Decibel e Meter – III

Digital Meter

I digital meter ( fig. 1 ) sono i meter che identificano i valori di uscita ed ingresso del segnale su scala digitale utilizzati in apparecchiature audio digitali ( dopo il convertitore A/D e prima del convertitore D/A se parliamo di ingressi ed uscite analogiche ) e software.

fig. 1 2016-01-06_19-00-15

A livello hardware sono tali e quali ai true peak meter e cio’è display a led ( fig. 2 ) solo gestiti da circuiti integrati il cui dominio della tensione è quello digitale ( quadro ) ed il livello è quello da standard digitale in quanto il segnale audio una volta convertito da analogico in digitale viene elevato a livelli di tensione per lo standard digitale.

fig. 2 2016-01-06_00-52-41

Come definito in digitale il massimo valore prima della distorsione è 0 dBFS o Clip.

Generalmente sono led o barre grafiche colorate di verde fino al livello di riferimento per lo standard analogico ( – 24 dBFS per lo standard SMPTE e – 18 dBFS per lo standard EBU ), cosi da poter consentire il corretto interfacciamento tra dispositivi analogici e digitali, ed arancioni fino a – 1 dBFS, mentre è rosso lo 0 dBFS ad indicare valori di distorsione.

A livello software soprattutto nelle DAW ( Digital Audio Workstation ) e soprattutto per i controlli Master come per la figura 1, i meter digitali sono spesso arricchiti di ulteriori funzionalità di grafica e controllo, come ad esempio il Peak Hold sia per il picco che per il valore RMS, valore del segnale RMS e di picco su barre separate per consentire una corretta visualizzazione dell’Headroom ( range che va dal valore RMS al valore di Picco ) in modo da gestire il loudness del programma audio, complete indicazioni numeriche con precisione alla virgola, Pan, Fase del segnale ed altro. Oltre che trovare a volte differenti colori a seconda del livello del segnale, quindi non più solo verde, giallo, rosso, ma tonalità da colori più freddi per segnali di basso valore a colori più caldi fino al rosso dello 0 dBFS.

Il Digital Meter è in tutto e per tutto il meter più rapido e preciso nel fornire dati sul livello del segnale circolante. Come unico difetto ha il fatto di dipendere da un processore CPU e anche GPU se a livello software, che a seconda della sua qualità e delle sue prestazioni può rendere il sistema instabile e creare errori nel processamento e quindi visualizzazione, problema non riscontrabile invece nei True Peak Meter.

 

Tipologie di Digital Meter

Esistono 4 varianti dei digital meter:

Digital Meter Economici

I più scadenti sono quelli economici che per offrire un prodotto a basso costo offrono meter dalle forti imprecisioni in quanto considerano solo parti del segnale digitale circolante, in modo da poter utilizzare processori e circuiti semplici e appunto poco costosi. Molto spesso vista l’innacuratezza della misura presentano scale di valori con step di 5 dB e anche più.

SPPM ( Sample Peak Program Meter ) è il primo meter digitale non chè il più utilizzato a livello consumer, è un meter digitale di media taglia in quanto che, impostata una sensibilità ( pre-impostata dal produttore ) mostra solo i picchi rientranti nel range di campioni stabilito ( un range approssimativo meglio di quelli economici ma meno preciso di quelli professionali ). Questo perchè sarebbe irrilevante ai fini di un analisi da parte del consumatore mostrare il livello del segnale di picco di ogni singolo campione, per questo si media impostando un range di tolleranza e dare una visione generica di riferimento ( più che altro per visualizzare e dare informazioni sul livello limite oltre il quale si ottengono valori di distorsione che potrebbero causare danneggiamenti alle apparecchiature ).

n.b. Vedremo come invece a livello professionale l’analisi al campione sia fondamentale per poter realizzare e gestire un segnale audio di qualità.

Esempio: per realizzare un segnale digitale come vedremo in future argomentazioni, la sinusoide analogica ( fig. 3 linea rossa ) viene prelevata dal convertitore A/D e portata a livello digitale secondo regole di campionamento e quantizzazione ( fig. 3 righe nere che seguono la sinusoide rossa ), il campionamento è mostrato sulla linea orizzontale ed ogni righetto è un campione, tanto più sarà alto il campionamento e in tanti più campioni sarà prelevata la sinusoide analogica in entrata cosi da essere in dominio digitale più simile a quella analogica. La quantizzazione è sul piano verticale e rappresenta l’ampiezza dell’onda ( il suo valore in tensione ), tanto più alta sarà la quantizzazione e tanto più ai campioni prelevati verrà data un ampiezza, cosi da comporre la forma di una sinusoide sempre più simile a quella analogica in entrata.

fig. 3 800px-pcm.svg.png

Nell’ SPPM ad esempio impostando un range di tolleranza a 10 ( con riferimento all’esempio in figura 3 ), il meter mostrerà i livelli di tensione solamente dei campioni presenti da 10 in su, che poi ha loro volta saranno mediati per non mandare in risonanza e distorsione l’eventuale processore CPU e/o grafico che ha il compito di elaborare questi dati.

Come si capisce non è un meter preciso in quanto in realtà considerando di prelevare ogni singolo campione il livello complessivo del segnale potrebbe facilmente risultare più elevato, generalmente di 3 dB – 4 dB.

In ambito professionale si utilizzano invece gli OSPPM ( Over Sampling Peak Program Meter ).

Gli OSPPM hanno tolleranze più basse e più precisione in quanto prima dell’analisi il segnale viene sovracampionato, generalmente x4 o x8 volte cosi da ottenere valori più precisi avendo molti più campioni da analizzare. Da questo si può facilmente intuire come gli OSPPM richiedano processori con maggiori prestazioni rispetto agli SPPM e quindi costano anche di più.

n.b. Le sovracampionature ad oggi sono esclusivamente eseguite in dominio digitale in quanto a livello di convertitori un segnale analogico può essere campionato fino ad un massimo di 384 Khz.

Sia gli SPPM che gli OSPPM hanno generalmente una scala con step di 1 dB in prossimità dello 0 dBFS.

Alcuni Meter Digitali professionali distinguono lo 0 dBFS dall’Overdrive ( valori di distorsione oltre lo 0 dBFS ), mentre altri indicano già come raggiunto il valore di distorsione dal momento che il meter indica 0 dBFS.

La differenza sta nel fatto che un segnale digitale a 0 dBFS non è detto che sia distorto ma è solo al suo valore massimo, se il sistema rileva almeno 3 campioni sempre a 0 dBFS allora pensa che questo sia un valore di distorsione e quindi segnala con il led rosso dell’Overdrive.

Un’alternativa agli OSPPM sono gli ISM ( Intersample Meter ), simili come funzionamento sul principio di sovracampionamento ma con la differenza di non creare mediazione tra i campioni analizzati attraverso una finestra temporale. Questi meter sono i più precisi in assoluto, analizzano e forniscono informazioni campione per campione, potendo più precisamente visualizzare eventuali distorsioni e utilizzare processori come limiter, compressori, gate con risoluzione al campione.

 

Plugin Meter

Infine alcuni Plugin emulatori di processori analogici hanno meter costruiti con algoritmi che tendono ad emulare le risposte e le grafiche dei meter analogici ( fig. 4 ).

fig. 42016-01-25_18-51-42.jpg

Ogni meter oltre a questi parametri fondamentali per il rispetto delle normative, può essere predisposto con altri componenti e applicazioni varie dipendenti dal costruttore, è bene quindi una volta appurato di utilizzare un meter professionale che rispetti le normative in vigore, studiare tutte le sue funzionalità al fine di poterlo utilizzare al massimo delle sue potenzialità.

A livello software ( che sia plugin o semplice software stand alone ) è possibile identificare diversi valori di scale nella struttura di un meter digitale, poco ancora diffuso invece in ambiente hardware su mixer e strumentazioni audio, se non in appositi hardware meter, in quanto che per le strumentazioni hardware la funzione principale è quella di identificare il livello di segnale tale da inviare la quantità di segnale audio necessario da un dispositivo all’altro evitando fenomeni di distorsione, mentre in ambiente software il meter come vedremo è utilizzato molto per identificare anche valori medi RMS e gestirne il Loudness ( percezione di livello audio, il volume che si percepisce ), al fine di creare mix e mastering qualitativi.

In figura 5 tutti i possibili livelli di segnale che è possibile identificare in un digital meter su software.

fig. 5 2016-09-07_14-19-54.jpg

In questo caso il meter estende la sua scala di valori da – ∞ a 0 dBFS sul piano verticale, ma è possibile trovarne anche sul piano orizzontale. Il punto massimo raggiunto dal segnale audio è definito Peak Level, è possibile identificare poi come vedremo anche il valore RMS diviso tra Max RMS per il suo punto massimo e Min RMS per il suo punto minimo, chiamato a volte Program Loudness o RMS. Il range che va dal Max RMS al Peak Level è detto Headroom ( poco percepibile all’orecchio ma da fare attenzione in quanto è quello che porta alla distorsione e rottura dei componenti hardware, non chè danni all’apparato uditivo ). Il range che va dal Min RMS al Max RMS è detto RMS Range o Loudness Range ( è questo che fa percepire il livello del volume e dinamica audio alle nostre orecchie ).

Sotto al valore RMS abbiamo la zona Foreground and Minimal Audience ( audio poco percepibile soprattutto ad alti valori di RMS Max e audio compresso ( quindi con un Headroom e RMS Range piccolo ), crea una sorta di tappeto, aiuta la spazialità dell’immagine ed è la zona in cui generalmente lavorano gli effetti audio.

Sotto ancora abbiamo la Background and Noise in cui vi è il rumore di fondo e le parti audio di più basso valore compreso gli effetti.

 

RMS o Loudness nel digitale

Come sappiamo il segnale digitale è sotto forma di onda quadra per cui non presenta valori medi e quindi RMS, ma allora come possono i meter digitali far visualizzare il valore RMS del segnale circolante ?

In ambito analogico abbiamo detto che il valore RMS della sinusoide è calcolato indicativamente come lo 0,770 del valore di picco ( senza considerare l’utilizzo di processori di dinamica ) e viene mostrato come la somma dei valori RMS mediati in un certo tempo dipendente dalla risoluzione e capacità del meter utilizzato, in dominio digitale è necessario comunque trovare un modo per rappresentare la dinamica ed il loudness del segnale audio altrimenti sarebbe un analizzatore dalle potenzialità limitate esclusivamente alla lettura dei picchi per l’interfacciamento dei dispositivi digitali ed inutilizzabile per utilizzare strumenti come processori di dinamica ed equalizzatori.

Per fare questo il valore RMS in dominio digitale non è altro che il calcolo dello 0,770 sul picco della sinusoide ricreata dopo il processo di campionamento e quantizzazione ( sempre senza considerare l’utilizzo di processori di dinamica ).

Nei meter digitali a livello software, il valore RMS segue la numerazione e colorazione utilizzata anche per i meter di picco solo rapportata differentemente.

Come si nota nella figura 1 il rosso del meter stereo centrale che rappresenta il valore RMS comincia ben prima dello 0 dB, questi parametri di colorazione sono generalmente impostabili e variabili dall’utente ( per la corretta taratura ci vuole conoscenza ed esperienza ), stanno ad indicare il valore massimo raggiungibile oltre il quale si ottiene un segnale con dinamica troppo compressa e non più qualitativamente adatto allo standard generalmente utilizzato per il tipo di programma che si va a considerare.

Le associazioni ITU ( International Telecommunications Union ) che si occupa di definire ed organizzare standard per telecomunicazioni ed onde radio, ( ITU BS.1770 rev 1, rev 2, rev 3 ), EBU ( European Broadcasting Union ) ( EBU R128 ), ATSC ( Advanced Television Systems Committee che si occupa di sviluppo di standard per la televisione digitale ) ( A/85 ), quest’ultimo per il broadcast americano ed anche OP-59 ( Australia ) and TR-B32 ( Japan ), hanno definito con il tempo i livelli di Headroom standard ( raccomandazioni ) che dovrebbero avere i segnali musicali in base al tipo di programma che si va a considerare per essere percepiti dal nostro orecchio in modo qualitativo e pulito ( considerando che tali programmi vengano riprodotti in ambienti acusticamente idonei ), non chè il metodo di calcolo e la struttura dei digital meter per il loro calcolo. Lo standard ITU ed EBU sono molto simili tra loro e sono considerati a livello internazionale, alcuni paesi come US, Giappone, Australia ed altri adottano comunque anche un loro standard proprietario che segue comunque le indicazioni fornite da ITU.

In figura 6 alcuni esempi sulle raccomandazioni in cui è rappresentato anche il valore medio del rumore di fondo e music background, il valore medio medio del foreground and minimal audience ed il valore medio dell’headroom ( in questo caso è presentato insieme al range rms ), valori che dovrebbe avere il programma musicale in base al genere e riproduzione per essere considerato un suono di qualità e che delimiti livelli standard di riferimento.

fig. 6 loudnessnorm.jpg

n.b. Si parla di raccomandazioni e non di standard normativi veri e propri.

Guardando la figura 6 nel lato Peak Level Normalization si può vedere quale Headroom deve avere il programma musicale in base alla sua applicazione, esempio il Min RMS o Program Loudness per il cinema non deve essere inferiore a 24 dB, per musica Jazz non deve essere inferiore a circa 15 dB, per il Rock e Pop 6 dB.

Sul lato Loudness Normalization c’è la rappresentazione normalizzata degli standard ITU BS.1770 ed EBU R128 che invece rappresentano una normativa di legge vera e propria per le trasmissioni televisive ( broadcast ), valore medio del Program Loudness di – 24 dB, al 2016 – 23 dB di riferimento ma variabile in base al tipo di piattaforma di trasmissione di qualche dB come vedremo nella parte IV di questa serie di articoli.

Per un suono professionale e da raccomandazione i meter digitali su software ( generalmente possono farlo solo quelli professionali ) sono generalmente pre-impostati dal costruttore ma vanno poi tarati in base al programma audio da analizzare nel loro valore RMS impostando come colorazione rossa i dB che superano la soglia che andiamo ad impostare a seconda del programma musicale con il quale stiamo lavorando.

Esempio se stiamo mixando e processando o ancor più eseguendo mastering di una musica Pop da trasferire come master ad esempio su un cd audio o come file digitale per il download online, seguiremo la raccomandazione in figura 6 lato sinistro in cui abbiamo un headroom in cui è presente anche il range rms con un valore di program loudness di – 6 dBFS, per agevolare l’analisi potrebbe essere utile impostare come colorazione rossa del meter RMS ( come quello centrale in figura 7 ) il valore di – 6 dBFS, se il segnale RMS supera quella soglia il meter lo indicherà colorando la barra grafica che eccede quella soglia di colore rosso ( fig. 7 barre centrali ) cosi da sapere immediatamente che si è raggiunto il livello limite come definito dalle raccomandazioni.

fig. 7 2016-01-07_21-59-22

n.b. Si parla sempre di valore medio nel tempo, un esempio di calcolo per un brano musicale è quello di calcolare il valore medio RMS di tutto il brano. Alcuni programmi soprattutto di mastering, permettono di fare questo cosi da poter sapere se il brano musicale rispetta la raccomandazione ( anche perchè sarebbe impossibile mantenere lo stesso livello di headroom per tutta la durata del brano, si verrebbero a creare solo dei gran fenomeni distorsivi ).

Questo sarebbe già abbastanza ma se uno vuole essere ancora più preciso nel creare mix e mastering di qualità può continuare definendo range di colore anche per la zona Foreground e Background, sempre seguendo le raccomandazioni.

Generalmente nei meter digitali è possibile impostare anche colorazioni per i valori di picco, headroom ( colore giallo nelle barre esterne in figura 7 ) ed i valori di range rms ( colore ocra che si vede nella barra interna in figura 7 tra i – 12 db e i – 6 db ) e livelli più bassi.

Per le barre rappresentanti i picchi di segnale ( quelle esterne nel meter in figura 7 ) è utile mettere come colorazione rossa il – 3 dBFS, per i motivi già visti precedentemente di prevenire in fase di conversione e codifiche audio l’innalzamento del livello di picco portante distorsione, e come range di colore giallo dal punto di program loudness al picco massimo.

n.b. Il punto di loudness range limite è un valore medio, è consentito avere un + 1/2 dBFS in più per il Max RMS.

Come vedremo quando parleremo di LUFS meter, se si lavora per programmi audio broadcast ( tv, radio, podcast ) sarà invece necessario seguire la tabella in figura 6 lato destro, in quanto la normalizzazione a – 23 dBFS ( al 2016 ) è una normativa di legge.

Per una corretta taratura del programma audio è importante analizzare solo la sezione del brano audio, senza considerare le pause di ingresso ed uscita, in quanto il meter media ogni singolo campione in ingresso, per cui darebbe valori più bassi di quelli reali.

In figura 8 un esempio di selezione per preparazione di una traccia audio all’analisi.

fig. 8 2016-09-01_17-42-14.jpg

In figura 9 un esempio di calcolo del valore medio.

fig. 9 2016-09-01_17-45-05.jpg

n.b. In questo caso il software fornisce anche il valore RMS massimo e minimo raggiunto, non chè il valore medio al cursore, il tutto per ogni canale della traccia audio.

Il brano considerato è di genere Pop music, seguendo la tabella 4 abbiamo l’Hyper Pop che rientra nei 6 dB di headroom raccomandati, considerato che il Pop risulta più leggero e dinamico dell’Hyper Pop sono consentiti 2 – 3 dB di headroom in più.

Esistono poi come accennato e vedremo più avanti meter ( LUFS Meter ) che analizzano automaticamente tutte queste cose, ed in più non considerano le pause interne al brano, mentre i meter appena visti si e per questo meno precisi.

Il metodo costruttivo e funzionamento dell’algoritmo di calcolo di questi meter è definito nelle normative AES17-2015.

AES ( Audio Engineer Society ) è una società volta a pubblicare e revisionare standard per l’industria Audio e Media.

Esistono poi varianti sugli algoritmi proposti dalle associazioni ITU ed EBU per visualizzare il segnale RMS in dominio digitale cosi da avere sempre il riferimento del massimo valore RMS raggiungibile, quelli più utilizzati ( come varianti ) sono quelli proposti e realizzati dal Mastering Engineer Bob Katz che sono:

K-System 12, K-System 14, K-System 20 ( fig. 10 )

fig. 10 2016-01-07_21-02-35.png

La figura 10 mostra le 3 varianti in versione Peak Level Normalization e definisce l’Headroom che deve avere il relativo programma musicale.

In alcuni casi questi meter possono essere anche utili non solo per controllare lo stato del segnale in base alle raccomandazioni fornite su cui un tecnico può puntare rispetto a quelli proposti dagli standard ITU ed EBU, ma anche perchè hanno parametri già pre-impostati dal costruttore, per cui basta selezionare uno dei 3 meter a disposizione, mentre come visto per gli standard ITU ed EBU è necessario impostare i parametri del meter a seconda delle esigenze.

Per paragone i K-System hanno un algoritmo più generoso lasciando più spazio alla dinamica soprattutto in contesti di musica da concerto.

Questo fa capire come questi sofisticati meter a livello software e purtroppo ancora oggi poco utilizzati a livello hardware in mixer e processori digitali, consentano di poter mixare e processare segnale audio fino a limiti di loudness qualitativamente ottimali per il tipo di programma audio considerato.

 

M-S Meter

In ambiente digitale, limitato ad alcuni software e plugin in grado di effettuare operazioni di processamento M-S ( Mid – Side ), ( rimando a futuri articoli e ad altri concetti ritrovabili online per la spiegazione di elaborazione e processamento di un segnale M-S ), in rari casi invece in ambiente hardware in cui spesso il processamento è visualizzato sempre tramite peak meter o digital meter come un qualsiasi altro segnale audio, vi è la possibilità di ritrovare M-S meter come quelli in figura 11 ( software ), fig. 12 ( hardware ).

fig. 11 2016-10-31_15-48-43.jpg fig. 12 bmc-2-front.png

I Mid-Side meter i quali generalmente accompagnano sempre i peak o digital meter ( Left e Right ), nell’analisi di un segnale audio sono più indicati per regolare e avere sott’occhio in modo costante il livello del segnale indipendente del processamento Mid e Side, cosi da poter aumentare o diminuire più precisamente una delle due componenti e capire in modo immediato se una delle due va in clip, cosa che invece non è possibile analizzando un segnale Mid-Side con peak o digital meter L-R, in quanto esso può si evidenziare il picco ma non ti dice se è il Mid o il Side ad essere in distorsione, mentre a volte si raggiunge il livello di distorsione ma il peak o digital meter non segnala alcun clip ( questo può accadere ad esempio se il livello del Mid o Side è in distorsione ma l’altro segnale Mid o Side è molto basso tale da avere una somma che non porta in distorsione il livello di segnale L – R ).

 

Considerazioni sul mixaggio e mastering tramite meter

Come si vede dalla figura 6 mixaggio e mastering tramite meter digitale consente di ottenere range dinamici molto vari, sia tra generi musicali che tra crescendo e diminuendo di uno stesso brano, questo perchè il range di tensione e dinamica consentita dalle apparecchiature digitali è molto superiore a quella analogica, oltre che definire più accuratamente spazialità e profondità di immagine grazie anche ad altri plugin meter che vedremo più avanti. Per questo ad oggi per avere un mix competitivo e/o creativo e/o naturale è bene utilizzare digital meter.

Per comparazione una volta si utilizzavano Peak Meter e ancora prima VU meter i quali avendo scale e tensioni ben più ridotte di quelli digitali consentivano di realizzare mix e mastering con meno loudness e range dinamico. Ad esempio all’epoca dei dischi in vinile la media di un qualsiasi brano non superava i 6 dB di range dinamico di differenza ( in questo caso anche limitato dal metodo e struttura dei processi di incisione che vedremo in altre argomentazioni ).

 

Altro su Decibel e Meter:

Decibel e Meter – I ( Tipologie di Decibel e Standard )

Decibel e Meter – II ( Meter Analogici )

Decibel e Meter – IV ( Normalizzazione e LUFS Meter )

Decibel e Meter – V ( I Meter nelle Apparecchiature Audio )

Decibel e Meter – VI ( Loudness Manager )

 

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