij.
Ker imajo različni viri različne najvišje napetosti, imajo vhodi v vaš DSP nastavljivo občutljivost. Tako kot pri nadzoru ojačanja na ojačevalniku, želimo nastaviti vhodne ojačanja na našem DSP-ju, da povečamo razmerje med signalom in šumom procesorja.
Križanja in filtriranje
Kot smo omenili, so zvočniki različnih velikosti zasnovani tako, da svojo zmogljivost osredotočajo na različne zvočne razpone. 3-palčni srednjetonec ne bo predvajal istega frekvenčnega območja kot 1-palčni visokotonec ali 6,5-palčni nizkotonec. Crossoverje v DSP-ju uporabljamo za razdelitev frekvenc, poslanih vsakemu izhodu in zvočniku.
Prednost izvajanja celotne obdelave križanj v digitalni domeni je, da številni procesorji digitalnih signalov ponujajo različne poravnave križnih filtrov in strmine. Poravnava opisuje obliko roll-off okoli točke -3 dB. Ta oblika vpliva tudi na to, kako se signali akustično seštejejo. Možnosti so Butterworth, Linkwitz-Riley, Chebychev, Bessel in drugi. Ne gre za to, da je eden boljši od drugega, ampak da je vsak poseben in drugačen. Lahko bi napisali cel članek o križnih poravnavah.
Nagib križišča opisuje, kako hitro se zvok preneha predvajati, ko se signal oddaljuje od točke križanja. Ker je vse digitalno, večina digitalnih signalnih procesorjev ponuja naklone od -6 dB do -48 dB na oktavo, v korakih po 6 dB ali 12 dB, odvisno od izbrane poravnave. V večini primerov z DSP-ji 24 dB/oktavo Linkwitz-Rileyjevega filtriranja deluje precej dobro, vendar obstaja na desetine različnih pristopov uglaševanja, zato uporabite tistega, ki vam ustreza.
Časovna poravnava in zakasnitev signala
Ena najbolj kul lastnosti procesorja digitalnih signalov je njegova sposobnost shranjevanja zvočnega signala za različno količino časa, preden ga pošlje zvočniku. Ta sposobnost shranjevanja omogoča ustrezno usposobljenemu monterju, da zakasni signal, ki gre do zvočnikov, ki so najbližje poslušalcu, tako da zvok, ki ga ustvarijo, prispe na položaj poslušanja istočasno kot ostali zvočniki. Pri štiristeznih sistemih (nizkotonec, srednji bas, srednjetonec in visokotonec) lahko ta nastavitev in natančno uravnavanje traja nekaj časa.
Izenačevanje
Zmožnost natančnega prilagajanja frekvenčnega odziva vsakega zvočnika v avdio sistemu je velik ključ do zagotavljanja zvoka tega sistema neverjetno. Izmeriti moramo odziv vsakega zvočnika na položaju poslušanja, nato prilagoditi izenačevalnik, tako da vsak zvočnik proizvede gladek odziv. To lahko dosežete na več načinov.
Grafični izenačevalniki običajno ponujajo 31 pasov izenačevanja na kanal in so med seboj oddaljeni 1/3 oktave. Ta razmik običajno zagotavlja dovolj frekvenčne ločljivosti za rešitev težav z odzivom. Grafične izenačevalnike je enostavno razumeti:izberete želeni frekvenčni pas, nato pa povečate ali zmanjšate signal za količino po vaši izbiri.
Parametrični izenačevalniki so veliko močnejši, vendar jih je lahko nekoliko težje konfigurirati. V parametričnem izenačevalniku lahko uporabnik izbere frekvenco, pasovno širino in količino povečanja ali zmanjšanja signala. Razumevanje izbire frekvence je preprosto, vendar je razumevanje faktorja Q filtra težje. Ko gre za Q, je osnovni koncept, da višja številka pomeni, da prilagoditev pasu vpliva na ožji razpon frekvenc. Nizko število, na primer 0,7 ali 1, pokriva širši razpon frekvenc. Natančna nastavitev parametričnega izenačevalnika zahteva nekaj vaje. Kljub temu bodo nekatere programske aplikacije samodejno zagotovile informacije o nastavitvah, potem ko izmerite frekvenčni odziv zvočnika ali sistema.
Izhodna raven in daljinski upravljalniki
Zmožnost natančnega prilagajanja izhodne ravni vsakega zvočnika je ključnega pomena za delovanje avdio sistema. Da bi dosegli natančno in uravnoteženo zvočno kuliso, je treba amplitudo (nivo) vsakega zvočnika v sistemu prilagoditi zelo natančno. Nadzor izhodne ravni je prav tako zelo pomemben za ujemanje učinkovitosti različnih zvočnikov.
Številne enote DSP imajo možnost daljinskega upravljanja. S temi kontrolniki je mogoče prilagoditi splošno glasnost sistema in prilagoditi izhodni nivo nizkotonskega zvočnika, običajno pa lahko naložijo prednastavitve za procesor. Naprednejši krmilniki vam omogočajo dostop do nekaterih funkcij za nastavitev sistema, kar vam omogoča prilagajanje brez potrebe po prenosnem računalniku. Zasloni na teh daljinskih upravljalnikih se razlikujejo od preprostih enobarvnih matričnih LCD plošč do polnobarvnih zaslonov OEL, ki jih je dobro videti na močni sončni svetlobi.
Uglaševanje procesorja digitalnega signala – umetnost ali proces?
Obstaja veliko šol razmišljanja o tem, kako konfigurirati DSP. Ne glede na to, ali to izvajate z instrumentiranimi meritvami ali različnimi akustičnimi tehnikami, želimo doseči ustrezno zaščito zvočnikov, gladek frekvenčni odziv obeh kanalov avdio sistema in usklajene čase prihoda vsakega zvočnika.
Številni proizvajalci avtomobilskih zvočnih sistemov svoje trgovce učijo o različnih metodah doseganja odlične »uglasitve« na vozilih svojih strank. Če želite izboljšati zvok svojega mobilnega sistema za zabavo in že imate odlične zvočnike in ojačevalnike, obiščite lokalnega strokovnjaka za avtoradio. Z veseljem vam bodo prikazali prednosti DSP-jev in vam zagotovili informacije, ki jih potrebujete za poučeno odločitev o nakupu.