Misure sui dispositivi audio – 3 parte

di Michele Viola

Nei numeri scorsi abbiamo iniziato a descrivere alcune tra le specifiche audio più comuni, come ad esempio THD e IMD, insieme alle corrispondenti tecniche di misura. Qui di seguito proseguiamo con le specifiche di rumore, la banda passante e l’immunità dai disturbi di modo comune dei dispositivi bilanciati.

Le misure - terza parte
S/N o SNR - Rapporto Segnale/Rumore
Signal to Noise Ratio, in lingua inglese, si calcola misurando il rumore presente in uscita dal dispositivo in esame, senza alcun segnale in ingresso. Il valore misurato viene poi rapportato all’ampiezza di un segnale d’uscita di riferimento (solitamente il livello nominale o il livello massimo) e il risultato espresso in dB.
Anche se non viene iniettato in ingresso alcun segnale di test, l’ingresso non va lasciato aperto, o non terminato. Normalmente si lascia connesso il generatore di segnale impostato per non emettere alcun segnale in uscita. In alternativa, si può connettere in ingresso un resistore equivalente all’impedenza d’uscita della sorgente tipica per il dispositivo.

L’ampiezza del rumore in uscita può essere misurata con un voltmetro RMS preceduto da un filtro opportuno così da limitare la banda. Normalmente la misura viene effettuata su una banda di 20 kHz. Sono anche utilizzati dei filtri di pesatura, in particolare il filtro ITU‑R (CCIR) 468. Il filtraggio del rumore in uscita può produrre un risultato meglio correlato con la sensazione uditiva, ma può anche nascondere problemi nei dintorni della frequenza di rete e delle sue prime armoniche a causa dell’attenuazione introdotta in bassa frequenza.

Insieme al rapporto segnale/rumore deve venire indicato il livello di riferimento, la banda di misura e l’eventuale presenza di un filtro di pesatura.
Occorre notare che alcuni dispositivi sono dotati di un circuito di muting che azzera l’uscita in assenza di segnale in ingresso. In questo caso, essendo l’uscita “chiusa” da questo circuito aggiuntivo, il rumore in assenza di segnale risulta molto più basso di quello effettivamente presente durante il normale funzionamento. In questo caso si può ottenere una misura più significativa misurando il livello RMS dell’uscita immettendo in ingresso un segnale abbastanza elevato da aprire il circuito di muting ma contemporaneamente non così intenso da aggiungere all’uscita prodotti di distorsione armonica significativi. È sufficiente il minimo livello di segnale in grado di aprire il circuito di muting, e questo è generalmente ben riconoscibile perché in corrispondenza di tale livello d’ingresso il rumore in uscita compare improvvisamente, mentre per livelli d’ingresso inferiori l’uscita è praticamente nulla. L’uscita viene filtrata con un filtro notch (elimina-banda profondo e stretto) in modo da eliminare il tono di test, poi il segnale a valle del filtro viene ulteriormente limitato alla banda audio e misurato con il voltmetro RMS.

EIN - Rumore Equivalente in Ingresso
EIN sta per Equivalent Input Noise, ovvero rumore equivalente in ingresso, o rumore riferito all’ingresso. Questo parametro è utilizzato, tipicamente, per caratterizzare la rumorosità dei preamplificatori microfonici. Il rumore generato all’interno delle apparecchiature dotate di ingressi microfonici dipende, infatti, prevalentemente dal rumore del primo stadio di preamplificazione, per cui il rumore in uscita cresce con il guadagno. EIN è la misura del rumore equivalente aggiunto al segnale d’ingresso.

Se, ad esempio, un dispositivo ha un EIN di ‑120 dBu significa che il livello del rumore in uscita equivale al livello del segnale prodotto da un’apparecchiatura non rumorosa con in ingresso un segnale di livello ‑120 dBu. Se un microfono fornisse, in condizioni normali, un segnale di ‑40 dBu, allora il rapporto segnale/rumore equivalente all’ingresso del preamplificatore microfonico sarebbe di 80 dB, cioè il rumore aggiunto sarebbe 80 dB inferiore al segnale d’ingresso. Dato che il dispositivo maggiormente critico è il primo preamplificatore in ingresso, aumentando il guadagno dell’unità vengono amplificati nella stessa misura sia il segnale utile, sia il rumore.

EIN si può misurare impostando il guadagno dell’unità al massimo, con l’ingresso chiuso sull’impedenza d’uscita nominale; l’uscita viene poi misurata per mezzo di un voltmetro RMS preceduto da un opportuno filtro per limitare la banda e da un eventuale filtro di pesatura. La resistenza di sorgente standard è di 150 Ω. EIN, ovviamente, non può essere inferiore al rumore termico generato da questo resistore che, pertanto, definisce un limite alla performance delle apparecchiature esaminate. Non ha senso misurare il rumore equivalente in ingresso di un preamplificatore con l’ingresso in corto, perché questo non corrisponde alle reali condizioni di utilizzo del dispositivo.

Le condizioni di test che vanno specificate insieme al risultato della misura sono appunto la resistenza di sorgente utilizzata e la banda di frequenze su cui è stata eseguita la misura. È preferibile non usare filtri di pesatura, dato che questo non fa che complicare il confronto tra apparecchiature diverse.
Banda passante
La banda passante di un’apparecchiatura è l’ampiezza del range di frequenze che la attraversano. Tutte le frequenze al di sopra e al di sotto della banda passante sono attenuate. I limiti della banda passante si possono rilevare immettendo in ingresso un tono sinusoidale di elevata purezza spettrale, a frequenza variabile e di ampiezza determinata con precisione, e misurando poi l’uscita con un voltmetro RMS calibrato in dB. Generalmente si inizia con un tono di test a frequenza 1 kHz e il corrispondente valore misurato in uscita si imposta come riferimento (0 dB). Poi il segnale sinusoidale in ingresso viene traslato in frequenza verso l’alto, fino a quando il livello del segnale d’uscita si riduce di un ammontare specificato. Questo punto viene annotato come frequenza limite superiore della banda passante.

Successivamente si ripete il procedimento traslando però la frequenza del tono di test da 1 kHz verso il basso; quando il segnale d’uscita si riduce dello stesso ammontare si è raggiunto il limite inferiore della banda passante, altrimenti il limite inferiore viene posto a 0 Hz (DC). Il risultato del test va indicato insieme alla riduzione di livello ammessa. I limiti più utilizzati sono: 3 dB (ad esempio per gli amplificatori di potenza), 0,5 dB per i preamplificatori e 6 dB o anche 10 dB per le casse acustiche. Per alcune apparecchiature più sofisticate (ad esempio registratori professionali) la risposta in frequenza è spesso misurata a ±0,1 dB.
A proposito dello sweep di frequenza, c’è una raccomandazione ISO (ISO 266, che non sono riuscito a trovare in originale), riportata in IEC 268‑1, che specifica le frequenze alle quali eseguire le misure, con una precisione di 1/n d’ottava con n=1, 2, 3 o 6.

CMRR - Common Mode Rejection Ratio
In lingua italiana si chiama “rapporto di reiezione di modo comune”, è indicato per i dispositivi che dispongono di un ingresso bilanciato e fornisce una misura dell’insensibilità rispetto ai segnali di modo comune, ovvero i segnali (generalmente indesiderati) che interessano entrambi gli ingressi (positivo e negativo) nello stesso modo, usualmente disturbi a radiofrequenza o da interferenze elettromagnetiche raccolti dal cavo di connessione lungo il percorso del segnale fino all’ingresso dell’apparecchiatura in esame. Tecnicamente, si tratta del rapporto tra il guadagno differenziale e il guadagno di modo comune, espresso in dB. In teoria dovrebbe essere alto, idealmente infinito.

Si misura impostando prima di tutto l’unità ad un guadagno determinato (preferibilmente unitario), poi si inserisce su entrambi i poli dell’ingresso differenziale lo stesso segnale, attraverso due resistenze ciascuna uguale con la massima precisione possibile alla metà dell’impedenza di sorgente nominale. L’uscita dello stadio bilanciato è quindi misurata con un voltmetro RMS (e dovrebbe risultare di livello molto basso); poi si divide il livello RMS del segnale d’ingresso per il risultato della misura in uscita, ottenendo l’inverso del guadagno di modo comune, indi si moltiplica questo rapporto per il guadagno dell’unità e si esprime il risultato in dB. Il risultato può essere dipendente dalla frequenza, per cui va indicata la frequenza del segnale di test utilizzato per la misura (spesso, come al solito, 1 kHz). CMRR è assunto costante al variare del livello del segnale di modo comune in ingresso, se non è specificato altrimenti.

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 -
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