Headroom: tutto quello che c’è da sapere [seconda parte]

Premessa

Nota della redazione:
Questo articolo è da intendersi come puramente divulgativo, cioè è stato concepito per essere accessibile alla maggior parte dei lettori. E’ quindi volutamente esente da complicazioni, tecnicismi, formule matematiche, etc. Questa sua natura gli conferisce inevitabilmente un limitato valore scientifico, a vantaggio di una immediata utilità pratica. Pertanto, rimandiamo a fonti più accademiche l’approfondimento nozionistico dei concetti esposti. In ogni caso, saremo lieti di fornire ogni informazione o chiarimento sugli argomenti che qui presentiamo in maniera volutamente elementare. Potete commentare o utilizzare il nostro form.
Grazie a tutti.

Leggi anche: Tutto quello che c’è da sapere sull’headroom [prima parte]

Il concetto di headroom è fondamentale per il suono dal vivo e la registrazione ed ha diverse implicazioni nell’audio sia digitale, sia analogico. Dal punto di vista tecnico, misurato in dB è il rapporto tra la quantità massima di segnale non distorto che un sistema può gestire ed il livello medio per il quale è progettato quel sistema.  Il concetto chiave è “senza distorsione”. Quando si supera il margine dell’headroom, si verifica una distorsione. Potrà sembrare una cosa positiva con un amplificatore valvolare per chitarra, magari un Marshall. Ma per un sistema PA o una console di mixaggio, non è assolutamente una buona cosa.

La distorsione intersample

A volte capita di superare l’headroom disponibile senza alcuna causa evidente. Anche se a prima vista tutti i livelli sembrano impostati in maniera appropriata, possono verificarsi  problemi relativi all’headroom apparentemente difficili da risolvere. Uno di questi è la distorsione intersample.

Per chiarire come si verifica, e quindi come porvi rimedio, occorre fare prima una considerazione. La maggior parte dei VU-meter digitali mostra il valore numerico effettivo dell’intensità della traccia o del mix. Ciò significa che se il programma sta suonando a 0dBFS, il valore visualizzato sul misuratore sarà 0. Questo è ciò che avviene all’interno di una DAW, o di un  banco digitale. Successivamente, la conversione dell’audio digitale in analogico, può comportare valori effettivi più alti rispetto ai campioni di partenza. Questo meccanismo è alla base del fenomeno della cosiddetta distorsione intersample (tra campioni)

Questo tipo di distorsione può verificarsi quando alcuni campioni, dopo aver utilizzato il massimo headroom disponibile, passano attraverso un filtro smoothing di uscita del convertitore D/A per ricostruire la forma d’onda originale. Infatti la forma d’onda ricostruita potrebbe avere un’ampiezza maggiore rispetto al livello di picco dei campioni da cui si è originata. Ciò significa che il segnale ora supera l’headroom massimo del sistema di riproduzione

Figura 2: A partire dalla forma d’onda audio analogica campionata in (A), alzando il livello dell’audio digitale fino al massimo headroom disponibile (B) si può superare il margine massimo quando si passa attraverso il filtro smoothing (C) che ricostruisce la forma d’onda analogica.

(photo credit: Hal Leonard, Musician’s Guide to Home Recording)

Qualche dB di margine

A meno che i meter della DAW o del mixer digitale su cui si sta lavorando non segnalino  il verificarsi della distorsione intersample, è buona pratica lasciare qualche dB di margine per evitare questo inconveniente.   Infatti, se si crea un file digitale (o anche un CD) per la riproduzione analogica (ad esempio attraverso i monitor di riferimento dello studio) utilizzando tutta l’headroom a disposizione a 0 dBFS, è molto probabile che  il convertitore D/A dell’ascoltatore creerà questa distorsione. Molti esperti di mastering raccomandano livelli di picco assoluti non superiori a -1,0 dBFS.

L’altro problema è che quando si sta mixando, se non si è consapevoli della possibilità di distorsione intersample, il sistema di monitoraggio potrebbe produrre una distorsione non sempre immediatamente percepibile. In ogni caso però il mix sarà basato su un suono distorto. Naturalmente, la gravità di questo problema dipende dalle caratteristiche del materiale musicale stesso. In ogni caso,  durante il mix è buona pratica lasciare qualche dB di headroom all’uscita master senza portare il livello massimo a 0 dB. Di questo potrà occuparsi chi curerà il mastering.

Il DC Offset: il ladro di headroom

Il DC offset, pur non essendo un problema particolarmente comune, può essere responsabile di alcuni problemi legati ad un headroom ridotto. I più frequenti sono: irregolarità nel mastering,  click e  pop durante l’editing, erronea elaborazione di alcuni effetti, etc.

Nell’ambito dei circuiti analogici, se un circuito ha un segnale in ingresso pari a zero, in teoria anche la tensione di uscita dovrebbe essere di 0 volt. In realtà, eventuali imperfezioni all’interno dei chip o la corrente presente all’uscita dell’alimentatore, anche con in assenza di segnale in ingresso, a volte possono produrre una tensione continua statica di qualche millivolt. Questo scostamento prende il nome di DC offset (DC = direct current).

Normalmente questo non avrebbe importanza, ed in realtà ne ha sempre avuta poca, fino a quando, a partire dagli anni ’40, con la diffusione degli amplificatori operazionali, si cominciarono ad applicare grosse quantità di gain. Infatti, se lo stadio che presenta un certo DC offset è seguito da uno stadio che fornisce molto guadagno, anche una piccola tensione all’ingresso genera una tensione di uscita significativa.

Ad esempio, anche con un offset molto basso di +0,002 volt all’ingresso, un preamplificatore microfonico può implicare  un offset mille volte più grande, fino a +2 volt in uscita. Ciò riduce l’headroom di 2 volt. (E’ stato già detto qui che la corrente rappresenta un limite fisico all’headroom disponibile)

Una delle soluzioni più semplici adottate nell’audio analogico è usare un condensatore che blocca tensioni continue come quella dell’offset, ma lascia passare tensioni alternate, come l’audio.

Il DC offset nell’audio digitale

Nell’audio digitale, il DC offset può verificarsi

1. per le caratteristiche costruttive dell’interfaccia con cui si acquisisce un segnale analogico, oppure
2. per problemi non prevedibili che aggiungono DC offset ad un file importato nel computer.

In entrambi i casi, il DC offset appare come una linea base che non corrisponde con la previsione del “vero” 0 volt.  (fig. 3)

Fig. 3 In questi due colpi di cassa. Il primo ha una notevole quantità di DC offset. Il secondo invece è stato corretto. Poiché per questo secondo colpo ora è disponibile più headroom, può raggiungere un maggiore livello di picco rispetto al primo, il cui picco positivo utilizza tutto l’headroom disponibile.

(photo credit: Hal Leonard, Musician’s Guide to Home Recording)

Ci sono due modi principali per risolvere il problemi di DC offset quando si utilizzano software per il trattamento dell’audio digitale.

1. La maggior parte dei software professionali di editing audio e registrazione multitraccia include una funzione di correzione del DC offset. Generalmente si trova nel menu di elaborazione insieme ad altre funzioni come change gain, reverse, phase shift, etc. Altre volte è disponibile come plug-in. Questa funzione analizza il segnale e aggiunge o sottrae la quantità necessaria di correzione per assicurarsi che 0 è 0.
2. Si può applicare un filtro passa-alto piuttosto ripido che tagli tutto al di sotto dei 20Hz o giù di lì. In linea di massima, non è una cattiva idea tagliare comunque la parte più bassa dello spettro, anche se non c’è DC offset. Questo perché la maggior parte degli altoparlanti non può riprodurre segnali di frequenza così bassa. Di fatto queste frequenze occupano inutilmente larghezza di banda e potenza dell’amplificatore.

Conclusioni

In verità, l’argomento headroom non è molto affascinante. Anzi può diventare noioso se paragonato alle tecniche di compressione o di microfonazione di una batteria. Ma è comunque parte integrante del mondo audio, sia analogico sia digitale. A volte, i problemi di headroom non avranno conseguenze udibili. Altre volte invece una corretta gestione dell’headroom potrà fare la differenza. Per questo è importante fare un appropriato gain staging e fare un attento check-up del sistema su cui si sta lavorando per sfruttare al meglio tutto l’headroom disponibile senza superarlo.

fonte: https://www.sweetwater.com/insync/need-know-headroom/