Audio Analyzer – seconda parte

di Marco Re e Livio Argentini

Le possibilità offerte dal mercato della strumentazione elettronica nel settore degli analizzatori per l’audio professionale sono meno varie che negli anni passati; rimangono comunque una serie di produttori di notevole importanza, oggetto della piccola rassegna informativa a fine articolo.
Innanzitutto, oggi gli analizzatori audio sono tutti “dual domain” – ossia possono operare sia su segnali analogici che su segnali digitali – e le loro funzioni sono spesso orientate all’audio consumer (telefonia cellulare o apparecchi acustici), mercato di riferimento dell’audio in questi anni. 
Nel seguito saranno riportate alcune indicazioni sugli analizzatori ed una carrellata dei produttori e modelli principali, caratterizzati da soluzioni di diversa complessità orientate sia alle misure per la ricerca/sviluppo che alle misure per la produzione.

L’architettura di un moderno Audio Analyzer

In questo paragrafo relativo alla descrizione di un moderno Audio Analyzer faremo riferimento primariamente all’architettura delle unità prodotte dall’azienda statunitense Audio Precision poiché la loro architettura è simile a quella delle altre macchine presenti sul mercato ed essi hanno per certo la leadership nel mercato degli analizzatori molto performanti per la ricerca e lo sviluppo (in particolare con il modello Audio Precision AP555). Costituiscono quindi, ad oggi, lo stato dell’arte.

Analizzatori Audio: la struttura fisica

I moderni analizzatori audio sono macchine costituite normalmente da una unità hardware connessa ad un PC mediante interfaccia USB. Sul PC viene eseguito un programma applicativo che governa l’analizzatore e si occupa dell’eventuale sequenziamento/parametrizzazione delle misure selezionate. Sono normalmente macchine a due o a quattro canali, ma possono talvolta essere estese a più di quattro canali nelle versioni adatte ai test di produzione (figura 1). Nel caso in cui sia necessario estendere il numero di canali oltre quelli normalmente disponibili nella macchina (che sono utilizzati in parallelo), si possono utilizzare degli switcher esterni a relè pilotati dall’unita, in modo da realizzare misure multicanale in sequenza temporale in cui il parallelismo di misura è quello dei canali interni all’analizzatore master (figura 2).

Architettura del sistema HW/SW

Le misure audio più performanti continuano ad essere effettuate mediante architetture completamente analogiche asservite ad un dispositivo di controllo digitale (un PC interno od esterno all’apparato) che gestisce le calibrazioni ed il sequenziamento/parametrizzazione delle misure. 
Alcune tra le macchine più performanti sono basate su entrambe le catene di misura: una catena di misura completamente analogica (generatore + analizzatore analogico) o una catena di misura completamente digitale (stadi di ingresso e di uscita analogici di elevata qualità). In questo caso l’audio analyzer è basato sul campionamento e quindi su convertitori da analogico a digitale e da digitale ad analogico di qualità elevata. Diciamo che, in questo caso, l’architettura dell’analizzatore audio richiama in qualche modo quella basata su una scheda audio di buona qualità associata ad un software orientato alle misure audio (a parte le performance degli stadi di ingresso e di uscita). In alcuni soluzioni il PC non è esterno ma lo strumento stesso è dotato al suo interno di una scheda PC. Il sistema operativo utilizzato dal software degli analizzatori è tipicamente Windows.

Tipologia dei collegamenti audio analogici

Gli analizzatori audio moderni hanno ingressi ed uscite bilanciati (normalmente con un approccio a trasformatore di alta qualità) dotati di connettore XLR (e spesso anche a boccola) e di ingressi ed uscite sbilanciati normalmente su connettore BNC. La tipologia di accoppiamento (balanced o unbalanced) la si sceglie mediante l’opportuno menu nel software di gestione. Nel software vengono anche specificati i parametri elettrici delle porte di ingresso (ad esempio l’impedenza sorgente del generatore) e di uscita.
Nelle figure 3 e 4 sono mostrati i particolari sui pannelli frontali degli stadi di ingresso e di uscita di un analizzatore Audio Precision.

Livelli di uscita (generatore) e di ingresso (analizzatore)

Per ciò che concerne i livelli in uscita dal generatore ed in ingresso all’analizzatore normalmente tali macchine differiscono dalla strumentazione general purpose poiché è possibile generare ed accettare in ingresso livelli molto alti ed anche piuttosto bassi in maniera molto accurata. Occorre tenere conto che nella caratterizzazione di un preamplificatore microfonico di elevata performance che abbia un guadagno di 75 dB occorre avere un certo range di livelli di segnale sinusoidale di ingresso per la misura della macchina. L’audio professionale normalmente si riferisce a livelli massimi teorici dettati dalla tensione di alimentazione degli stadi di ingresso e di uscita degli apparati. Nel caso di componenti attivi integrati (amplificatori operazionali) di qualità audio elevata tale tensione di alimentazione è normalmente ±24 V DC (alcuni op amp particolari arrivano anche a ±30 V DC). Di conseguenza, +30 dBu bilanciato è un tipico valore di massima tensione di uscita di un generatore molto performante, valore che si trova raramente nella strumentazione general purpose.

Generazione di segnale sinusoidale

Dovendo questi strumenti essere utilizzati in misure di distorsione armonica molto spinte, è fondamentale che il generatore di segnale sia caratterizzato dalle seguenti caratteristiche:

1. Elevata stabilità in frequenza
2. Elevata piattezza in banda
3. Bassissimo residuo armonico e basso rumore
4. Capaci di rendere le caratteristiche sopra elencate valide su livelli di uscita anche alti
5. Bilanciamento delle uscite mediante trasformatore.

Normalmente gli analizzatori audio di medie performance e basso costo implementano generatori sinusoidali basati sulla tecnica Direct Digital Synthesis (DDS). Tale tecnica presenta delle notevoli performance in termini di velocità di assestamento al cambio della frequenza e un’ottima precisione della frequenza impostata ma scarse performance in termini di purezza spettrale. Ciò deriva dal fatto che la generazione della sinusoide analogica (o del generico segnale periodico) viene effettuata mediante una architettura digitale (basata su un accumulatore che indirizza una tabella contenente i campioni della sinusoide). Tale tabella è connessa all’ingresso di un Digital to Analog Converter (DAC) che, opportunamente filtrato ed amplificato, genera la tensione analogica di uscita. Le attuali famiglie di DAC più performanti insieme alla architettura DDS, non possono competere per accuratezza con i generatori analogici allo stato dell’arte (derive termiche, purezza spettrale legata alle non-linearità del DAC, etc…). Per questo motivo tutti gli audio analyzer di classe elevata sono basati su generatori di segnale sinusoidale rigorosamente analogici che possono arrivare ad avere performance veramente notevoli (oltre −120 dB di THD+N nel caso dell’Audio Precision APx555, valore misurato su bande audio di tutto rispetto).

Le misure parametriche (sweep di un parametro)

I moderni analizzatori audio hanno la peculiarità di avere le sezioni analogiche asservite ad un controller digitale, consentendo interessanti semplificazioni nello svolgimento di set di misure, siano esse omogenee o non omogenee. Effettuare delle misure parametriche significa impostare uno o più parametri variabili in un certo range di valori al fine di ottenere un set di curve di risposta che caratterizzano il comportamento del dispositivo. Tali valori vengono automaticamente aggiornati durante la procedura di misura. Supponiamo, ad esempio, di voler far effettuare allo strumento una misura della distorsione armonica in funzione della frequenza (ad esempio nel range da 10 Hz a 40 kHz) per un set di diversi valori di ampiezza del segnale in ingresso (ad esempio nel range da –30 dBu a +20 dBu con step di ampiezza pari a 10 dBu).
La procedura può essere schematizzata con il seguente esempio:

Dove THDF indica la funzione di calcolo della distorsione armonica totale in funzione della frequenza. L’analizzatore audio, in questo caso, realizzerà automaticamente il loop sopra indicato occupandosi di incrementare di 10 dBu l’ampiezza della sinusoide in uscita al generatore ed effettuando per ogni ciclo uno sweep di frequenza su cui viene calcolata la THD. Il grafico che otterremo in questo caso sul diagramma è composto di una famiglia di sei curve di THD in funzione della frequenza, una per ogni differente livello della tensione sinusoidale in ingresso. Quando parliamo di misure parametriche, in genere ci riferiamo al caso in cui non abbiamo la necessità di interagire con la macchina per il cambiamento di qualche parametro mediante un attuatore sul pannello frontale. Ma in molti casi tale operazione è necessaria per la realizzazione della misura.