Budowa interfejsu audio

Opublikował(a) Wiktor Grzelak 5 lat temu 20884 unikalnych wyświetleń 8 komentarzy

Jeżeli robisz muzykę z pomocą komputera, interfejs audio jest najważniejszym elementem Twojego studia. Interfejs odpowiada za przesyłanie i odbieranie sygnałów z i do różnych urządzeń audio: mikrofonów, głośników, syntezatorów, efektów sprzętowych i urządzeń MIDI. Dobry interfejs będzie pracował całe dnie bez problemu i w ten sposób pozwalał Ci na bycie kreatywnym.

Każdy interfejs audio pełni dwie bardzo ważne funkcje w zorganizowanym wokół komputera studiu. Po pierwsze, przetwarza i zarządza dźwiękiem oraz danymi: steruje wejściami i wyjściami z zewnętrznych oraz komputerowych źródeł, wzmacnia analogowe sygnały audio, symetryzuje wyjścia monitorowe, miksuje cyfrowe i analogowe audio, dbając jednocześnie o krystalicznie czysty, zgodny fazowo i nienaruszony przez te procesy dźwięk. Po drugie, zajmuje się konwersją analogowo-cyfrową: precyzyjnie przetwarza analogowy sygnał na cyfrowe dane i vice versa, odtwarzając cyfrowe sygnały z programów DAW lub innego softwarowego źródła jako czyste, analogowe sygnały.

Jednak, mimo tego jak bardzo jest istotny, interfejs powinien być niewidzialny przez większość czasu, ale na tyle elastyczny, aby szybko ustawić miks odsłuchowy dla muzyka sesyjnego, albo eksperymentować z routingiem audio do różnych zewnętrznych procesorów w Twoim studiu.

Duże lub małe, wszystkie interfejsy audio mają kilka wspólnych cech.

Wejścia analogowe

Analogowe wejścia audio pozwalają Ci podłączyć bardzo wiele różnych urządzeń i instrumentów. Te źródła ogólnie mieszczą się w jednej z trzech kategorii: mikrofony, instrumenty lub sygnały liniowe. Powodem dla tego podziału jest natura sygnału elektrycznego każdego z nich.

Mikrofony generują sygnał o niskim napięciu i niskiej impedancji, dlatego muszą być wzmocnione przez przedwzmacniacz. Sygnał instrumentalny ma podobnie niskie napięcie, ale wymaga wejścia wysokiej impedancji aby zachować równowagę. Sygnał liniowy jest silniejszy i zwykle nie potrzebuje wzmocnienia przed konwerterem analogowo-cyfrowym. Wiele interfejsów posiada wejścia ‚combo’ które pozwalają podłączyć dowolne urządzenie, zarówno kablem XLR jak i Jackiem 1/4 cala (dużym). Te wejścia zwykle mają odpowiadające im pokrętła wzmocnienia (gain) na przednim panelu, pozwalając zwiększyć lub zmniejszyć sygnał ręcznie. Wejścia liniowe często nie posiadają kontroli wzmocnienia, ponieważ pracują na ujednoliconym poziomie, potocznie zwanym ‚unity gain’.

Wyjścia analogowe

Istnieją dwa rodzaje wyjść analogowych w interfejsach audio. Większość z nich to wyjścia liniowe, wysyłające sygnały mono, do których możemy podłączyć monitory studyjne lub sprzętowe procesory dźwięku, takie jak kompresory, efekty, konsole studyjne i miksery sumujące. W większości przypadków Twój interfejs będzie posiadał wyjścia symetryczne, jednak niektóre urządzenia z niskiej półki mają tylko niesymetryczne połączenia. Za to wśród tych najbardziej elitarnych znajdziemy interfejsy, które pozwalają zmienić poziom referencyjny wyjść (zwykle między -10dBu i +4dBu). Jest to ważne we współpracy z profesjonalnym sprzętem studyjnym, takim jak konsole nagraniowe, które lubią sygnały o wyższym poziomie, i urządzeniami takimi jak syntezatory i niskobudżetowe efekty, które często pracują na niższych poziomach. Rzecz oczywista dla doświadczonego realizatora — w większości przypadków tylko wyjścia monitorowe i słuchawkowe mają pokrętła głośności (jednakże, zdarzają się egzotyczne konstrukcje pozwalające zmienić głośność każdego wyjścia). Dlaczego? Cóż, to bardzo praktyczne rozwiązanie w trakcie sesji studyjnej – możesz podgłośnić lub ściszyć swoje głośniki i słuchawki żeby np.: móc normalnie porozmawiać lub podkręcić głośność, żeby sprawdzić jak kopie stopa. Jednak w systemach gdzie tworzy się połączenia do analogowego sprzętu bardzo ważną rzeczą jest utrzymanie stałych poziomów.

Zasilanie phantom

Zasilanie Phantom, zwykle oznaczane jako ‘+48v’ na sprzęcie muzycznym, jest wymagane przez niektóre mikrofony. Gdy zasilanie Phantom jest włączone, napięcie (ok. 48V) jest wysyłane przez kabel XLR do podłączonego mikrofonu, zasilając jego wewnętrzne obwody. Warto jednak pamiętać, że nawet z zasilaniem phantom sygnał nadal potrzebuje wzmocnienia; zasilanie 48V służy tylko zasileniu kapsuły mikrofonu i umożliwieniu jej pracy. Podczas pracy ze starszymi mikrofonami, zasilanie phantom powinno być używane bardzo ostrożnie. Najlepszą praktyką jest podłączyć wszystkie mikrofony z wyłączonym zasilaniem phantom i włączać je tylko na kanałach, na których jest ono wymagane. Jeśli twój preamp mikrofonowy nie posiada przycisku +48V, może mieć globalny włącznik zasilania phantom, lub może być on włączany w grupach (powiedzmy, kanały 1-4 i 5-8 w ośmiokanałowym interfejsie, takim jak Focusrite Scarlett 18i20 Gen 3). Czasami, zasilanie phantom może być sterowane za pomocą oprogramowania kontrolnego interfejsu. Na koniec, powinieneś być wyjątkowo ostrożny używając starszych urządzeń, w szczególności mikrofonów wstęgowych, które mogą zostać krytycznie uszkodzone jeśli zasilanie phantom jest włączone na ich kanale.

Stosunek sygnału do szumu i THD+N

Mimo że wszystkie wyjścia liniowe mogą wydawać nam się takie same, istnieje kilka decydujących czynników, które mogą mieć wpływ na jakość dźwięku wychodzącego z Twojego interfejsu. Te czynniki to stosunek sygnału do szumu (mierzony w dB) i ilość szumu oraz zniekształceń, mierzony w procentach zawartości harmonicznych i szumu (Total Harmonic Distortion and Noise lub ąw skrócie THD+N). Jak wskazuje nazwa, stosunek sygnału do szumu jest różnicą między najgłośniejszym możliwym sygnałem a poziomem na którym znajduje się szum. Mówiąc ogólnie, im wyższa jest ta wartość, tym większy zakres dynamiki Twój interfejs będzie mógł wyprodukować. Jednakże, istnieje wiele innych czynników, od których zależy czy twój interfejs będzie rzeczywiście w stanie wykorzystać ten zakres, więc stosunek sygnału do szumu powinien być traktowany jako maksymalna możliwa przepustowość dla twojego dźwięku.

Mierniki

Wszystkie interfejsy, może poza tymi najbardziej podstawowymi, zapewniają jakąś formę pomiaru. Metering jest ważnym wskaźnikiem tego jak bezpieczne są twoje poziomy: niezbyt głośne, aby nie wywołać zniekształceń; nie za niskie, aby zachować bezpieczny dystans od szumów. W erze wielkich konsolet analogowych i wielokanałowych szpulowców, przesterowanie sygnału było zabiegiem kreatywnym, zmuszającym analogowe obwody do przesterowywania w sonicznie atrakcyjny dla ucha sposób. Interfejsy audio i nagrywanie do DAW nie działają w ten sposób — gdy sygnał osiąga maksymalny poziom w domenie cyfrowej (0dBFS) zostaje „spłaszczony” limiterem, tworząc nieprzyjemny przester, który może zrujnować idealne nagranie. Złotą zasadą przy nagrywaniu do DAW jest sprawdzenie poziomu sygnału wejściowego na wszystkich brzmieniach, które masz zamiar nagrać. Poproś wokalistę o zaśpiewanie swojej najgłośniejszej frazy, a gitarzystka niech zagra swoje solo ze wzmacniaczem odkręconym na maksa. Ostatnia rada: zostaw trochę odległości od 0 ustawiając gain, ponieważ muzycy mają tendencję do grania głośniej gdy się rozgrzeją!

Połączenie z komputerem

Połączenie z komputerem jest drogą, którą wszystkie wejścia i wyjścia docierają do Twojego komputera. Mimo iż spotkasz się z interfejsami na Thunderbolt i FireWire, protokołem, który wygrał w wojnie połączeń jest USB, będący jednocześnie protokołem transferu danych jak i nazwą dla kilku rodzajów połączeń.

W nowoczesnych komputerach, takich jak najnowsza generacja MacBook’ów Pro znajdziesz tylko gniazda USB typu C. Dane, które płyną tymi portami to nie tylko USB, to kombinacja różnych protokołów, takich jak HDMI dla monitorów, oraz Thunderbolt i Firewire — i oczywiście zasilanie. Większość nowych interfejsów będzie posiadać kabel USB-C, więc podłączenie nowego interfejsu, takiego jak Focusrite Scarlett 4i4, do nowego komputera z USB-C to drobnostka. Jednakże, klasyczne połączenie USB-A (wszechobecna prostokątna wtyczka) nadal dominuje, więc często znajdziesz kabel USB-A do USB-C w pudełku.

Połączenia cyfrowe

Cyfrowe wejścia i wyjścia pozwalają rozszerzyć Twój system. Używając zewnętrznych urządzeń takich jak Focusrite Octopre, możesz dodać kolejne preampy mikrofonowe i analogowe wyjścia. W domenie cyfrowej najprawdopodobniej spotkasz się z połączeniami S/PDIF i ADAT. Większe interfejsy często posiadają wejścia i wyjścia w obu tych standardach.

ADAT przenosi dane z pomocą przewodów światłowodowych i jest w stanie przesłać do ośmiu kanałów w rozdzielczości 24-bit i częstotliwości próbkowania do 48kHz. Przesłanie 8 kanałów w 88.2 lub 96kHz przez ADAT wymaga dwóch portów i wsparcia dla rozszerzenia protokołu ADAT zwanego S/MUX, który jest powszechny w większych interfejsach, takich jak Focusrite Scarlett 18i20 trzeciej generacji.

S/PDIF przenosi dwa sygnały mono lub jeden stereo i zwykle występuje w postaci portu RCA, ale może to być również port optyczny. W związku z tym warto sprawdzić jaki format twój interfejs przyjmuje na wejściu optycznym, ponieważ wysłanie sygnału stereo S/PDIF do wejścia obsługującego wielokanałowy strumień ADAT po prostu się nie uda!

Warto wiedzieć...

Taktowanie

Cyfrowy dźwięk składa się z serii sampli – pomiarów amplitudy sygnału, które są wykonywane w równych interwałach. W przypadku jakości płyty CD, dźwięk który słyszymy to 44100 próbek na sekundę. Wielu profesjonalistów nagrywa w wyższych częstotliwościach, takich jak 96000 sampli na sekundę, inaczej 96kHz. Niezależnie od używanej częstotliwości próbkowania każde cyfrowe urządzenie audio musi odliczać próbki w tym samym czasie lub używać tego samego „zegara”, inaczej pojawią się słyszalne zakłócenia i błędy.

Pojedynczy interfejs audio pracujący samodzielnie bez innych urządzeń cyfrowych (poza komputerem do którego jest podłączony) będzie pracował słuchając własnego, wbudowanego zegara. Nie napotkamy również żadnych problemów z taktowaniem podłączając interfejs z innym hardwarem w analogowej domenie. Jednak gdy podłączamy cyfrowo drugie urządzenie, takie jak preamp mikrofonowy z wyjściem cyfrowym, kwestia taktowania musi być wzięta pod uwagę. Wysłanie cyfrowego sygnału audio z jednego urządzenia do drugiego jest możliwe tylko wtedy, gdy oba urządzenia są zsynchronizowane z tym samym zegarem. Innymi słowy, w każdym studiu, w którym urządzenia są połączone cyfrowo jedno z nich musi być nadawcą zegara („master” – ang. władca), a wszystkie pozostałe odbiorcami zegara (‚slaves’ – ang. „niewolnicy”) używającymi go jako referencji.

Sposób, w jaki to robimy, zależy od tego jak wiele urządzeń musimy połączyć i w jaki sposób. W przypadku ADAT i S/PDIF — najpopularniejszych cyfrowych formatów audio — sygnał zegara jest wysyłany wraz z dźwiękiem tym samym przewodem, więc gdy podłączasz cyfrowy sprzęt do swojego interfejsu korzystając z tych formatów, możesz skonfigurować swój interfejs w tryb slave, aby odbierał sygnał zegara od podłączonego urządzenia. W większości interfejsów ustawienia zegara znajdziemy w aplikacji sterującej interfejsem lub sterowniku, a diody LED na przednim panelu informują nas o trybie pracy zegara. Na zewnętrznych urządzeniach z cyfrowymi wyjściami zwykle znajdziesz przyciski które pozwolą ci wybrać częstotliwość próbkowania i tryb pracy zegara („master” lub „slave”).

World clock

W bardziej rozbudowanych systemach, gdzie do interfejsu jest podłączone wiele cyfrowych urządzeń lub gdy podłączone urządzenie nie ma stabilnego zegara, możemy utworzyć oddzielny układ Word Clock. Word Clock pojawia się tylko w większych interfejsach z wysokiej półki, gdzie większa elastyczność w łączeniu wielu cyfrowych urządzeń ma duże znaczenie. Wymaga to niezależnego zestawu przewodów koaksjalnych z wtykami BNC i dużej uwagi przy konfiguracji wszystkich urządzeń w pętli zegara oraz zakończenia połączenia lub ukończenia pełnej pętli. Czasami możemy mieć wiele możliwości połączeń w dużym studiu, więc najlepiej odnieść się do instrukcji obsługi w poszukiwaniu porady.

Sterowniki

Bez różnicy czy pracujemy na komputerze Mac czy PC, wszystkie interfejsy potrzebują sterownika z wyjątkiem tych opisanych jako”class-compliant” – czyli korzystających ze sterowników systemu. Sterownik obsługuje ruch danych między interfejsem a komputerem i ma ogromny wpływ na działanie i stabilność urządzenia. Dobrze skonstruowany sterownik umożliwi niską latencję, niezawodność i zagwarantuje stabilne połączenie z komputerem. Zły sterownik może zmienić dobry interfejs w metalowe pudełko z pokrętłami. Należy regularnie aktualizować sterowniki interfejsu pamiętając o kompatybilności z systemem operacyjnym.

USB 3x

W ostatnich latach wprowadzono nowe standardy USB: USB 3.0, USB 3.1 i USB 3.2. Wprowadzają one ogromne usprawnienia w kwestii transferu surowych danych — z maksymalnymi teoretycznymi prędkościami 5Gbps (gigabits per second) dla USB 3.0; 10Gbps dla USB 3.1; i robiące wrażenie 20Gbps dla USB 3.2 — świetne rozwiązanie dla dysków twardych i innych urządzeń które transferują dane w pakietach. Jednak szybsze osiągi nie przynoszą żadnych korzyści ludziom pracującym z dźwiękiem. Jest to spowodowane architekturą stosu sterowników komputera i sposobem w jaki obsługują dźwięk przez USB, który jest ‘izochroniczną’ informacją. Stos planuje wysyłkę i odbiór danych od sterowników audio w milisekundowych odstępach, co oznacza, że niezależnie od tego jak szybko dane są przesyłane przez USB to sterownik definiuje jak niską latencję jesteśmy w stanie osiągnąć.

Dobrą analogią jest myślenie o tym jak o rynnie i piłce do tenisa. Piłka do tenisa to dane a średnica rynny to prędkość połączenia. Przy tym samym nachyleniu, wrzucając piłkę u szczytu rynny wypadnie ona na ziemię w określonym czasie. To twoja latencja, czas w którym piłka pokonuje dystans rynny. USB 3.x oferuje dużo szerszą rynnę, co w tej metaforze oznacza możliwość wrzucenia większej ilości piłek (więcej kanałów audio) do rynny. Jednak piłki nie będą spadać szybciej, ponieważ nachylenie jest takie same. To samo tyczy się USB 3.x I USB 2.0 gdy porównujemy sposób, w jaki przesyłają dane.

Nie oznacza to, że prędkość oferowana przez USB 3.x nie przynosi żadnych korzyści. Na przykład gdybyś chciał interfejs z dosłownie setkami kanałów wejściowych i wyjściowych. Jednakże nawet dla największych pod względem ilości wejść interfejsów, USB 2.0 zapewnia większą przepustowość niż jest wymagana do przesłania wszystkich wejść i wyjść jakich kiedykolwiek mógłbyś potrzebować.

Latencja

Latencja jest jedną z rzeczy na którą należy zwrócić uwagę dokonując wyboru interfejsu. Latencja jest opóźnieniem w czasie, którego doświadczamy np.: śpiewając do mikrofonu i słysząc swój głos po przejściu przez wejścia twojego interfejsu, konwertery A-C, sterownik, Twój DAW, ponownie przez konwerter C-A, i przez Twoje głośniki lub słuchawki. Każdy z tych etapów dodaje nieco latencji, z powodu kalkulacji potrzebnych aby przetworzyć dźwięk lub przekazać go do następnego etapu. W środowisku o niskiej latencji wszyscy są zadowoleni: wokalista słyszy się w słuchawkach bez drażniącego opóźnienia; realizatorka może dodawać wtyczki to do miksu podczas nagrywania, i cały zespół może odsłuchiwać sesję bez potrzeby przygotowywania wysyłek na analogowym stole mikserskim. Współczesne, profesjonalne interfejsy pracują z niemal nieistniejącą latencją, co często jest powodem dużych różnic w cenach interfejsów.

Bus Power

Niektóre interfejsy audio mogą pracować na zasilaniu zapewnionym przez kabel USB: takim samym jak te, którym ładujesz telefon lub bezprzewodowe słuchawki. Urządzenia w standardzie USB 2.0 mogą pobierać do 500mA przy napięciu 5V z komputera, podczas gdy USB 3.x podnosi ten limit do 900mA. Jednakże, te specyfikacje odnoszą się do maksymalnego natężenia, na które dozwolono dla tego typu urządzeń: nie ma gwarancji że komputer będzie w stanie dostarczyć taki prąd. Z tego powodu, aby zagwarantować stabilną pracę i ciągłość sygnału, większe interfejsy audio będą prawie zawsze miały oddzielny zasilacz.