Wysterowanie sygnału. Jak korzystać ze wskaźników poziomu sygnału w urządzeniach cyfrowych

I niezależnie od tego, jak bardzo producent będzie reklamował swoje urządzenie jako „obsługowo zbliżone do konsolety analogowej”, prawda jest taka, że sprawna obsługa jakiegokolwiek cyfrowego miksera wymaga choćby kilku-kilkunastu minut czasu na spokojne zapoznanie się z nim.

Ale nie tylko pod względem obsługi „cyfraki” różnią się od „analogów”. Spora liczba współczesnych konsolet pracujących w domenie cyfrowej wyposażona jest we wskaźniki poziomu (czy też wysterowania) sygnału wyskalowane w dBFS (full scale dB lub below full scale dB), interpretacja wskazań których różni się od wskaźników instalowanych w konsoletach analogowych. Stąd też właściwe wysterowanie urządzenia wymaga pewnej wiedzy na temat działania tych wskaźników oraz jej praktycznego zastosowania podczas pracy na konsoletach cyfrowych z takimi wskaźnikami.

WYSTEROWANIE „POD SUFIT”

Często można spotkać się ze stwierdzeniem, iż urządzenie (w naszym przypadku chodzi o konsoletę, ale dotyczy to też innego rodzaju sprzętu muzycznego) powinno się tak wysterować, aby poziom sygnału na wskaźniku (poziomu/wysterowania) był jak najwyższy, czyli – innymi słowy – jak najbliżej 0 na scali, które w mierniku dBFS znajduje się na samym jego szczycie (stąd powiedzenie – wysterowanie „pod sufit”).

O ile w przypadku miksowania nagranych już śladów takie podejście może być słuszne – jeśli wcześniej znormalizujemy nagrane tracki do 0 dBFS czy, powiedzmy, do -1 dBFS, mamy pewność, że poziom sygnału nie będzie większy od owego 0 czy -1 dBFS, a więc nic nam się nie przesteruje – o tyle podczas miksowania na żywo, czy też samego nagrywania śladów, podejście takie niesie ze sobą duże ryzyko przesterowania wejścia, albo też i wyjścia. Pół biedy jeszcze, jeśli odtwarzamy gotowe nagranie – obecnie większość nagrań jest przeważnie tak skompresowana, że trudno dopatrzyć się tam jakiegoś wyraźnego headroomu (a więc różnicy między poziomem średnim a szczytowym). W takim wypadku wskaźnik poziomu sygnału najczęściej „stoi jak zamurowany” lub lekko oscyluje wokół ustalonej pozycji, i można „podjechać” z sygnałem dość wysoko, np. na -6 dBFS, bez obawy, że pojawi się jakiś nagły „pik”, który przesteruje nam wejście kanału.

W przypadku sygnałów, nazwijmy to „akustycznych” (aczkolwiek nie chodzi tylko o głos czy instrumenty akustyczne, może to być też np. klawisz, ale grany na żywo), maksymalny poziom sygnału, jaki trafi do naszej konsolety, jest nieznany i – co gorsza – nieprzewidywalny. Perkusista grający „tak sobie” na próbie podczas koncertu może się rozkręcić i zacząć „ładować po garach”, wokalista może wpaść na pomysł pokrzyczeć coś do publiki, a gitarzysta w trakcie sztuki stwierdzi, że się nie słyszy, i odkręci piec „na 11”.

Mało tego, mogą pojawić się transjenty, których poziom może być bardzo duży, a jednocześnie ich czas trwania na tyle krótki, iż większość wskaźników szczytowych może ich w ogóle nie zarejestrować (nawet wskaźniki szczytowe mają pewien określony czas uśredniania sygnału).

I wreszcie samo miksowanie kilkunastu czy kilkudziesięciu sygnałów sprawia, że poziom sygnału na szynie wyjściowej jest przeważnie istotnie wyższy, niż poziom poszczególnych kanałów.

HEADROOM

Z powodów wyżej wymieniowych sensownym rozwiązaniem jest utrzymywanie pewnego headroomu (zapasu), aby zapewnić odpowiedni margines bezpieczeństwa od przesterowania, które jest szczególnie słyszalne w urządzeniach cyfrowych (przesterowanie przetwornika A/C jest znacznie mniej przyjemne odsłuchowo od przesterowania analogowego preampu).

Analogowy sprzęt był (jest, przecież jeszcze całkiem do lamusa nie odszedł) tak konstruowany, aby „ukryć” przed użytkownikiem istnienie niezbędnego marginesu (headroomu), stosując koncepcję „poziomu operacyjnego”. Wskaźniki poziomu stosowane w konsoletach analogowych (pomijając już fakt, że wskazywały one poziom tylko na najistotniejszych wyjściach, np. na sumie i grupach lub AUX-ach, a nie również na wszystkich wejściach – co obecnie jest już normą w większości konsolet cyfrowych) były to wskaźniki VU, czyli prezentujące nie poziom szczytowy, ale uśredniony, konkretnie odpowiadający wartości RMS sygnału.

WSKAŹNIK VU

Poziom operacyjny, reprezentowany na takim wskaźniku przez 0 VU, odpowiada poziomowi napięcia sygnału o wartości +4 dBu (1,23 V). Wskaźnik poziomu sygnału wyjściowego w analogowym mikserze – przez długie lata w formie miernika wskazówkowego, dopiero później zastąpiony przez niektórych producentów przez wskaźnik linijkowy, złożony z diod LED – operował w dość wąskim zakresie w okolicy owego poziomu operacyjnego, najczęściej od -20 dB do +3 dB.

Przy czym zakres od 0 do +3 dB był już zamarkowany na czerwono, wyraźnie dając do zrozumienia operatorowi, aby w ten rejon zbyt często się nie zapuszczał. Pomimo tego że wskazania miernika kończyły się na +3 dB, poziom sygnału, który powodował przesterowanie kanału, wynosił średnio +24 dB. Dotyczyło to jednak poziomu szczytowego, który w przypadku krótkich impulsów nie jest rejestrowany przez wskaźnik VU, bowiem czas, jaki jego wskazówka potrzebuje na osiągnięcie 99 procent zakresu wskazań wynosi średnio ok. 300 ms. Jeśli więc mamy duży, ale krótki „pik”, np. trwający 5 czy 10 ms, to wskazówka ledwie drgnie w tym czasie – to jednak może wystarczyć, aby sygnał przekroczył na ten krótki czas zakres przenoszonych bez zniekształceń napięć, co da efekt w postaci trzasku słyszanego w głośnikach.

Operator systemu utrzymując poziom sygnału na swoim wskaźniku VU nie większy niż 0 VU (czyli +4 dBu) miał więc jeszcze około 20-decybelowy zapas na wypadek pojawienia się mocnych transjentów.

W momencie gdy w bardziej współczesnych konsoletach mierniki VU zostały wyparte przez tzw. mierniki szczytowe (PM – peak meter) – które tak naprawdę wcale miernikami szczytowymi sensu stricte nie są (o czym za moment) – producenci konsolet w nieco inny sposób starali się rozwiązać problem zapewnienia odpowiedniego headroomu, aby unikać przesterowania. Mierniki te – przeważnie już w formie wskaźników linijkowych na diodach LED – podzielone były na co najmniej trzy sekcje, odróżniające się od pozostałych innym kolorem świecenia.

Kolor zielony to strefa bezpieczna, pomarańczowy to strefa wzmożonej uwagi, świecenie czerwonych diod alarmuje zaś, że najwyższa pora zrobić coś z sygnałem, zanim będzie za późno (jesteśmy o krok od przesterowania albo już mamy przester). Strefa zielona rozciągała się od najniższych wartości do – w zależności od producenta – 0, +3 lub + 6 dBu.

Powyżej rozciągała się strefa „pomarańczowa” – która mogła mieć kilka diod, albo tylko jedną – świecenie której informowało użytkownika, że sygnał przekroczył wartość poziomu operacyjnego, aczkolwiek jeszcze nie ma groźby przesterowania.

Dla wartości +16 dB (przeważnie), czasem +18 dB, ale też i już przy +12 dB, wskaźnik przechodził we „wściekłą czerwień”, co oznaczało, że jesteśmy o krok od przesterowania, które w większości konsolet pojawiało się, gdy sygnał osiągnął +24 dBu.

Sprawa więc była jasna – najbezpieczniej było trzymać się „zielonej strony mocy” lub utrzymywać sygnał tak, aby przez większość czasu świeciły się tylko pierwsze pomarańczowe diody na wskaźniku. To, że zaświeciła się dioda czerwona, jeszcze niekoniecznie musiało oznaczać przester – na pewno jednak nie należało utrzymywać sygnału tak, aby regularnie pobłyskiwały te diody, a tym bardziej w permanentnej ich iluminacji. Z drugiej jednakże strony nawet delikatne zabłyśnięcie pierwszej czerwonej diody, czyli – wg. wskaźnika – osiągnięcie teoretycznie bezpiecznego jeszcze poziomu (np. +16 dB), mogło wiązać się już ze słyszalnym przesterem. Dlaczego? Wynikało to z zasady działania

WSKAŹNIKA PM

w skrócie nazywanego szczytowym. Jak już wspomniałem, nie był on jednak miernikiem szczytowym sensu stricte, tzn. reagującym natychmiastowo na każdy, nawet najkrótszy „pik” sygnału. Wskaźnik PM tak naprawdę jest wskaźnikiem o działaniu podobnym do miernika VU, bowiem jego zasada działania opiera się na wykorzystaniu prostownika dwupołówkowego i urządzenia wskazującego (tak jak w mierniku VU). Całość poprzedzona jest układem wzmacniającym o charakterystyce logarytmicznej, a oprócz tego od miernika VU odróżnia go znacznie krótszy czas reakcji wskaźnika (tzw. balistyka). W przypadku miernika PM sygnał sinusoidalny o poziomie nominalnym, podany na jego wejście przez 10 milisekund, powinien spowodować wskazanie 90% (-1 dB), zaś przez 3 milisekundy ma spowodować wskazanie -4 dB. Jak widać szybki, ostry transjent – trwający pojedyncze milisekundy – zostanie „zauważony” przez wskaźnik PM i uwidoczniony przez niego, jednak poziom przez niego wskazywany może się różnić od rzeczywistego nawet o 3-4 dB. Tak więc wskazanie przez miernik teoretycznie jeszcze bezpiecznego poziomu +21 dB może oznaczać tak naprawdę osiągnięcie przez niego na króciutki czas progu „czystego” przenoszenia (+24 dB), co może wiązać się z krótkim, ale słyszalnym trzaskiem w głośnikach.

 

WSKAŹNIK CYFROWY

Wróćmy teraz z tej wycieczki w, co prawda niedaleką, ale jednak przeszłość do teraźniejszości, kiedy to spora liczba konsolet wyposażona jest we wskaźniki cyfrowe, wyskalowane w dBFS, a więc takie, które na samej górze skali mają wartość 0 dB.

Aczkolwiek są wyjątki – niektórzy producenci (np. Midas, AVID) konsekwentnie w swoich konsoletach stosują mierniki wyskalowane w dBu (co niektórym młodym realizatorom, „wychowanym” na skali dBFS, często sprawia sporo problemów, szczególnie we właściwym ustawieniu progu zadziałania kompresorów czy bramek), a więc takie, w których skala kończy się nie na 0 dB, ale np. +18 czy +21 dB.

Jak wspomniałem na początku artykułu, popularną tendencją jest wysterowywanie urządzeń z miernikami dBFS „pod sufit”, tj. do 0 dBFS, znajdującego się na samej górze skali. Przy tego typu praktykach, w przypadku nieprzewidywalnego, co do maksymalnego poziomu, sygnału wydarzenia live często zachodzi potrzeba szybkiego reagowania na pojawiające się niespodziewanie przestery, poprzez zmniejszenie sygnału np. na szynie głównej czy szynach AUX lub podgrupach. A przecież producenci konsolet cyfrowych również wyposażają swoje wskaźniki w odpowiednią „kolorystykę”, o niemalże identycznym rozkładzie, jak w „analogowych” miernikach PM. Różnicą jest tylko to, że kolorowym strefom odpowiadają teraz inne wartości na skali. Poziom operacyjny konsolety nie odpowiada teraz wartości 0 (jak na wskaźnikach VU) czy +4 dB (jak na niektórych wskaźnikach PM). Jaki jest więc poziom operacyjny we współczesnych konsoletach cyfrowych?

Odpowiedź może zdziwić – dokładnie taki sam, jak to było w przypadku „analogów”, czyli przeważnie +4 dBu. Zmienił się tylko sposób prezentowania sygnału, a więc poziomowi napięcia równemu +4 dBu (1,23 V) odpowiada poziom wskazywany przez miernik wysterowania równy -18 dBFS (wartość sugerowana przez EBU) lub -20 dBFS (którą z kolei preferuje SMPTE). Jak widać, skoro wartości -18/-20 dBFS w dalszym ciągu odpowiada poziom sygnału +4 dBu, jak w stołach analogowych, poziom przesterowania zaczyna się przy +22/+24 dBu.

Wracamy więc do pytania w tytule

JAK PRAWIDŁOWO WYSTEROWAĆ KONSOLETĘ CYFROWĄ

ze wskaźnikami skalowanymi w dBFS?

Najlepiej trzymając się kolorowego kodowania, jak to miało miejsce w przypadku „analogów”. A więc najlepiej utrzymując średni sygnał „w górnych stanach” zielonego zakresu lub „stanach dolnych” zakresu pomarańczowego. Bez konieczności zastanawiania się, ile – wg. naszego wskaźnika – wynosi wartość poziomu operacyjnego konsolety (czy to -18 dBFS, czy -20 dBFS, a może jeszcze inna?), jaka jest maksymalna wartość sygnału na wyjściu, która nie spowoduje przesterowania (czy to +20, +22, +24 dBu, a może więcej) i przeliczania, ile „zapasu” sygnału, czyli headroomu, mamy. Nie przekraczając średnim poziomem sygnału zbyt często granicy zielono-pomarańczowej możemy mieć pewność, że headroom ten będzie co najmniej 20-decybelowy, a więc w zupełności wystarczający w przypadku 99% imprez na żywo – szczególnie gdy używamy kompresory i/limitery dla newralgicznych źródeł dźwięku, charakteryzujących się dużą dynamiką sygnału.

Ktoś może jednak zaprotestować – OK, w przypadku konsolet analogowych taki margines był do zaakceptowania, ale przecież w konsoletach cyfrowych mamy przetwornik A/C, który powinno się wysterowywać maksymalnie, jak się da, aby zmniejszyć szumy konwersji. A pozostawiając 20-decybelowy headroom zwiększamy poziom szumów o co najmniej 20 dB. Owszem, jak najbardziej prawdziwe jest twierdzenie, że na im większym zakresie pracy konwertera pracujemy, tym większa dokładność konwersji, co wiąże się ze zmniejszeniem szumów związanych z niedokładnością przetwarzania analogowo-cyfrowego. Jest jednak druga strona medalu.

Poziom szumów nawet tanich budżetowych konsolet, pracujących z przetwarzaniem 24-bitowym (co obecnie jest już raczej normą), jest na poziomie -115 dBFS, co w przypadku pozostawienia 20-decybelowego marginesu na mocne szczyty sygnału wciąż pozwala uzyskać poziom szumów o 95 dB poniżej poziomu operacyjnego urządzenia. Porównując to do świata analogowego, w którym wysokiej klasy konsolety rzadko uzyskiwały lepszy poziom szumów niż -90 dB, widzimy, że nie mamy tutaj jakiejś drastycznej straty dynamiki sygnału – na pewno dynamika nie jest mniejsza niż w high-endowych konsoletach analogowych.

Konkludując, wysterowanie konsolet cyfrowych z miernikami dBFS nie różni się w zasadzie niczym od wysterowania konsolet analogowych z miernikami PM, jeśli posługujemy się kolorami, zamiast wartościami dB wypisanymi obok wskaźnika. Trzymając się „zielonej strony mocy” możemy być niemalże pewni, że nawet mocniejsze akcenty dźwiękowe ze sceny nie spowodują przesterowania konsolety czy wzmacniaczy. Ani też tego – z drugiej strony – że zrobimy z naszego systemu generator szumu.

Piotr Sadłoń