Misure sui dispositivi audio – 2 parte

di Michele Viola

Molte specifiche riguardanti le apparecchiature audio sono comuni praticamente a qualunque prodotto, indipendentemente dalla specifica applicazione. Qualunque apparecchiatura elettronica che tratti segnali audio è caratterizzata, ad esempio, da risposta in frequenza, range dinamico, livello di rumore, massimo segnale in ingresso e/o in uscita e, nel caso di apparecchiature multicanale, da quanto segnale passa, seppur indesiderato, da un canale all’altro.
Nel numero scorso abbiamo elencato i principali enti di standardizzazione ed abbiamo iniziato a descrivere le misure di alcune tra le specifiche più comuni. Proseguiamo qui di seguito.

Le misure - seconda parte
THD+N - Total Harmonic Distortion + Noise
Misurare la distorsione armonica totale (THD) con il metodo descritto nel numero scorso può risultare piuttosto tedioso perché comporta la misura delle singole armoniche una ad una. Invece di misurare ogni singola armonica, THD+N prevede un’unica misura comprendente qualunque cosa sia stata aggiunta al segnale originario. Questo è un test relativamente veloce eppure molto significativo, perché misura direttamente qualunque cosa esca dall’unità sotto test che non sia il puro risultato dell’elaborazione del tono immesso in ingresso, inclusi ronzii, fruscii ed interferenze.

THD+N è la somma RMS di tutte le componenti spurie (esclusa la fondamentale) in una banda di frequenze determinata. Gli strumenti in grado di eseguire questo test generalmente rimuovono la fondamentale dal segnale d’uscita con un filtro elimina-banda molto stretto e misurano il livello RMS di ciò che rimane usando un filtro passa-banda per eliminare tutto ciò che cade al di fuori della banda audio. Diversi strumenti analogici, soprattutto di qualche anno fa, mostrano come “THD” ciò che in realtà è la misura di THD+N. Non dovrebbero essere usati filtri di pesatura, a parte eventualmente la curva ITU‑R (CCIR) 468 (riportata in IEC 268‑1) perché è direttamente correlata alla sensazione uditiva. Per altro, dato che tale curva aggiunge 12 dB nella banda delle frequenze medie, banda spesso critica per il rumore, l’utilizzo di questo filtro produce valori di THD+N più alti rispetto alla misura non pesata, per cui viene generalmente evitato.

Per una corretta esposizione dei risultati della misura dovrebbero essere indicati, come per THD, la frequenza ed il livello del segnale di test e le impostazioni di guadagno dell’apparecchiatura sotto esame, oltre alla banda di frequenze nella quale è eseguita la misura e l’eventuale presenza di filtri di pesatura. Generalmente si usano una banda di 20 kHz e nessun filtro di pesatura.
Vale la pena puntualizzare che non ha senso, ad esempio, una misura di THD con un tono a 20 kHz, dato che nessuna armonica cadrebbe nella banda di misura. Secondo IEC (sempre in IEC 268‑1) non vanno eseguite misure di THD al di sopra dei 6 kHz quando si considerano le prime 5 armoniche in una banda di misura di 30 kHz, o 10 kHz se si considerano solo le prime tre armoniche.

IMD - Intermodulation Distortion
Anche la distorsione di intermodulazione, come la distorsione armonica, è un effetto delle non-linearità del sistema. Si tratta di prodotti di distorsione generati da un segnale di test a due toni. In presenza di non-linearità, infatti, i due toni puri interagiscono tra loro producendo componenti spurie a frequenze multiple della differenza e della somma tra i due, oltre ai toni di distorsione multipli delle singole frequenze fondamentali in ingresso. È un test significativo, dato che questa forma di distorsione risulta in genere più sgradevole all’orecchio rispetto alle non-linearità armoniche. I metodi utilizzati per la misura sono due: SMPTE e ITU‑R (CCIF).

IMD SMPTE
Questo test è stato adottato come standard negli Stati uniti nel 1941 dalla Society of Motion Picture Engineers (SMPE, non c’era ancora la “T” di Television). Il segnale di test è formato dalla somma di un tono in bassa frequenza (60 Hz) e di un tono in alta frequenza (7 kHz) non correlato armonicamente con il primo, con un rapporto di ampiezze di 4:1 (12 dB). Questo segnale è applicato in ingresso al dispositivo sotto esame e nel segnale in uscita viene esaminata la modulazione del tono ad alta frequenza da parte del tono a bassa frequenza. Per questo si può utilizzare un analizzatore di spettro oppure uno strumento di misura dedicato. Le componenti di modulazione appaiono nell’analizzatore come bande laterali, intorno alla riga spettrale a frequenza superiore, spaziate di multipli del tono a bassa frequenza. La somma RMS delle ampiezze delle bande laterali è poi espressa in percentuale rispetto all’ampiezza RMS del tono a frequenza superiore.

Il valore di picco del segnale di test andrebbe indicato insieme al risultato della misura. A volte viene invece indicato il livello del tono a 60 Hz, o meglio si imposta il tono a bassa frequenza ad un livello di +4 dBu e poi si miscela con il tono a 7 kHz al livello di ‑8 dBu (cioè 12 dB più basso).
Vengono usate anche altre frequenze. DIN, ad esempio, raccomanda 250 Hz e 8 kHz. I produttori giapponesi spesso utilizzano 70 Hz per il tono a bassa frequenza. L’uso dei 70 Hz ha il vantaggio di non essere correlato con le frequenze di rete a 50 Hz o a 60 Hz, entrambe utilizzate in Giappone. In altre applicazioni, come la telefonia, dove la banda è particolarmente ristretta, si usa un’altra variante con un tono in bassa frequenza dai 300 Hz ai 500 Hz e un tono in alta frequenza a 3 kHz.

IMD ITU (CCIF)
Questo test prevede l’utilizzo di un segnale di test composto da due toni di pari livello, ad alta frequenza e vicini tra loro, per poi osservare in uscita le frequenze prodotte dal battimento. L’utilizzo del battimento per l’analisi della distorsione è stato utilizzato in Europa da molto tempo, ma non è stato considerato standard fino a quando CCIF non ha espresso una raccomandazione in proposito nel 1937. Ultimamente CCIF è confluito in ITU, per cui il test è ora riferito allo standard ITU.

Comunemente si usano due toni, spaziati tra loro di 1 kHz, a frequenza più possibile elevata, come 19 kHz e 20 kHz. Le frequenze prodotte dall’intermodulazione si trovano sottraendo la frequenza più bassa dalla più alta, poi calcolando la differenza tra il doppio della frequenza del primo tono e la frequenza del secondo, poi ancora il doppio della frequenza del secondo meno il primo e così via. Ancora una volta, la somma RMS delle ampiezze dei prodotti di distorsione viene espressa in percentuale rispetto all’ampiezza RMS di ciascuna delle due componenti del segnale di test. Solitamente si considerano solo le prime due o tre componenti, ma nel caso più comune di 19 kHz e 20 kHz si misura spesso solo la componente a 1 kHz. Insieme al risultato del test vanno indicate le frequenze dei due toni utilizzati e la loro ampiezza.

Lo spazio disponibile è terminato, quindi per il momento ci fermiamo qui, ma la lista è ancora lunga e proseguirà nei prossimi numeri.

Riferimenti:
Dennis A. Bohn: The Bewildering Wilderness - Sound & Video Contractor - September 2000 http://www.rane.com/pdf/bewilder.pdf
Dennis A. Bohn: Audio Specifications - RaneNote 145 - http://www.rane.com/pdf/note145.pdf
CEI-IEC 268-1 - Sound System Equipment - Part 1: General
CEI-IEC 268-2 - Sound System Equipment - Part 2: Explanation of general terms and calculation methods