Genelec-kaiuttimien käyttö digitaalisten äänilähteiden kanssa

• DA-muunnin on pullonkaula
• Koko DA-muuntimen esitystarkkuus on pyrittävä käyttämään
• Signaalin vaimentaminen on pyrittävä suorittamaan analogisesti
• Monitoroitavan signaalin digitaalinen taso on pyrittävä asettamaan niin suureksi kuin mahdollista
• DA-muuntimen suurin ulostulotaso on asetettava samaksi kuin tarkkailukaiuttimen suurin akustinen lähtötaso

Nykyaikaisessa täysin digitaalisessa studiossa laadullinen pullonkaula on signaalin muuntaminen digitaalisesta analogiseksi tarkkailua varten. Genelec-kaiuttimien dynamiikka-alue on laajempi kuin tänään käytössä olevien DA-muuntimien dynamiikka. Digitaali-analogiamuunnoksen tuottama signaalitaso on asetettava huolellisesti, jotta dynamiikaltaan laajan äänimateriaalin koko sisältö on kuultavissa. Virheet digitaali-analogiamuunnoksen käytössä saattavat johtaa syyttämään tarkkailukaiuttimia kun äänen detaljit hukkuvat DA-muuntimen tuottamaan kohinaan ja muuntimen kvantisointisärö tulee kuuluviin. Tämä osio opastaa, kuinka sovittaa oikein digitaalisten äänenkäsittelylaitteiden ja Genelecin aktiivikaiuttimien dynamiikka-alueet.

Dynamiikka-alue

Studion signaalinkäsittely muuttuu enenevässä määrin digitaaliseksi ja digitaaliset äänipöydät kasvattavat suosiotaan. Lopullinen raja digitaalisen ja analogisen äänen välillä kulkee digitaalisen äänipöydän ja tarkkailukaiuttimen liitynnässä, jossa digitaalinen ääni lopulta muuttuu kuunneltavaksi analogiajännitteeksi. Digitaali-analogiamuunnin voi olla kuuntelulaadun pullonkaula digitaalisen äänenkäsittelyjärjestelmän ja korkealaatuisten tarkkailukaiuttimien välillä. Jotta osaamme liittää oikein digitaalisen äänipöydän korkealuokkaiseen tarkkailukaiuttimeen, on aluksi tarkasteltava digitaali- ja analogiasignaalien ominaisuuksia.

Analogiasignaalin suurin ja pienin arvo määräytyvät käyttökelpoisuuden perusteella. Pienin signaaliarvo määräytyy järjestelmän kohinatason perusteella; suurin arvo särön liiallisen kasvamisen tai signaalin leikkautumisen takia. Eräiden laitteiden särö ei oleellisesti kasva ennenkuin signaali alkaa leikkautua. Toisissa särön vähittäinen lisääntyminen tekee signaalista jossain vaiheessa käyttökelvottoman.

Digitaalinen signaali esitetään numeroina. Tavanomaisesti signaali esitetään kiinteän pilkun lukuna. Siitä seuraa, että lukuesitys määrittelee luvun, jota pienempää arvoa ei voida esittää. Siksi on olemassa tarkkaan määritelty pienin mahdollinen luku, ja myös tarkkaan määritelty suurin mahdollinen luku. Näiden määrittelemän lukualueen lukopuolella ei voida esittää lukuarvoja.

Käytännön esimerkki

Dynamiikka-alueen käsite on oleellisen keskeinen, kun halutaan ymmärtää miten digitaalinen ja analoginen maailma kohtaavat. Dynamiikka-alue on käytettävissä olevien signaaliarvojen alue. Analogiasignaalin dynamiikka-alueen määrittelevät kohinataso ja säröraja tai signaalin leikkautuminen. Digitaalisignaalin dynamiikka-alueen määrittelee käytetty lukualue.

Otetaanpa käytännön esimerkki. Genelecin kaksitiekaiuttimen (1031A) signaalituloon referoitu kohinataso on 3 uVrms kuulon kannalta kaikkein herkimmällä 3-5 kHz taajuusalueella. Suurin tulosignaali on 1Vrms. Suurimman signaalin määrää leikkautuminen Genelecin kaiuttimessa, ei särön vähittäinen lisääntyminen, koska tuotteet on suunniteltu tuottamaan paras mahdollinen laatu digitaalisten äänilähteiden kanssa. Dynamiikka-alueeksi muodostuu varsin mukava 130 dB. Se on riittävästi painamaan kaiuttimen on kohinatason kuulumattomiin tavanomaisissa kuunteluolosuhteissa. Kaiutin kykenee siis toistamaan signaalin, jonka piikkiarvo on 1.4 V.

Digitaalinen studio käsittelee ääntä 24 bitin sananpituudella. Koska signaali saa sekä positiivia että negatiivisia arvoja, jää signaalin suuruuden esittämiseen 23 bittiä. Yhdellä bitillä voidaan esittää kaksi arvoa (0 ja 1). Kahdella bitillä neljä arvoa (0, 1 2 ja 3). 23 bitin avulla on mahdollista esittää 8388608 arvoa. Tämän digitaalisen järjestelmän dynamiikka on siis 138 dB.

Digitaali-analogiamuunnos

Varsinainen haaste on pystyä muuntamaan digitaalinen arvo analogiseksi jännitteeksi. Tämä muunnos tehdään käyttäen digitaali-analogiamuunninta (DA-muunnin). Koska DA-muunnin sijoittuu osin sekä digitaaliseen että analogiseen maailmaan, kohtaavat siinä molempien ongelmat. DA-muuntimen tuottama jännite kohisee. Tämä rajaa pienimmän signaalin, joka käytännössä on mahdollista tuottaa tietyllä DA-muuntimella.

Kun digitaalista signaalin arvoa pienennetään, se esitetään pienemmällä bittimäärällä. Tätä voidaan kutsua digitaaliseksi vaimentamiseksi (kuva 1). Jos signaali on pieni, sen esittämiseen käytetään vain muutama bitti, ja niiden avulla on mahdollista esittää vain hyvin rajallinen määrä erilaisia signaaliarvoja. Tätä signaaliarvojen harventumista kutsutaan kvantisoitumiseksi. Kun pieni signaali kvantisoidaan muutamalla bitillä esitetyksi, tehdään melkoisen suuri pyöristys, jonka tuottamaa virhettä kutsutaan kvantisointikohinaksi. Tällainen kvantisointivirhe saattaa olla hyvin häiritsevä, jos se tuottaa niin suuren jännitteen, että se voidaan kuulla kaiuttimesta äänenä. Korkealuokkaiset digitaaliaudiojärjestelmät pyrkivät vähentämään kvantisoinnin aiheuttamaa kuuluvaa häiriötä.

On tuskin mahdollista riittävästi korostaa tarkkailussa käytettävän DA-muuntimen merkitystä. Juuri muunnin on väline, jonka avulla tehdään äänen laatuun liittyvät päätökset. DA-muuntimen tulisi olla laadultaan paras mahdollinen, koska puutteet sen laadussa vaikuttavat kaikkeen.

Dynamiikka-alueiden yhteensovittaminen

Jotta laitteet toimisivat mahdollisimman hyvin, on tarpeen sovittaa yhteen digitaalinen ja analoginen dynamiikka-alue. DA-muuntimen tuottaman suurimman jännitteen tulisi olla sama kuin suurin jännite, jonka aktiivikaiutin pystyy käsittelemään.

Tätä varten on aluksi selvitettävä DA-muuntimen suurin antojännite syöttämällä siihen suurin mahdollinen digitaalinen signaali (engl. full scale signal). Digitaalisen signaalin taso on siis 0 dBFS (engl. dB of Full Scale). Käytä tätä testiä varten 1kHz taajuutta. Tällainen signaali löytyy tavallisesti testi-CD-levyiltä. Sammuta tarkkailukaiuttimet, pane CD soimaan ja mittaa tarkkailukaiuttien tulossa olevan jännitteen huippuarvo esim. tarkalla yleismittarilla. Sanotaan, että tämä jännite olisi erään valmistajan digitaaliäänipöydän tuottamana +18 dBm eli 6.2 V.

Olemme havainneet ongelman: kaiutin kykenee käsittelemään enintään 1.4 V huippujännitteen, mutta DA-muunnin tuottaa 6.2 V jännitteen. Kokonaiset 4.8 V käytettävissä olevasta jännitelueesta jää käyttämättä. Tästä seuraa kaksi asiaa. Ensiksi, järjestelmän kohinataso näyttää olevan korkeampi kuin pitäisi, koska DA-muunnoksen takia digitaalisen järjestelmän dynamiikka-alue on sovitettu väärin analogiseen. Toiseksi, äänisignaali leikkautuu, kun taso ylittää 1.4 V tason.

Leikkautuminen voidaan estää vaimentamalla signaalia digitaalisesti (kuva 2). Se ei kuitenkaan ole viisasta. Leikkautumisen estämiseksi signaalia on vaimennettava 13 dB. DA-muuntimen tuottama kohinataso ei muutu, kun digitaalista signaalia vaimennetaan, ja siksi kohataso näyttää olevan nyt 13 dB korkeammalla kuin sen pitäisi olla. Käytettävissä olevasta dynamiikka-alueesta on tällä tavalla hukattu 26dB, koska DA-muunnin sovittaa väärin digitaalisen ja analogisen järjestelmän dynamiikka-alueet. Nyt käytössä on vain 74 dB dynamiikka, ja kallis digitaaliäänipöytä toimii 13 bitin sanapituudella. 24 bitin resoluutiosta on hukattu 11 bittiä. Tämä ei tosiaankaan ole hyväksyttävää!

Oikea sovitus

Digitaalisen äänipöydän antojännite pitäisi sovittaa aktiivikaiuttimen dynamiikkaan käyttäen analogista vaimenninta tai vahvistinta äänipöydän ja kaiuttimen välissä (kuva 3). Jos antojännite on liian korkea, jännitteenjakajalla voidaan pienentää se oikealle tasolle. Jännitteenjakaja alentaa samalla myös DA-muuntimen tuottamaa kohinatasoa, ja näin voidaan muuntimen koko dynamiikka-alue hyödyntää.

Käytännössä tarvitaan useita eri vaimennuksia, joilla DA-muuntimen dynamiikka voidaan täysin hyödyntää eri kuuntelutasoilla. Tällainen dynamiikan maksimoiva analoginen vaimennin pitäisi olla osa DA-muunninta.

Jos tasoa on lisättävä (tarvitaan vahvistusta), on tilanne erikoinen. Tarkista, ettei jokin tasonsäädin ole jäänyt huomaamatta, aseta digitaalinen lähtötaso maksimiin ja mittaa uudelleen. Jos jännite on edelleen liian pieni, jotta kaiuttimista saataisiin maksimi äänitaso, tarvitaan vahvistimeksi erittäinen korkealaatuinen ja pienikohinainen vahvistin. Sen kohinatason tulisi olla pienenpi kuin DA-muuntimen ja kaiuttimen. Koska sellaista on varsin vaikea löytää, tarkista vielä ettei vain joku DA-muuntimen säätö ole vielä jäänyt huomaamatta.

Yhteenveto

Genelec aktiivikaiuttimet on suunniteltu toimimaan korkealaatuisten digitaalisten äänijärjestelmien kanssa. Niiden dynamiikka-alue on laajempi, kuin digitaalisten äänilähteiden tuottama käytännön dynamiikka. Kun käytät Genelec tarkkailukaiuttimia, voit olla varma, että pystyt kuulemaan kaiken, mitä digitaalinen äänilähde tuottaa. Muista vain huolehtia siitä, että digitaalisen ja analogisen järjestelmän dynamiikka-alueet on oikein sovitettu toisiinsa nähden.