Les processeurs de signal numérique (DSP) propulsent votre système audio au niveau supérieur
L'ajustement ou la modification des signaux audio n'est pas nouveau. Les processeurs de signal analogiques équipent les studios d'enregistrement et les spectacles en direct depuis des décennies. Égaliseurs, filtres de séparation (crossovers) et compresseurs ont vu le jour à l'époque où les tubes à vide régnaient en maîtres. Avec l'avancée technologique, la taille, le coût et la complexité des processeurs de signal ont diminué. Aujourd'hui, de nombreuses sources audio automobiles intègrent plus de puissance de traitement que les premiers studios d'enregistrement. Cet article examine les processeurs de signal numérique (DSP), leurs fonctions et pourquoi vous en avez besoin.
Un environnement hostile
Si nous placions une enceinte large bande domestique dans un champ ouvert et mesurions sa réponse en fréquence, nous obtiendrions une courbe relativement plate et lisse. Placez cette même enceinte dans une petite pièce et mesurez à nouveau : vous verrez des pics et des creux à diverses fréquences. Ce changement n'est pas dû à l'enceinte, mais à la pièce elle-même. Les réflexions créent des nœuds et des antinœuds (pics et vallées) qui affectent considérablement la réponse en fréquence perçue du système. Pour maximiser notre plaisir d'écoute, nous devons appliquer une correction du signal à l'enceinte afin que ce que nous entendons soit similaire à l'expérience en champ libre.
Dans une voiture, nous sommes rarement assis exactement au centre entre les enceintes gauche et droite. Le conducteur est généralement deux fois plus éloigné de l'enceinte droite que de la gauche. Nous entendons d'abord la sortie de l'enceinte gauche, qui semble plus forte car elle est plus proche. Gardez cela à l'esprit alors que nous discutons des processeurs de signal numérique (DSP).
Limites des haut-parleurs
Aucun haut-parleur unique ne peut reproduire l'ensemble du spectre audio de 20 Hz à 20 kHz avec précision, détail et dispersion uniforme. Même s'il en existait un, les niveaux de distorsion dans les médiums et aigus resteraient élevés en raison des exigences d'excursion du haut-parleur aux basses fréquences. C'est pourquoi nous utilisons plusieurs haut-parleurs pour couvrir la bande audio. Les woofers ou subwoofers couvrent les basses, généralement jusqu'à 80 ou 100 Hz. Les médiums couvrent la plage de 100 Hz à environ 4 000 Hz. Enfin, les tweeters couvrent les fréquences au-dessus de 4 000 Hz. Bien que ce soient des approximations, ce sont des points de coupure courants pour ces haut-parleurs.
Un filtre de séparation (crossover) est un dispositif qui limite le passage des signaux audio. Deux types courants sont utilisés en audio automobile : passe-haut et passe-bas. Leur nom décrit leur fonction. Un filtre passe-haut laisse passer les fréquences supérieures au point de coupure, tandis qu'un filtre passe-bas laisse passer les fréquences inférieures. Un passe-haut empêcherait les basses profondes d'atteindre un petit haut-parleur de porte ou de tableau de bord, tandis qu'un passe-bas empêcherait les informations de médiums et d'aigus d'atteindre un subwoofer. Nous pouvons combiner les deux types pour créer un filtre passe-bande – limitant les informations de basses et d'aigus. On l'utilise sur un médium lorsqu'on le combine avec un woofer et un tweeter. (Nous aborderons les crossovers en détail dans un autre article.)
En audio automobile, nous utilisons des crossovers actifs et passifs. Les crossovers passifs combinent condensateurs, résistances et bobines connectés aux fils de haut-parleur entre l'amplificateur et le haut-parleur. Le comportement des composants et leur configuration limitent les fréquences autorisées à passer vers le haut-parleur.
Un crossover actif est un dispositif électronique qui affecte la réponse en fréquence du signal avant l'amplificateur. L'avantage des crossovers actifs est qu'il est facile de les ajuster à différentes fréquences. La plupart des composants de crossover passif doivent être remplacés pour ajuster la fréquence de coupure d'un réseau passif.
Ces informations nous donnent une compréhension de base de la nécessité du traitement du signal. Pendant des décennies, l'industrie de l'électronique mobile a survécu et prospéré grâce au traitement analogique. Des entreprises comme AudioControl, Phoenix Gold, Rockford Fosgate et Zapco fabriquaient des égaliseurs et des crossovers, et les passionnés s'y précipitaient comme des papillons de nuit vers une flamme.
Avec l'avancée de la puissance de calcul, des produits comme le Rockford Symmetry sont apparus. Le Symmetry était un processeur analogique à commande électronique – une création fantastique permettant aux utilisateurs de faire de nombreux réglages depuis un seul panneau de contrôle informatisé.
L'évolution suivante fut de tout faire dans le domaine numérique, plutôt qu'analogique. Comment cela fonctionne-t-il ?
Blocs de construction
Un DSP est un puissant processeur de signal audio dont le matériel et le logiciel sont optimisés pour effectuer un traitement à haute vitesse en temps réel. Certains processeurs moins coûteux intègrent les convertisseurs analogique-numérique et numérique-analogique dans la puce elle-même. Sur les unités haut de gamme, les convertisseurs analogiques sont des composants externes. De meilleurs convertisseurs N/A offrent une résolution accrue et une meilleure performance du rapport signal/bruit. Une fois le signal audio dans le domaine numérique, un DSP ne diffère guère d'un autre. Les algorithmes sont écrits de manière similaire pour le filtrage, l'égalisation et l'alignement temporel.
Pourquoi vouloir un DSP plutôt qu'un processeur analogique ? Dans un DSP, il n'y a pas de préoccupations liées aux tolérances des composants ou aux variations de température qui affecteraient la réponse du traitement. Avec la bonne interface, les utilisateurs peuvent accéder rapidement à différents préréglages système et stocker un nombre illimité de configurations sur leur ordinateur. La plupart des unités DSP n'incluent aucun réglage analogique, comme des potentiomètres ou des commutateurs, qui peuvent s'encrasser ou s'user avec le temps. Les vibrations qui pourraient entraîner une défaillance des composants dans un système analogique affectent rarement les DSP.
Fonctionnalités des processeurs de signal numérique
Une fois un signal analogique converti en numérique, le traitement de signal disponible n'est limité que par le logiciel écrit pour l'unité choisie. La limite des fonctionnalités du logiciel est généralement déterminée par la mémoire disponible du processeur lui-même. Il faut de l'espace pour stocker le programme, et de l'espace supplémentaire pour stocker l'information analogique convertie pendant que le processeur travaille avec celle-ci. Lorsqu'un processeur offre plus de fonctionnalités qu'un autre, la différence est généralement une limitation de mémoire.
Entrées et sommation de signaux
La plupart des unités DSP sur le marché peuvent combiner et ajuster le niveau des signaux audio à l'entrée du DSP. Si vous avez un autoradio avec sorties avant, arrière et subwoofer, vous voudrez peut-être conserver tous ces canaux de manière discrète pendant le traitement du signal audio.
Qu'en est-il lorsque vous essayez d'intégrer un amplificateur d'origine ? Vous avez peut-être une sortie médium et tweeter de porte avant provenant d'un amplificateur que vous devez utiliser pour vos nouvelles enceintes avant. La plupart des processeurs de signal numérique permettent de combiner des signaux de plusieurs entrées pour faciliter de telles applications.
Puisque différentes sources ont des niveaux de tension de crête différents, les entrées de votre DSP ont des sensibilités réglables. Tout comme le contrôle de gain sur un amplificateur, nous voulons régler les gains d'entrée de notre DSP pour maximiser le rapport signal/bruit du processeur.
Crossovers et filtrage
Comme mentionné, différentes tailles de haut-parleurs sont conçues pour concentrer leurs performances dans différentes gammes audio. Un médium de 3 pouces ne jouera pas la même gamme de fréquences qu'un tweeter de 1 pouce ou un woofer de 16,5 cm. Nous utilisons les crossovers du DSP pour diviser les fréquences envoyées à chaque sortie et haut-parleur.
Un avantage de faire tout le traitement de crossover dans le domaine numérique est que de nombreux DSP offrent différents alignements de filtres de crossover et pentes de coupure. L'alignement décrit la forme de l'atténuation autour du point -3 dB. Cette forme affecte également la façon dont les signaux se recombinent acoustiquement. Les options incluent Butterworth, Linkwitz-Riley, Chebychev, Bessel et plus. Ce n'est pas qu'un soit meilleur qu'un autre, mais chacun est distinct et différent. Nous pourrions écrire un article entier sur les alignements de crossover.
La pente de crossover décrit à quelle vitesse le son s'arrête lorsque le signal s'éloigne du point de coupure. Comme c'est tout numérique, la plupart des DSP offrent des pentes de -6 dB à -48 dB par octave, par pas de 6 dB ou 12 dB selon l'alignement choisi. Dans la plupart des cas avec les DSP, un filtrage Linkwitz-Riley 24 dB/octave fonctionne très bien, mais il existe des dizaines d'approches de réglage différentes, alors utilisez ce qui fonctionne bien pour vous.
Alignement temporel et délai de signal
L'une des fonctionnalités les plus intéressantes d'un DSP est sa capacité à stocker le signal audio pendant une durée variable avant de l'envoyer au haut-parleur. Cette capacité de stockage permet à un installateur correctement formé de retarder le signal allant aux haut-parleurs les plus proches de l'auditeur afin que le son créé par eux arrive à la position d'écoute en même temps que celui des autres haut-parleurs. Pour les systèmes quatre voies (subwoofer, médium-grave, médium et tweeter), cette configuration et ce réglage fin peuvent prendre un certain temps.
Égalisation
La capacité d'affiner la réponse en fréquence de chaque haut-parleur dans un système audio est une clé majeure pour faire sonner ce système de manière incroyable. Nous devons mesurer la réponse de chaque haut-parleur à la position d'écoute, puis ajuster l'égaliseur pour que chaque haut-parleur produise une réponse lisse. Il existe de nombreuses façons d'y parvenir.
Les égaliseurs graphiques offrent généralement 31 bandes d'égalisation par canal, espacées d'un tiers d'octave. Cet espacement fournit généralement suffisamment de résolution en fréquence pour résoudre les problèmes de réponse. Les égaliseurs graphiques sont faciles à comprendre : vous choisissez la bande de fréquence souhaitée, puis vous amplifiez ou atténuez le signal du montant de votre choix.
Les égaliseurs paramétriques sont beaucoup plus puissants, mais peuvent être un peu plus difficiles à configurer. Dans un égaliseur paramétrique, l'utilisateur peut choisir la fréquence, la bande passante et le montant d'amplification ou de réduction du signal. Comprendre le choix de la fréquence est simple, mais comprendre le facteur Q du filtre est plus difficile. En ce qui concerne Q, le concept de base est qu'un nombre plus élevé signifie que l'ajustement de la bande affecte une gamme de fréquences plus étroite. Un nombre faible, comme 0,7 ou 1, couvre une gamme de fréquences plus large. Configurer un égaliseur paramétrique avec précision demande de la pratique. Cela dit, certaines applications logicielles fourniront automatiquement les informations de réglage après avoir mesuré la réponse en fréquence du haut-parleur ou du système.
Niveau de sortie et télécommandes
La capacité de régler finement le niveau de sortie de chaque haut-parleur est cruciale pour la performance d'un système audio. Pour obtenir une scène sonore précise et équilibrée, l'amplitude (niveau) de chaque haut-parleur du système doit être ajustée très précisément. Le contrôle du niveau de sortie est également très important pour égaliser l'efficacité des différents haut-parleurs.
De nombreuses unités DSP offrent l'option d'une télécommande. Ces contrôles peuvent être utilisés pour ajuster le volume global du système et le niveau de sortie du subwoofer, et peuvent généralement charger des préréglages pour le processeur. Les contrôleurs plus avancés donnent accès à certaines fonctions de réglage du système, permettant des ajustements sans avoir besoin d'un ordinateur portable. Les affichages sur ces télécommandes varient des simples panneaux LCD matrice de points monochrome aux écrans OEL couleur complets faciles à lire en plein soleil.
Réglage du processeur de signal numérique – Art ou processus ?
Il existe de nombreuses écoles de pensée sur la façon de configurer un DSP. Que vous le fassiez en utilisant des mesures instrumentées ou différentes techniques acoustiques, nous voulons obtenir une protection adéquate pour les haut-parleurs, une réponse en fréquence lisse des deux canaux du système audio et des temps d'arrivée alignés pour chaque haut-parleur.
De nombreux fabricants d'audio automobile forment leurs revendeurs à différentes méthodes pour obtenir un excellent "réglage" sur les véhicules de leurs clients. Si vous cherchez à améliorer le son de votre système de divertissement mobile et que vous avez déjà d'excellents haut-parleurs et amplificateurs, rendez visite à votre professionnel local de l'audio automobile. Il sera heureux de vous démontrer les avantages des DSP et de vous fournir les informations nécessaires pour prendre une décision éclairée sur l'achat d'un tel appareil.