Проблемы с согласованием задержек? Исследование цифровых микшеров
Автор: Пэт Браун
Данная статья является переводом статьи с ресурса https://www.prosoundtraining В ней исследуются проблемы согласования сигналов, имеющих разную маршрутизацию в микшере. Поскольку иллюстрации и графики занимают огромное количество места, необходимо ознакомиться с ними по ссылке. Именно эти графики - главная содержательная часть статьи, а всё, что вы прочтёте ниже - описание принципов и способов проводимого тестирования. Там же находится оригинальный текст статьи, с переводом которой вы можете ознакомиться ниже. В исследовании были использованы следующие цифровые и аналоговые микшеры и цифровые стэйджбоксы к некоторым из них. Allen and Heath Avantis, Allen and Heath SQ-6, APB Dynasonics ProRack H1020, Behringer XR18, Behringer Wing, Behringer Wing+Midas DL231 Stagebox, Digico SD11 48 kHz, Digico SD11 96 kHz, Digico SD11+D-Rack Stagebox 48 kHz, Midas M32R, Midas Pro 2, Midas Pro 2+Midas DL251 Stagebox, Soundcraft Signature 10, Soundcraft Ui24, Yamaha QL1, Yamaha QL1+RIO3224-D2 Stagebox
Введение
Все микшеры так или иначе изменяют сигналы, проходящие через них. Даже если все органы управления находятся в нулевом положении («zeroed»), можно наблюдать изменения в полосе пропускания, фазе и задержке при сравнении выходного сигнала с входным. Также может появиться шум и, возможно, электромагнитные помехи (EMI). В данном исследовании сравниваются эти параметры для ряда современных микшеров.
Проект придумал и организовал Doug Woosley из компании Sound Ideas. Его работа интегратором и FoH-звукорежиссером дает ему возможность работать на различных цифровых консолях. Не раз он замечал заметное изменение тембра при использовании некоторых распространённых схем маршрутизации на цифровых микшерах, например, при направлении канала на выходную шину несколькими путями. Его слух подсказывал, что что-то не так, и это исследование было задумано, чтобы выяснить, в чем дело. В исследовании участвовали как стандартные модели микшеров, так и образцы, предоставленные производителями. Я составил сценарии тестов, выполнил их и подготовил результаты для презентации. Dennis Birkemeier составил итоговую матрицу результатов.
Если вы хотите сразу перейти к сути статьи, нажмите на график «Summing» (Суммирование) в матрице для каждого микшера. Если вы увидите гребенчатый фильтр (ряд пиков и провалов в отклике), значит, есть конфигурация маршрутизации, которую следует избегать. Вкладка «Timing» (Тайминг) покажет, какая именно маршрутизация к этому привела. Графики Timing и Summing имеют одинаковое цветовое кодирование (например, зеленая линия в Summing соответствует зеленой в Timing).
Давайте перейдём к деталям.
Дополнительные тесты
Главной целью исследования было выявление проблем с задержками. Мы также провели дополнительные тесты для оценки других характеристик. Из множества возможных тестов мы выбрали амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), фазовую характеристику, восприимчивость к ЭМИ, коэффициент подавления синфазных помех (CMRR) и тайминг — с отображением тайминга как во временной, так и в частотной областях.
Слева находится матрица с результатами тестов. При выборе любого графика открывается отчет с векторными графиками для каждого микшера. Вкладки: Levels (Уровни), Phase (Фаза), Timing (Тайминг), и Summing (Суммирование). Вот их описание:
Вкладка Levels
На этой вкладке представлены различные измерения в частотной области: амплитудно-частотная характеристика (синяя линия), восприимчивость к ЭМИ (красная), уровень шума (серая), идеальный CMRR (оранжевая), и CMRR с дисбалансом источника (синяя и зеленая).
Все микшеры тестировались в идентичных условиях. Один и тот же кабель использовался для передачи и приема сигнала между микшерами. Входной сигнал был -20 дБВ, усиление микшера — 30 дБ. Это давало на выходе +10 дБВ — мощный линейный сигнал, который не должен вызывать нелинейных искажений (клиппинг, лимитирование или компрессию).
Графики Levels были сглажены анализатором по 1/12 октавы для улучшения читаемости и соответствия восприятию человеческого слуха. Диапазон частот для АЧХ — максимально возможный для анализатора Audio Precision APx515 (2 Гц – 80 кГц). Для тестов CMRR, шума и ЭМИ диапазон сужался, чтобы акцентироваться на области спектра, где чаще всего возникает шум от электросети.
Амплитудно-частотная характеристика
Графики сигналов — это полосовые фильтры. То есть, на низких частотах есть срез по низким, а на высоких — по высоким. Это хорошо, так как полностью широкополосный отклик пропускал бы всевозможные паразитные сигналы в тракт усиления.
Некоторые микшеры имеют плавный спад на краях диапазона, другие — резкий («brick wall»). Это отражает как подходы разработчика, так и ограничения по полосе пропускания, связанные с частотой дискретизации.
Уровень шума
Важно понимать, что идеальных электронных компонентов не существует. Все они имеют собственный шум. Обратите внимание, что диапазон графика — 140 дБ (+20 дБВ сверху, -120 дБВ снизу), уровень сигнала — ближе к верху, шум — внизу.
Это подчеркивает важность правильной настройки усиления компонентов и системы. Если артефакт на уровне -80 дБ относительно сигнала, он вряд ли будет слышен, если только неправильная настройка усиления не сделает его слышимым. Цель — не отсутствие шума, а его неслышимость. На графике уровень шума (серый) — это выход микшера без входного сигнала.
Pin 1
Когда между аудиоустройствами есть несколько «земляных» путей, по ним могут течь паразитные токи, попадающие в устройство через экраны кабелей на аналоговых входах и выходах. Такие «земляные петли» давно осложняют жизнь аудиоспециалистам.
Тест Pin 1 основан на стандарте AES48 и работах Ralph Morrison, Neil Muncy, Bill Whitlock, Ray Rayburn и др. Он выявляет уязвимость к токам по экрану на частотах сети. Для теста мы специально вводили паразитный ток в экран входного разъёма (pin 1 XLR). Измерялся выходной сигнал без входного, при этом пины 2 и 3 соединялись через резистор 100 Ом, имитируя идеальный источник.
Паразитный сигнал — это однополупериодный выпрямленный синус 60 Гц током 100 мА. Это создает основной тон 60 Гц и гармоники, имитируя токи, циркулирующие по земляным контурам аудиосистемы.
В идеале спектр шумов на выходе не должен меняться. На практике появление этого сигнала на выходе говорит о склонности к шумам, индуцируемым токами по экрану (Shield-Current-Induced-Noise, SCIN). Эта проблема называется «Pin 1 Problem». В тяжелых случаях необходимо принимать меры для борьбы с фоном и жужжанием.
Появление паразитного сигнала говорит о необходимости особых мер для каналов с земляной петлёй — например, если источник подключен к другому электросети. Типовые решения: отключение экрана кабеля на сбалансированных входах и применение EMC-разъёмов XLR.
Коэффициент подавления синфазных помех (CMRR)
CMRR описывает способность сбалансированного входа (или выхода) подавлять сигналы, одинаковые по обоим полюсам. Такие сигналы называются синфазными и должны подавляться. Различные между полюсами сигналы называются дифференциальными и должны приниматься входом. Сбалансированный выход с экранированной витой парой предназначен для того, чтобы помехи становились синфазными, а полезный сигнал — дифференциальным.
Оранжевая линия на графике Levels показывает идеальный CMRR в диапазоне частот электросети. Идеальный — значит, что выходное сопротивление источника идеально сбалансировано. К сожалению, в реальности в аудиооборудовании это редко бывает из-за разных подходов к проектированию и допусков компонентов, поэтому требуется дополнительный тест CMRR.
Дисбаланс CMRR
Bill Whitlock отметил, что на практике почти нет идеально сбалансированных выходов, и любой дисбаланс ухудшает CMRR электронно-сбалансированных входов. Тест с дисбалансом CMRR (CMRR Imbalance) разработан Уитлоком и показывает работу входа в реальных условиях. Идеальный тест CMRR повторяется, но с резистором 10 Ом последовательно с pin 2 и pin 3. Любое ухудшение видно на графике.
Решения по снижению влияния дисбаланса — качественные входные трансформаторы и специальные аналоговые ИМС.
Вкладка Phase
Фазовые графики любого устройства отображают отклик, состоящий из нескольких компонентов:
- Задержка (Delay)
- Фазовый сдвиг (Phase Shift)
- Полярность (Polarity)
Нужно провести анализ, чтобы разделить эти эффекты. Пути прохождения сигнала через микшер могут быть согласованы по задержке (latency), фазе или полярности. Например, два пути могут иметь одинаковую фазовую характеристику, но разную задержку; либо одинаковую задержку, но разную фазу; либо совпадающие задержку и фазу, но разную полярность. График фазы отображает все это вместе, поэтому нужно разбирать эти эффекты по отдельности.
Первым делом обычно устраняют задержку, вычитая соответствующий временной интервал — это «латенси-компенсация». Это делают большинство современных анализаторов.
После устранения задержки остаются фазовый сдвиг и полярность. Полярность обычно определяется по тому, пересекает ли фазовая кривая в среднем диапазоне частот 0° или ±180°. Для устройств с широкой полосой и линейной фазой (например, микшеры и усилители) это довольно очевидно. Для устройств с большими фазовыми сдвигами (например, многополосные АС с крутыми аналоговыми или IIR-фильтрами) — менее очевидно.
Важно различать: задержка и полярность не меняют форму волны (задержка сдвигает сигнал по времени, полярность — инвертирует), а фазовый сдвиг меняет форму волны, искажается сигнал частотно-зависимо. Слышимость таких искажений («phase distortion») — предмет долгих дискуссий.
Идеальная фазовая характеристика — горизонтальная линия (линейная фаза). Это значит, что устройство не вносит фазового сдвига между частотами и форма волны сохраняется. Например, если подать на вход меандр, на выходе он останется меандром.
Полоса пропускания современных микшеров часто выходит за пределы слышимого диапазона (20 Гц – 20 кГц), чтобы обеспечить линейную фазу на всем диапазоне. Все протестированные микшеры хорошо сохраняют форму меандра, но задержка у каждого разная. Один микшер инвертирует полярность.
Вкладка Timing
Изначально задача исследования — оценить, как сигналы, идущие по разным путям к главной шине, смешиваются между собой. Различия во времени прохождения могут разрушить качество звука. Это проблема многих цифровых микшеров. Справедливости ради, проблема не столько в самом микшере, сколько в том, как его используют. Например, нежелательно направлять один канал напрямую на основную шину и одновременно — на нее же другим путем. Так делают для добавления эффектов, но задержки, возникающие из-за длинного пути, вызывают гребенчатый фильтр и окраску звука при смешивании сигналов.
Аналогичная проблема возникает с цифровыми микшерами и удаленными сценическими блоками (stagebox). Обычно у них задержка больше, чем у встроенных входов. Если, например, поставить два микрофона на источник, один подключить к stagebox, другой к встроенному входу и потом их свести, разница во времени вызовет гребенчатый фильтр. Это не столько проблема конструкции, сколько эксплуатации, но важно знать о последствиях.
Некоторые микшеры компенсируют эти различия конструктивно. Другие — нет. В тесте участвовали два аналоговых микшера для демонстрации отсутствия задержки. Один из них — APB Dynasonics H1020. Сможете найти второй?
На графике Timing отображается импульсная характеристика микшера с указанными путями прохождения сигнала (обозначены стрелками и символами суммирования).
Любые различия по времени видны во временной области (вкладка Timing). Идеальное устройство пропускает все сигналы с одинаковой задержкой.
Импульсная характеристика также показывает полярность микшера: положительный импульс — полярность сохранена, отрицательный — сигнал инвертируется.
Вкладка Summing
Если между двумя путями сигнала есть задержка, то при суммировании возникнет гребенчатый фильтр. Вкладка Summing показывает амплитудно-частотную характеристику суммы сигналов. Это может драматически изменить АЧХ микшера.
Очевидное решение — не направлять сигнал на выходную шину по нескольким маршрутам. Если это всё же необходимо, используйте аналоговый микшер или цифровой с внутренней компенсацией разницы путей.
Заключение
С одной стороны, это исследование показывает, что микшер, скорее всего, не будет самым слабым звеном по качеству звука в любой аудиосистеме. Все микшеры прекрасно охватывают слышимый диапазон и обеспечивают динамический диапазон, значительно превосходящий винил (65 дБ) и зачастую — CD (96 дБ).
С другой стороны, очевидно, что микшеры не одинаковы. Различия, пусть и неявные, всегда присутствуют. Для получения системного отклика с динамическим диапазоном 100 дБ (уровень CD) нужно полностью оптимизировать усиление всех компонентов. Для некоторых входов и выходов может потребоваться защита от ЭМИ. И это не учитывает микрофоны, акустику и помещение, которые часто являются ещё более слабыми звеньями.
__________________________________ Александр Карнаухов, звукорежиссёр.