Цифровые сигнальные процессоры выводят вашу аудиосистему на новый уровень

В настройке или изменении аудиосигналов нет ничего нового. Аналоговые сигнальные процессоры десятилетиями используются в студиях звукозаписи и на живых выступлениях. Все, от эквалайзеров до кроссоверов и компрессоров, было задумано еще тогда, когда были популярны электронные лампы. По мере развития технологий размер, стоимость и сложность сигнальных процессоров уменьшались. Теперь многие автомобильные аудиоустройства обладают большей вычислительной мощностью, чем ранние студии звукозаписи. В этой статье рассматриваются цифровые сигнальные процессоры (DSP), что они делают и зачем они нужны.

Враждебная среда

Если бы мы взяли полнодиапазонную домашнюю колонку в открытое поле и измерили бы частотную характеристику, мы бы увидели довольно плоская и плавная кривая отклика. Если вы перенесете тот же динамик в маленькую комнату и еще раз измерите отклик, вы увидите пики и провалы на разных частотах. Это изменение частотной характеристики вызвано не динамиком, а самой комнатой. Отражения вызывают узлы и пучности (пики и впадины), которые резко влияют на воспринимаемую частотную характеристику акустической системы. Чтобы максимизировать наше удовольствие от этого динамика, нам нужно применить коррекцию сигнала к динамику, чтобы то, что мы слышим, было похоже на то, что мы испытали бы в этой области.

В машине нам очень редко удается сесть прямо посередине левого и правого динамиков. Водитель обычно находится в два раза дальше от правого динамика, чем от левого. Сначала мы слышим выход левого динамика, и кажется, что этот динамик играет громче, потому что он ближе. Помните об этом, когда мы будем обсуждать цифровые сигнальные процессоры (DSP).

Ограничения по количеству выступающих

Ни один динамик не может воспроизвести весь звуковой спектр от 20 Гц до 20 кГц с точностью, детализацией и равномерным рассеиванием звука. Даже если бы существовал тот, кто мог бы это сделать, уровни искажений в среднечастотных и высокочастотных звуках все равно были бы высокими из-за требований к отклонению динамика на низких частотах. Из-за этого мы используем несколько разных динамиков для охвата звукового диапазона. Низкочастотные динамики или сабвуферы покрывают басы и обычно воспроизводят частоты до 80 или 100 Гц. Среднечастотные драйверы охватывают диапазон от 100 Гц до 4000 Гц. Наконец, мы используем твитеры, чтобы покрыть остальные частоты выше 4000 Гц. Хотя это приблизительные значения, они являются общими точками пересечения для этих динамиков.

Кроссовер — это устройство, ограничивающее прохождение звуковых сигналов. В автомобильной аудиосистеме используются два распространенных типа:фильтр верхних частот и фильтр нижних частот. Их название описывает их функцию. Кроссовер верхних частот позволяет проходить частотам выше точки кроссовера, а фильтр нижних частот позволяет проходить частотам ниже точки кроссовера. Кроссовер верхних частот будет использоваться для предотвращения проникновения глубоких басов в небольшую дверь или динамик на приборной панели, а кроссовер нижних частот используется для предотвращения попадания средних и высоких частот в сабвуфер. Мы можем комбинировать оба типа кроссоверов, чтобы получить то, что известно как кроссовер с полосой пропускания — мы ограничили низко- и высокочастотную информацию. Мы бы использовали это на среднечастотном динамике в сочетании с низкочастотным динамиком и твитером. (Мы подробно обсудим кроссоверы в другой статье.)

В автозвуке мы используем как активные, так и пассивные кроссоверы. Пассивные кроссоверы представляют собой комбинацию конденсаторов, резисторов и катушек индуктивности, которые мы подключаем к проводам динамиков между усилителем и динамиком. Поведение компонентов и их конфигурация ограничивают частоты, которые могут передаваться динамику.

Активный кроссовер — это электронное устройство, влияющее на частотную характеристику сигнала перед усилителем. Преимущество активных кроссоверов в том, что их легко настроить на разные частоты. Большинство, если не все компоненты кроссовера необходимо заменить, чтобы отрегулировать частоту кроссовера пассивной сети.

Эта информация дает нам базовое понимание того, зачем нам нужна обработка сигналов. На протяжении десятилетий индустрия мобильной электроники выживала и процветала благодаря аналоговой обработке. Такие компании, как AudioControl, Phoenix Gold, Rockford Fosgate и Zapco, производили эквалайзеры и кроссоверы, и энтузиасты слетались на них, как мотыльки на пламя.

По мере роста вычислительной мощности мы видели, как появляются такие продукты, как симметрия Рокфорда. Symmetry представлял собой аналоговый процессор с электронным управлением — фантастическое творение, которое позволяло пользователям выполнять множество настроек с одной компьютеризированной панели управления.

Следующая эволюция в обработке сигналов заключалась в том, чтобы все делать в цифровой области, а не в аналоговой. Как это работает?

Основные блоки

DSP — это мощный процессор аудиосигналов с аппаратным и программным обеспечением, оптимизированным для выполнения высокоскоростной обработки в режиме реального времени. Некоторые из менее дорогих процессоров включают аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи внутри самого чипа. В более дорогих устройствах аналоговые преобразователи являются внешними компонентами. Усовершенствованные цифро-аналоговые преобразователи обеспечивают повышенное разрешение и улучшенное соотношение сигнал/шум. Как только аудиосигнал находится в цифровой области, один DSP не сильно отличается от другого. Алгоритмы написаны аналогичным образом для фильтрации, выравнивания и временного выравнивания.

Почему нам нужен DSP, а не аналоговый процессор? В DSP нет связанных проблем с допусками компонентов или изменениями температуры, которые могут повлиять на реакцию обработки. С правильным интерфейсом пользователи могут быстро получить доступ к различным системным настройкам и хранить неограниченное количество конфигураций на своих компьютерах. Большинство устройств DSP не имеют аналоговых регулировок, таких как потенциометры или переключатели, которые со временем могут загрязняться или изнашиваться. Вибрации, которые могут привести к выходу из строя компонентов аналоговой системы, редко влияют на DSP.

Возможности цифровых сигнальных процессоров

Когда аналоговый сигнал преобразуется в цифровой, доступная обработка сигнала ограничивается только программным обеспечением, написанным для выбранного устройства. Ограничение функций программного обеспечения обычно определяется доступной памятью самого процессора. Требуется место для хранения программы и дополнительное место для хранения преобразованной аналоговой информации, поскольку процессор работает с информацией. Когда вы видите один процессор с большим количеством функций, чем другой, разница обычно заключается в ограничении памяти.

Входы и суммирование сигналов

Большинство устройств DSP на рынке могут комбинировать и регулировать уровень аудиосигналов на входе в DSP. Если у вас есть радио с передними, задними выходами и выходами на сабвуфер, вы можете захотеть поддерживать все эти каналы по отдельности при обработке аудиосигнала.

Как насчет того, когда вы пытаетесь интегрироваться с заводским усилителем? Возможно, у вас есть выход на среднечастотный и высокочастотный динамики в передней двери от усилителя, который вам нужно использовать для ваших новых передних динамиков. Большинство процессоров цифровых сигналов позволяют комбинировать сигналы с нескольких входов для облегчения работы подобных приложений.

Поскольку разные источники имеют разные уровни пикового напряжения, входы вашего DSP имеют регулируемую чувствительность. Точно так же, как регулятор усиления на усилителе, мы хотим установить входные усиления на нашем DSP, чтобы максимизировать отношение сигнал/шум процессора.

Кроссоверы и фильтрация

Как мы уже упоминали, динамики разного размера предназначены для фокусировки их производительности в разных звуковых диапазонах. 3-дюймовый среднечастотник не будет воспроизводить тот же диапазон частот, что и 1-дюймовый твитер или 6,5-дюймовый вуфер. Мы используем кроссоверы в DSP, чтобы разделить частоты, отправляемые на каждый выход и динамик.

Преимущество выполнения всей обработки кроссовера в цифровой области заключается в том, что многие процессоры цифровых сигналов предлагают различные настройки фильтров кроссовера и наклоны спада. Выравнивание описывает форму спада вокруг точки -3 дБ. Эта форма также влияет на акустическое суммирование сигналов. Возможные варианты:Баттерворт, Линквиц-Райли, Чебычев, Бессель и другие. Дело не в том, что один лучше другого, а в том, что каждый из них отличается и отличается. Мы могли бы написать целую статью о перекрестных выравниваниях.

Наклон кроссовера описывает, как быстро звук перестает воспроизводиться по мере того, как сигнал удаляется от точки кроссовера. Так как все это цифровое, большинство цифровых сигнальных процессоров предлагают крутизну от -6 дБ до -48 дБ на октаву с шагом 6 дБ или 12 дБ, в зависимости от выбранной настройки. В большинстве случаев с DSP довольно хорошо работает фильтр Линквица-Райли 24 дБ/октава, но существуют десятки различных подходов к настройке, так что используйте то, что подходит именно вам.

Выравнивание по времени и задержка сигнала

Одной из самых крутых особенностей цифрового сигнального процессора является его способность хранить аудиосигнал в течение переменного периода времени, прежде чем отправить его на динамик. Эта способность к хранению позволяет должным образом обученному установщику задерживать сигнал, идущий к ближайшим к слушателю динамикам, чтобы создаваемый ими звук достиг места прослушивания одновременно с остальными динамиками. Для четырехполосных систем (сабвуфер, мидбас, среднечастотник и твитер) эта установка и точная настройка могут занять некоторое время.

Эквалайзер

Возможность точной настройки частотной характеристики каждого динамика в аудиосистеме является важным ключом к тому, чтобы эта система звучала удивительно. Мы должны измерить отклик каждого динамика в точке прослушивания, а затем настроить эквалайзер так, чтобы каждый динамик воспроизводил плавный отклик. Есть много способов добиться этого.

Графические эквалайзеры обычно предлагают 31 полосу выравнивания на канал и расположены на расстоянии 1/3 октавы друг от друга. Этот разнос обычно обеспечивает достаточное разрешение по частоте для решения проблем с откликом. Графические эквалайзеры просты для понимания:вы выбираете нужную полосу частот, а затем усиливаете или обрезаете сигнал на выбранную вами величину.

Параметрические эквалайзеры намного мощнее, но их немного сложнее настроить. В параметрическом эквалайзере пользователь может выбрать частоту, полосу пропускания и величину усиления или ослабления сигнала. Понять выбор частоты просто, но понять добротность фильтра сложнее. Когда дело доходит до Q, основная концепция заключается в том, что более высокое число означает, что регулировка полосы влияет на более узкий диапазон частот. Низкое число, например 0,7 или 1, охватывает более широкий диапазон частот. Точная настройка параметрического эквалайзера требует некоторой практики. Тем не менее, некоторые программные приложения автоматически предоставляют информацию о настройках после измерения частотной характеристики динамика или системы.

Выходной уровень и дистанционное управление

Возможность точной настройки выходного уровня каждого динамика имеет решающее значение для производительности аудиосистемы. Для достижения точной и сбалансированной звуковой сцены необходимо очень точно настроить амплитуду (уровень) каждого динамика в системе. Регулировка выходного уровня также очень важна для согласования эффективности различных динамиков.

Многие устройства DSP имеют возможность дистанционного управления. Эти элементы управления можно использовать для регулировки общей громкости системы и уровня выходного сигнала сабвуфера, и обычно они могут загружать предустановки для процессора. Более продвинутые контроллеры предоставляют вам доступ к некоторым функциям настройки системы, позволяя вносить коррективы без использования портативного компьютера. Дисплеи на этих пультах дистанционного управления варьируются от простых одноцветных ЖК-панелей с точечной матрицей до полноцветных OEL-дисплеев, которые хорошо видны при ярком солнечном свете.

Настройка цифрового сигнального процессора — искусство или процесс?

Существует много мнений о том, как настроить DSP. Независимо от того, делаете ли вы это с помощью инструментальных измерений или различных акустических методов, мы хотим добиться надлежащей защиты динамиков, плавной частотной характеристики обоих каналов аудиосистемы и выравнивания времени прихода каждого динамика.

Многие производители автозвука обучают своих дилеров различным методам достижения отличного «настроя» автомобилей своих клиентов. Если вы хотите улучшить звук своей мобильной развлекательной системы и у вас уже есть отличные динамики и усилители, обратитесь к местному специалисту по автозвуку. Они будут рады продемонстрировать преимущества DSP и предоставить вам информацию, необходимую для принятия обоснованного решения о покупке.