Filtracja Sygnału Audio: Podstawy i Zastosowania
- Szczegóły
Filtracja sygnału audio to kluczowy proces w produkcji muzycznej i inżynierii dźwięku, pozwalający na kształtowanie brzmienia i usuwanie niepożądanych elementów.
Filtry Podakustyczne (Subsonic)
Filtr częstotliwości podakustycznych, zazwyczaj określany mianem „subsonic”, znajduje zastosowanie w torze przedwzmacniacza gramofonowego lub subwoofera. Filtr ma szczególne znaczenie zwłaszcza w torze gramofonowym, w którym istnieje wysokie prawdopodobieństwo pojawienia się przebiegów o niskich częstotliwościach.
Sygnał wejściowy z gniazda IN doprowadzony zostaje do dwustopniowego filtra górnoprzepustowego Butterwortha. Kaskadowe połączenie filtrów drugiego rzędu pozwala na znaczące zwiększenie skuteczności filtracji (do 2×12 dB/oktawę), przy ograniczeniu wpływu na zakres częstotliwości użytecznych. W celu minimalizacji przesłuchów stereo każdy kanał używa niezależnego, nowoczesnego, szybkiego i niskoszumowego wzmacniacza operacyjnego U1L/R typu OPA1656.
Filtry górnoprzepustowe korzystają z topologii Sallena-Keya ze wzmocnieniem jednostkowym. W materiałach dodatkowych załączono przykładowe projekty dla częstotliwości 5...20 Hz, które można zoptymalizować na potrzeby własnego zastosowania. W układzie filtra założono stałą, typową i łatwo dostępną wartość pojemności kondensatorów C1/2LR, C5/6LR=470 nF i zmienianą w zależności od częstotliwości wartość rezystorów R1/2LR, R3/4LR. Wartości rezystorów stanowią kompromis pomiędzy impedancją wejściową filtra a poziomem szumów.
Minimalna impedancja wejściowa filtra wynosi ok. 20 kΩ, co nie stanowi problemu dla dzisiejszych przedwzmacniaczy gramofonowych lub wyjść sygnału audio.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
Przepływność Bitowa Sygnału Audio
W czasach analogowego sprzętu hi-fi przepływność bitowa była w zasadzie terminem z dziedziny telekomunikacji i informatyki, niezwiązanym z techniką audio. Po debiucie płyt CD zapis cyfrowy się upowszechnił, a przepływność bitowa sygnału audio stała się terminem używanym znacznie częściej. Jednak największa zmiana nastąpiła pod wpływem popularyzacji plików audio - przepływność bitowa zaczęła budzić dużo większe zainteresowanie w branży hi-fi.
Przepływność to cecha sygnału cyfrowego (ang. bit rate lub bitrate) i oznacza ona ilość bitów przesyłanych w jednostce czasu. Najczęściej podaje się ilość bitów na sekundę, inne przedziały czasu nie są stosowane. Przypomnijmy, że bit to najmniejsza jednostka informacji, a więc przepływność wyraża ilość informacji przekazywaną w sygnale cyfrowym w ciągu jednej sekundy. Wyższa przepływność bitowa w praktyce oznacza możliwość osiągnięcia wyższej jakości zapisu sygnału audio.
Są też inne jednostki, jak choćby bajty na sekundę, ale w praktyce nie stosuje się ich do opisu cyfrowych sygnałów audio. Zamiennie stosuje się kilka konwencji zapisu skrótu oznaczającego ilość bitów na sekundę. Zarówno kbps, kbs, kbit/s jak i kb/s oznacza kilobity na sekundę. Jeśli w specyfikacji przepływności bitowej sygnału audio zamiast małego b pojawi się wielkie B (oznaczające bajty a nie bity) to najprawdopodobniej mamy tylko do czynienia z pomyłką i w dalszym chodzi o bity, a nie o bajty.
Poza tym jest jeszcze jedna okoliczność, która powoduje, że w audio mamy bardzo małe ryzyko nieporozumień dotyczących przepływności bitowej. Zestaw stosowanych ilości kanałów, częstotliwości próbkowania, poziomów kwantyzacji i systemów kompresji jest ograniczony, tak więc można łatwo sprawdzić jaka jest przepływność bitowa danego rodzaju sygnału, nawet jeśli do jakiejś specyfikacji wkradł się błąd. Natomiast wielkości plików przyjęło się określać w bajtach, gdzie 1bajt=8bitów.
W cyfrowej technice audio zazwyczaj jest tak, że oprócz czystej informacji o wartości sygnału dźwiękowego zapisywane są też informacje dodatkowe. Są one przede wszystkim związane z technikami kodowania sygnału, korekcją błędów czy zaszywaniem dodatkowych danych takich jak choćby tytuły. W praktyce przyjęło się, że określając przepływność sygnału audio pomijamy te dodatki i podajemy wartość netto.
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
Kiedy względy natury technicznej i/lub ekonomicznej wymuszają minimalizację przepływności bitowej sygnału trzeba stosować odpowiednie rozwiązania. Kompresja bezstratna pozwala na zachowanie pełnej oryginalnej informacji bez jakichkolwiek strat. Z punktu widzenia zwykłego użytkownika bezstratna kompresja to praktycznie darmowa korzyść.
Wadą bezstratnej kompresji jest konieczność wykonania dodatkowych operacji związanych z kodowaniem i dekodowaniem, ale w obecnych realiach technicznych jest to znikomy, niemal pomijalny koszt. Kompresja bezstratna w audio ma jednak ograniczoną skuteczność. Skompresowany bezstratnie sygnał ma zwykle przepływność bitową około 50-60% oryginału, niezależnie od wybranego kodeka. W praktyce jest to maksymalna kompresja bezstratna jaką daje się uzyskać dla sygnałów audio.
Uzyskanie wyższego wpółczynnika kompresji wymaga zastosowania kompresji stratnej powodującej zawsze jakieś pogorszenie jakości. Im silniejsza będzie kompresja stratna tym bardziej ucierpi jakość. Przy czym w przypadku kompresji stratnej sam wybór kodeka ma już istotne znaczenie. Generalnie nowsze kodeki są lepsze niż kodeki starsze.
We wszystkich typowych systemach użytkowanych w praktyce cyfrowy sygnał audio bez kompresji ma zawsze stałą przepływność bitową. W przypadku sygnałów skompresowanych tak być nie musi. Zależnie od tego jaki rodzaj kompresji zostanie zastosowany przepływność może być stała lub zmienna. Stąd spotykane są skróty CBR (constant bit rate - stała przepływność bitowa) oraz VBR (variable bit rate - zmienna przepływność bitowa).
Biorąc pod uwagę bardzo dużą zmienność sygnału audio nietrudno zgadnąć, że korzystniejsza dla jakości skompresowanego zapisu jest zmienna przepływność bitowa. Zmienny jest przecież sam sygnał audio i zmienna w czasie jest ilość informacji, którą trzeba kompresować. Z drugiej jednak strony dla uproszczenia przetwarzania sygnału oraz dla dopasowania się do przepustowości kanału transmisyjnego korzystniejsza jest nieraz stała przepływność bitowa. W praktyce stosuje się obydwa warianty. Przykładowo MP3 występuje zarówno w wersji CBR jak i VBR, a OggVorbis bazuje na kompresji VBR.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
Jak już wspomnieliśmy przepływność bitowa w dużej mierze określa możliwy do osiągnięcia maksymalny pułap jakości. Związek między jakością a przepływnością nie jest jednak bezpośredni, bo trzeba uwzględnić kilka dodatkowych czynników. Po pierwsze trzeba wziąć pod uwagę czy zastosowano kompresję i jakiego rodzaju jest to kompresja. Jak już wspomnieliśmy kompresja bezstratna to prosty sposób na poprawę efektywności wykorzystania dostępnej przepływności bitowej, a różnice efektywności poszczególnych kodeków bezstratnych są praktycznie pomijalne w interesującym nas tu kontekście.
Trzeba też pamiętać, że dostępne są takie techniki jak dither czy kształtowanie szumu - wpływają one na charakter oraz rozkład szumów i zniekształceń, a przy tym nie zmieniają przepływności bitowej. Wpływ na sygnał audio ma też sposób filtrowania przy konwersji analogowo-cyfrowej i konwersji cyfrowo-analogowej.
Dodatkową komplikacją jest zróżnicowanie ilości kanałów stosowanych do rejestracji dźwięku, nie zawsze możemy ograniczyć się do analizy dwukanałowgo stereo. Różne są też opinie co do tego jaka przepływność jest nam potrzebna. Według niektórych badaczy podnoszenie przepływności powyżej poziomu CD nie przynosi słyszalnych korzyści, ale jest też wiele osób, które dostrzegają słyszalne zalety wyższych przepływności.
Zwyczajowo przyjęło się, że przepływność stosowana na płycie CD jest punktem odniesienia dla wszystkich innych sygnałów audio.
Korektory: Narzędzie do Kształtowania Brzmienia
Korektor to jedno z najważniejszych narzędzi w przyborniku każdej osoby zajmującej się pracą z dźwiękiem. Wzmacniając bądź tłumiąc określone częstotliwości w sygnale, można rozwiązać wiele problemów na każdym etapie pracy, od obróbki nagrywanych sygnałów, poprzez ich miks, na masteringu kończąc. Od strony kreatywnej, korekcja odgrywa dominującą rolę w kształtowaniu ogólnego charakteru brzmienia - zarówno samodzielnie, jak i we współdziałaniu z innymi procesorami.
Dźwięk to drgania, których częstotliwość mierzymy w cyklach na sekundę, czyli hercach (Hz), a typowy dla człowieka zakres częstotliwości słyszalnych zawiera się w przedziale od 20 Hz (najniższe basy) do 20 kHz (najwyższe odbierane przez nas częstotliwości). Zadaniem korektora jest wzmacnianie i/lub tłumienie wybranych pasm tego zakresu. W kontekście produkcji muzyki, sygnały, z jakimi pracujemy, często wymagają wprowadzenia takiej korekcji po to, aby razem tworzyły spójny miks.
Współczesne korektory oferują szereg pasm roboczych, które można ustawiać w wybranych zakresach, aplikując w nich tłumienie lub wzmocnienie. Najprostszym typem nowoczesnego korektora jest korektor graficzny, w którym każde pasmo ma własny, ustawiony na stałe zakres i przypisany do niego suwak wzmocnienia/tłumienia. Znacznie częściej jednak korzystamy z bardziej elastycznego typu korektora, jakim jest korektor parametryczny. Oferuje on możliwość wyboru pasma roboczego oraz głębokości wzmocnienia/tłumienia.
Cechą charakterystyczną pełnej korekcji parametrycznej jest dostępność parametru Q, czyli dobroci filtru. Określa ona zasięg oddziaływania filtru na częstotliwości powyżej i poniżej ustawionej częstotliwości środkowej. W teorii, przetwarzanie tylko jednej częstotliwości w całkowitej izolacji od innych jest dla naszego słuchu wyjątkowo nienaturalne, dlatego też regulacja szerokości oddziaływania jest bardzo istotna.
Współczesne korektory pozwalają na zdefiniowanie kształtu charakterystyki każdego z pasm filtracji, jakie w jego ramach wykorzystujemy. Filtry pasmowe (zwane też stożkowymi, dzwonowymi lub szczytowymi) stosowane są do zabiegów typowo naprawczych, interwencyjnych. Z kolei filtry półkowe, równomiernie podbijające lub tłumiące wszystkie częstotliwości powyżej/poniżej wybranej, przydają się do kształtowania ogólnej charakterystyki brzmienia, wpływając na najwyższe lub najniższe pasma.
Dla kontroli najniższych i najwyższych częstotliwości stosuje się zazwyczaj filtry górno- i dolnoprzepustowe. Pierwsze przepuszczają jedynie pasma wyższe od częstotliwości filtracji, a drugie tylko pasma niższe. Nachylenie filtru - które może wahać się od płytkiego 6 dB/oktawę do ekstremalnego 96 dB/oktawę - definiuje skuteczność działania filtracji.
Wzmacnianie lub tłumienie wybranych pasm w praktyce oznacza zmianę ich głośności. Nasz słuch podświadomie wybiera dźwięki głośniejsze jako „lepsze”, często więc każde wzmocnienie wydaje się optymalne. Niemal wszystkie ścieżki w naszym miksie wymagają obróbki w zakresie najniższych i najwyższych częstotliwości.
Poza standardową korekcją, wśród procesorów służących do pasmowego przetwarzania sygnałów znajdziemy też bardziej zaawansowane rozwiązania. Wiemy już, że korektor wyposażony jest w filtry, których zadaniem jest wzmacnianie lub tłumienie wybranych pasm częstotliwości dla ukształtowania charakteru brzmieniowego lub dopasowania poszczególnych ścieżek w celu uzyskania spójnego miksu.
Korektory różnią się między sobą funkcjonalnie i konstrukcyjnie. Większość z nich to tzw. korektory minimalnofazowe - tak jest w przypadku wszystkich korektorów analogowych i sporej większości cyfrowych. Oznacza to, że wprowadzają przesunięcie fazowe w obrębie działania filtrów - każdorazowe ich użycie powoduje nieznaczne opóźnienie jednych częstotliwości względem pozostałych. Niekiedy owo przesunięcie fazowe jest pożądanym efektem ubocznym pracy korektora, dzięki któremu niektóre typy korekcji sprawiają wrażenie „lepiej” brzmiących niż inne.
W innych przypadkach, przesunięcie fazowe może mieć skutki negatywne, polegające na subtelnej zmianie kształtu przebiegu lub rozmyciu transjentowych szczegółów, zwłaszcza przy głębokiej korekcji. I w takich sytuacjach na scenę wchodzą korektory z liniową fazą. Ich konstrukcja sprawia, że wszystkie częstotliwości są opóźniane o tę samą wartość, zatem obiektywnie rzecz biorąc nie są wprowadzane żadne przesunięcia fazy. Wadą tego rozwiązania jest konieczność buforowania sygnału, co w praktyce przekłada się na jego opóźnienie jako całości.
Zachowanie liniowej fazy ma znaczenie wszędzie tam, gdzie przetwarzamy równolegle dwie kopie tego samego sygnału albo nagrywamy to samo źródło wieloma mikrofonami. Jednym z przykładów tego stanu rzeczy jest wielomikrofonowe ujęcie perkusji lub zespołu grającego na żywo. W takich zastosowaniach spójność fazowa jest bardzo ważna, a korekcja z liniową fazą prezentuje pełnię swych zalet.
Podczas stosowania korekcji dla całego miksu, staraj się aplikować bardzo subtelne zmiany, uważnie słuchając, czy nie pojawia się rozmycie dźwięku.
Filtry w Produkcji Muzycznej
Jeśli zajmujesz się produkcją muzyczną, z całą pewnością używasz różnego typu filtrów. Możesz stosować ich częstotliwość odcięcia w przypadku syntezatorów dla zmiany tonu i kreowania charakteru brzmieniowego. Możesz też używać ich do odcięcia najniższych, nieużytecznych częstotliwości w sygnale z mikrofonu lub w pętli perkusyjnej.
Filtry służą do usuwania (lub filtrowania) określonych częstotliwości w sygnale. Gdyby każdy materiał muzyczny zawierał pełne spektrum częstotliwości, wówczas cały miks byłby zbyt przeładowany, by zainteresować swoim brzmieniem.
Niemal każdy sygnał muzyczny składa się z wielu częstotliwości, a zatem filtry, poprzez selektywne wycinanie, dają możliwość określania jego ostatecznego kształtu sonicznego. Można je nawet łączyć dla uzyskania specyficznych efektów brzmieniowych. A zatem nawet najprostszy filtr musi się znaleźć wśród narzędzi, z których korzystamy.
Na kształtowaniu za pomocą filtrów sygnału bogatego w częstotliwości w znacznej mierze bazuje synteza subtraktywna. Jest to zresztą technika, z której korzystamy na co dzień, filtrując odpowiednie zgłoski poprzez odpowiednie stosowanie naszego aparatu mowy.
Zapewne spotkałeś się z tym, że słowa „filtr” i „korektor” są często używane zamiennie, ale jest między nimi różnica: korektor to połączenie przynajmniej dwóch filtrów. Można zatem przyjąć, że filtry takie jak Vengeance Philta CM służą do prac kreatywnych, podczas gdy korektory takie jak eaReckon CM-EQUA 87 lub DDMF’s IIEQ Pro CM pozwalają na precyzyjne cięcia i podbicia częstotliwości w miksie. Nie zmienia to jednak faktu, że korektory mogą być wykorzystywane do kreatywnego filtrowania sygnału, a filtry do chirurgicznego usuwania.
Realizatorzy miksu często stosują „filtrowanie basu poniżej 60 Hz” (lub innych częstotliwości), aktywując w tym celu korektor z filtrem górnoprzepustowym. Jeśli jednak chcesz wzmocnić lub stłumić określone pasmo sygnału - aby usunąć rezonans lub dopasować partię do miksu - najlepiej jest użyć do tego typowego korektora, który daje więcej możliwości ustawień i oferuje większą precyzję.
Parametr rezonansu w filtrze określa wielkość podbicia pasma z centrum w częstotliwości odcięcia. Niektóre filtry potrafią rezonować w taki sposób, że przy maksymalnym ustawieniu rezonansu (czasem też określanego dobrocią, Q) układ filtru zamienia się w oscylator generujący częstotliwość zgodną z częstotliwością odcięcia. Filtry z samooscylacją świetnie sprawdzają się przy uzyskiwaniu efektów wzrostu napięcia poprzez ich przestrajanie, zwłaszcza gdy parametr częstotliwości poddamy modulacji. To także doskonały sposób na dodanie do brzmienia agresywnego charakteru, szczególnie gdy częstotliwość filtru jest powiązana z wysokością granego dźwięku w syntezatorze.
Idealną sytuacją w miksie jest to, gdy każdy jego element zajmuje własną przestrzeń w paśmie częstotliwości. Nieznaczne nachodzenie pasm poszczególnych instrumentów jest rzeczą naturalną, ale w większym zakresie prowadzi to do efektów „fazowania” czy zamulania brzmienia. Filtry usuwają częstotliwości, pozwalając odpowiednio osadzić poszczególne partie.
Antywibracyjne Podstawy do Sprzętu Audio
Niepozorne drgania mogą zniszczyć nawet najbardziej dopracowaną scenę dźwiękową - podstawy antywibracyjne pozwalają odzyskać kontrolę nad brzmieniem, zapewniając wyraźnie czystszy i zrównoważony odsłuch. Niezależnie od tego, czy korzystamy z gramofonu, odtwarzacza CD, czy końcówki mocy - każdy z tych komponentów narażony jest na wpływ mikrowibracji generowanych zarówno przez podłoże, jak i przez samo urządzenie.
Wibracje wpływające na komponenty audio są jedną z najczęstszych przyczyn degradacji dźwięku - podstawy antywibracyjne mają za zadanie zminimalizować ich wpływ, stabilizując pracę urządzeń i eliminując rezonanse. W praktyce przekłada się to na większą detaliczność, lepszą separację kanałów i głębszą scenę dźwiękową. Zastosowanie odpowiednio dobranych izolatorów mechanicznych poprawia brzmienie nie poprzez korektę toru sygnałowego, ale dzięki fizycznemu wygaszeniu zakłóceń, które zakłócają naturalny przepływ informacji w układzie elektronicznym.
Zjawisko rezonansu, do którego dochodzi, gdy częstotliwości drgań zewnętrznych zbliżą się do częstotliwości własnych danego urządzenia, powoduje niekontrolowane zniekształcenia. Właśnie wtedy izolatory drgań zaczynają pełnić kluczową funkcję - tłumią i rozpraszają energię, której nadmiar wpływa na czułe układy elektroniczne. Poprawa dynamiki, większa przejrzystość w zakresie wysokich tonów oraz lepsze skupienie sceny to tylko niektóre z zalet wynikających z ograniczenia drgań.
Podstawy antywibracyjne są propozycjami, które zaspokajają potrzeby zarówno początkujących entuzjastów dobrego brzmienia, jak i doświadczonych audiofilów, poszukujących maksymalnej precyzji w odsłuchu. Jeśli dopiero budujemy swój pierwszy system stereo, warto zadbać zarówno o dobór źródła i wzmacniacza, jak i o sposób, w jaki te urządzenia są ustawione. Nawet niewielkie, budżetowe zestawy potrafią zyskać na czystości i selektywności brzmienia po zastosowaniu odpowiednich izolatorów.
tags: #filtracja #sygnału #audio #podstawy
