RMS 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 1 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. 1

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 2 ) 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. 2 barre centrali ) cosi da sapere immediatamente che si è raggiunto il livello limite come definito dalle raccomandazioni.

Fig. 2

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 2 ) 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 2 ) 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 3 un esempio di selezione per preparazione di una traccia audio all’analisi.

Fig. 3

In Figura 4 un esempio di calcolo del valore medio.

Fig. 4

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. 5 )

Fig. 5

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.

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