A digitális jelfeldolgozók új szintre emelik audiorendszerét
A hangjelek beállítása vagy módosítása nem újdonság. Az analóg jelfeldolgozók évtizedek óta jelen vannak a stúdiókban és az élő előadásokban. A hangszínszabályzóktól kezdve a keresztváltókig és a kompresszorokig minden még akkoriban született, amikor a vákuumcsövek népszerűek voltak. A technológia fejlődésével a jelfeldolgozók mérete, költsége és összetettsége csökkent. Manapság sok autós audioforrás egység nagyobb feldolgozási teljesítményt tartalmaz, mint a korai hangstúdiók. Ez a cikk bemutatja a digitális jelfeldolgozó processzorokat (DSP), mit csinálnak, és miért van szükség rájuk.
Ellenséges környezet
Ha egy teljes tartományú otthoni hangszórót vinnénk egy nyílt terepre, és megmérnénk a frekvenciamenetet, akkor látnánk egy meglehetősen lapos és sima válaszgörbe. Ha beviszi ugyanazt a hangszórót egy kis helyiségbe, és újra megméri a választ, akkor különböző frekvenciákon csúcsokat és csökkenéseket fog látni. A frekvenciamenet változását nem a hangszóró, hanem maga a helyiség okozza. A visszaverődések csomópontokat és anti-csomópontokat (csúcsokat és völgyeket) okoznak, amelyek drámaian befolyásolják a hangszórórendszer észlelt frekvenciaválaszát. Annak érdekében, hogy maximálisan élvezhessük ezt a hangszórót, jelkorrekciót kell alkalmaznunk a hangszórón, így a hallottak hasonlóak ahhoz, amit ezen a területen tapasztaltunk volna.
Egy autóban nagyon ritkán tudunk közvetlenül a bal és jobb hangszóró közepébe ülni. A vezető általában kétszer olyan messze van a jobb hangszórótól, mint a baltól. Először a bal hangszóró kimenetét halljuk, és úgy tűnik, mintha ez a hangszóró hangosabban szólna – mert közelebb van. Tartsa ezt szem előtt, amikor a digitális jelfeldolgozókról (DSP) beszélünk.
Hangszóró korlátozások
Egyetlen hangszóró sem képes reprodukálni a teljes hangspektrumot 20 Hz és 20 kHz között pontossággal, részletességgel és egyenletes hangszórással. Még ha lenne is ilyen, a közép- és magasfrekvenciás hangok torzítási szintje továbbra is magas lenne, mivel a hangszóró alacsony frekvencián megköveteli a mozgást. Emiatt több különböző hangszórót használunk a hangsáv lefedésére. A mélysugárzók vagy mélynyomók lefedik a mélyhangokat, és általában 80 vagy 100 hertzig játszanak. A középkategóriás meghajtók a 100 Hz és körülbelül 4000 Hz közötti tartományt fedik le. Végül magassugárzókkal fedjük le a 4000 Hz feletti frekvenciák fennmaradó részét. Noha ezek közelítések, ezek a hangszórók közös keresztezési pontjai.
A crossover olyan eszköz, amely korlátozza az audiojelek áthaladását. Az autóhangosításban két általánosan használt típus létezik:felüláteresztő és aluláteresztő. Nevük leírja funkciójukat. A felüláteresztő keresztezés lehetővé teszi a keresztezési pontnál magasabb frekvenciák áthaladását, az aluláteresztő pedig a keresztezési pont alatti frekvenciák áthaladását. A felső áteresztő keresztezést arra használnák, hogy távol tartsák a mély basszust egy kis ajtóban vagy műszerfali hangszóróban, míg az aluláteresztő keresztezést arra használnák, hogy a közép- és magas frekvenciájú információkat távol tartsák a mélynyomótól. Mindkét típusú crossovert kombinálhatjuk, hogy létrehozzuk az úgynevezett sáváteresztő keresztmetszetet – korlátoztuk az alacsony és magas frekvenciájú információkat. Ezt egy középső hangsugárzón használnánk, ha mély- és magassugárzóval kombinálnánk. (A crossoverekről egy másik cikkben fogunk részletesen beszélni.)
Az autóhangosításban aktív és passzív crossovereket is használunk. A passzív keresztezők kondenzátorok, ellenállások és induktorok kombinációja, amelyeket az erősítő és a hangszóró közötti hangsugárzó vezetékekhez kötünk. Az összetevők viselkedése és konfigurálásuk korlátozza, hogy milyen frekvenciák juthatnak át a hangszóróhoz.
Az aktív keresztváltó egy elektronikus eszköz, amely befolyásolja az erősítő előtti jel frekvenciaválaszát. Az aktív crossoverek előnye, hogy könnyen beállíthatók különböző frekvenciákra. A legtöbb, ha nem az összes crossover alkatrészt ki kell cserélni a passzív hálózat keresztezési frekvenciájának beállításához.
Ezek az információk alapvető megértést adnak arról, hogy miért van szükségünk jelfeldolgozásra. Évtizedeken keresztül a mobil elektronikai ipar az analóg feldolgozás segítségével élt és virágzott. Olyan cégek, mint az AudioControl, a Phoenix Gold, a Rockford Fosgate és a Zapco készítettek equalizereket és crossovereket, és a rajongók úgy özönlöttek hozzájuk, mint lepke a lángba.
A számítási teljesítmény előrehaladtával olyan termékek jelentek meg, mint a Rockford Symmetry. A Symmetry egy elektronikusan vezérelt analóg processzor volt – egy fantasztikus alkotás, amely lehetővé tette a felhasználók számára, hogy egyetlen számítógépes vezérlőpanelről számos beállítást végezhessenek.
A jelfeldolgozás következő fejlődése az volt, hogy analóg helyett mindent a digitális területen végeztek. Hogyan működik ez?
Építőelemek
A DSP egy nagy teljesítményű hangjel-feldolgozó hardverrel és szoftverrel, amely úgy van optimalizálva, hogy valós időben, nagy sebességű feldolgozást végezzen. Néhány olcsóbb processzor magában foglalja az analóg-digitális és digitális-analóg átalakítókat magában a chipben. A felsőbb kategóriás készülékeken az analóg konverterek külső alkatrészek. A jobb D/A konverterek nagyobb felbontást és jobb jel-zaj arányt kínálnak. Ha az audiojel a digitális tartományban van, az egyik DSP nem tér el nagyon a másiktól. Az algoritmusok hasonló módon vannak megírva a szűréshez, a kiegyenlítéshez és az időbeállításhoz.
Miért akarunk DSP-t és nem analóg processzort? A DSP-ben nincsenek kapcsolódó aggodalmak az alkatrészek tűrésével vagy a hőmérséklet-ingadozásokkal kapcsolatban, amelyek befolyásolják a feldolgozás reakcióját. A megfelelő interfésszel a felhasználók gyorsan hozzáférhetnek a különböző rendszer-előbeállításokhoz, és korlátlan számú konfigurációt tárolhatnak számítógépükön. A legtöbb DSP egység nem tartalmaz analóg beállításokat, például potenciométereket vagy kapcsolókat, amelyek idővel szennyeződhetnek vagy elhasználódhatnak. Az analóg rendszerben a komponensek meghibásodásához vezető rezgések ritkán érintik a DSP-ket.
A digitális jelprocesszorok jellemzői
Ha egy analóg jelet digitálissá alakítanak, az elérhető jelfeldolgozást csak a kiválasztott egységhez írt szoftver korlátozza. A szoftver funkcióinak korlátját jellemzően magának a processzornak a szabad memóriája határozza meg. Helyet igényel a program tárolása, és további helyet igényel a konvertált analóg információk tárolása, miközben a processzor az információval dolgozik. Ha azt látja, hogy az egyik processzor több funkcióval rendelkezik, mint a másik, a különbség általában a memóriakorlátozás.
Bemenetek és jelösszegzés
A legtöbb piacon lévő DSP egység képes kombinálni és beállítani a DSP bemenetén lévő audiojelek szintjét. Ha első, hátsó és mélynyomó kimenettel rendelkező rádiója van, érdemes lehet ezeket a csatornákat diszkréten karbantartani az audiojel feldolgozása során.
Mi a helyzet, ha gyári erősítővel próbálsz integrálni? Lehet, hogy van egy első ajtó középső hangsugárzója és egy erősítőből származó magassugárzó kimenet, amelyet az új első hangsugárzókhoz kell használnia. A legtöbb digitális jelfeldolgozó lehetővé teszi több bemenet jeleinek kombinálását az ehhez hasonló alkalmazások megkönnyítése érdekében.
Mivel a különböző forrásoknak eltérő csúcsfeszültségszintjük van, a DSP bemenetei állítható érzékenységgel rendelkeznek. Csakúgy, mint az erősítő erősítés szabályozása, a DSP bemeneti erősítését is úgy szeretnénk beállítani, hogy maximalizáljuk a processzor jel-zaj arányát.
Keresztezések és szűrés
Amint már említettük, a különböző méretű hangszórókat úgy tervezték, hogy teljesítményüket különböző hangtartományokon belül állítsák elő. A 3 hüvelykes középső hangsugárzó nem játssza le ugyanazt a frekvenciatartományt, mint egy 1 hüvelykes magassugárzó vagy egy 6,5 hüvelykes mélysugárzó. A DSP-ben található keresztváltókat használjuk az egyes kimenetekre és hangszórókra küldött frekvenciák felosztására.
A digitális tartományban az összes keresztezési feldolgozás előnye, hogy sok digitális jelfeldolgozó különböző keresztirányú szűrő-igazításokat és gördülési lejtőket kínál. Az igazítás a -3 dB pont körüli elgurulás alakját írja le. Ez a forma azt is befolyásolja, hogy a jelek hogyan összegeződnek akusztikailag. Lehetséges Butterworth, Linkwitz-Riley, Chebychev, Bessel és még sok más. Nem arról van szó, hogy az egyik jobb a másiknál, hanem arról, hogy mindegyik más és más. Írhatnánk egy egész cikket a keresztirányú igazításokról.
A keresztezési lejtő azt írja le, hogy milyen gyorsan áll le a hang lejátszása, amikor a jel eltávolodik a keresztezési ponttól. Mivel mindez digitális, a legtöbb digitális jelfeldolgozó oktávonként -6 dB és -48 dB közötti meredekséget kínál, 6 dB vagy 12 dB lépésekben, a választott beállítástól függően. A legtöbb esetben a DSP-knél a 24 dB/oktáv Linkwitz-Riley szűrés elég jól működik, de több tucat különböző hangolási megközelítés létezik, ezért használd azt, ami jól működik.
Időbeállítás és jelkésleltetés
A digitális jelfeldolgozó processzorok egyik legmenőbb tulajdonsága, hogy képes az audiojelet változó ideig tárolni, mielőtt azt a hangszóróba küldené. Ez a tárolási képesség lehetővé teszi a megfelelően képzett telepítő számára, hogy késleltesse a jelet a hallgatóhoz legközelebb eső hangszórókhoz, így az általuk létrehozott hang a többi hangszóróval egy időben érkezik meg a hallgatási helyre. Négyutas rendszerek (mélynyomó, középmély, közép- és magassugárzó) esetén ez a beállítás és a finomhangolás kis időt vehet igénybe.
Kiegyenlítés
Az audiorendszer minden egyes hangszórójának frekvenciaátvitelének finomhangolása óriási kulcsa a rendszer hangzásának elképesztő. Meg kell mérnünk az egyes hangszórók válaszát a hallgatási pozícióban, majd be kell állítani az ekvalizert, hogy minden hangszóró sima választ adjon. Ezt sokféleképpen lehet elérni.
A grafikus hangszínszabályzók csatornánként általában 31 hangszínszabályzó sávot kínálnak, és 1/3 oktávnyi távolságra vannak egymástól. Ez a távolság általában elegendő frekvenciafelbontást biztosít a válaszproblémák megoldásához. A grafikus hangszínszabályzók könnyen érthetők:kiválasztja a kívánt frekvenciasávot, majd a kívánt mértékben növeli vagy csökkenti a jelet.
A paraméteres hangszínszabályzók sokkal erősebbek, de kissé nehezebb konfigurálni. A paraméteres hangszínszabályzóban a felhasználó kiválaszthatja a frekvenciát, a sávszélességet és a jelerősítés vagy -csökkentés mértékét. A frekvencia kiválasztásának megértése egyszerű, de a szűrő Q tényező megértése nehezebb. Amikor Q-ról van szó, az alapkoncepció az, hogy a nagyobb szám azt jelenti, hogy a sávbeállítás szűkebb frekvenciatartományt érint. Az alacsony szám, mint a 0,7 vagy 1, a frekvencia szélesebb tartományát fedi le. A parametrikus hangszínszabályzó pontos beállítása némi gyakorlatot igényel. Ennek ellenére néhány szoftveralkalmazás automatikusan megadja a beállítási információkat, miután megmérte a hangszóró vagy a rendszer frekvenciaválaszát.
Kimeneti szint és távirányítók
Az egyes hangszórók kimeneti szintjének finom hangolása kritikus fontosságú az audiorendszer teljesítménye szempontjából. A pontos és kiegyensúlyozott hangszín eléréséhez a rendszer minden egyes hangszórójának amplitúdóját (szintjét) nagyon pontosan kell beállítani. A kimeneti szint szabályozása szintén nagyon fontos a különböző hangszórók hatékonyságának összehangolásához.
Sok DSP egység rendelkezik távirányítóval. Ezekkel a vezérlőkkel beállíthatja a rendszer teljes hangerejét és beállíthatja a mélysugárzó kimeneti szintjét, és általában betölthetők a processzor előbeállításai. A fejlettebb vezérlők hozzáférést biztosítanak néhány rendszerhangolási funkcióhoz, így laptop számítógép nélkül is elvégezheti a beállításokat. Ezeknek a távirányítóknak a kijelzői az egyszerű, egyszínű pontmátrixos LCD-panelektől a teljes színű OEL-kijelzőkig változnak, amelyek erős napfényben is jól láthatók.
Digitális jelprocesszor hangolása – művészet vagy folyamat?
Számos irányzat létezik a DSP konfigurálásával kapcsolatban. Függetlenül attól, hogy műszeres mérésekkel vagy különböző akusztikai technikákkal teszi mindezt, szeretnénk elérni a hangszórók megfelelő védelmét, az audiorendszer mindkét csatornájáról zökkenőmentes frekvenciaválaszt és az egyes hangszórók összehangolt érkezési idejét.
Sok autóaudio-gyártó megtanítja kereskedőit a különféle módszerekre, hogy nagyszerű „dallamot” érjenek el vásárlói járművükön. Ha javítani szeretné mobil szórakoztató rendszere hangzását, és már kiváló hangszórói és erősítői vannak, keresse fel a helyi autóaudio szakembert. Szívesen bemutatják a DSP-k előnyeit, és megadják azokat az információkat, amelyekre szüksége van a vásárlással kapcsolatos megalapozott döntés meghozatalához.