Audio di qualità anche negli auricolari

APPLICAZIONI AUDIO –

Gli algoritmi per l’elaborazione audio aiutano a migliorare la riproduzione con altoparlanti di piccole dimensioni.

Gli smartphone moderni sono dispositivi potenti e ben congegnati. Le dimensioni variano tra i diversi modelli ma, in generale, i dispositivi allo stato dell'arte racchiudono molte funzioni in un package di circa 110 x 60 x 15 mm. Una volta presi in considerazione il display e le schede di circuito, non rimane molto spazio per gli altoparlanti. Ora, pensate a un sistema home theater e a quanto spazio occupa un subwoofer. La maggior parte di voi penseranno che si tratta di due applicazioni completamente diverse, e che non sia corretto metterle a confronto. Questo è sicuramente vero, ma fino a un certo punto. Infatti, mentre le applicazioni sono davvero diverse, i contenuti che vengono eseguiti stanno diventando sempre più simili ogni giorno che passa. Gli standard più veloci per la comunicazione mobile (3G, 3,5G, 4G) e le reti che li supportano hanno abilitato il download e la riproduzione audio e video sugli auricolari. I clienti si aspettano che a un'ampiezza di banda sempre più elevata corrisponda una migliore qualità audio e video. Il problema è che il miglioramento dell'audio non è affatto facile. I produttori di auricolari si trovano a fronteggiare diversi vincoli, di cui i principali sono l'ingombro dell'involucro del cellulare e il livello di compressione del file audio. Osserviamoli da vicino.

Dimensioni dell'involucro - Gli altoparlanti traducono l'energia elettrica in onde sonore spostando avanti e indietro il loro cono. Il cono spinge l'aria, generando onde sonore che le nostre orecchie interpretano come suoni. Dati i limiti di ingombro citati sopra, non rimane molto spazio per il movimento. Dunque, è possibile usare soltanto altoparlanti molto piccoli, con un cono altrettanto piccolo a escursione corta. In un mondo di piccoli circuiti integrati, gli altoparlanti, con la loro necessità di movimento, sono un qualcosa di ‘molesto’, e non possono che essere di dimensioni compatte. I piccoli altoparlanti non possono riprodurre un audio di buona qualita’, e le basse frequenze sono quelle maggiormente influenzate. Ottenere un audio di buona qualità da un piccolo dispositivo elettronico portatile è una sfida che può essere risolta soltanto con un team interfunzionale di progettisti industriali, meccanici ed elettronici. Gli ingegneri elettronici hanno uno strumento a disposizione: gli algoritmi di elaborazione dell'audio.

Livello di compressione dell'audio - Spesso l'audio è compresso, per ridurre la dimensione del file da scaricare. La riduzione delle dimensioni viene raggiunta mediante l'utilizzo di algoritmi di codifica, come ad esempio, l'Mp3. Una dimensione minore significa perdita di informazioni e, pertanto, di qualità audio. Anche questo caso possono essere utili gli algoritmi di elaborazione audio.

Gli algoritmi di elaborazione audio
Al giorno d'oggi sono disponibili diversi algoritmi per l'elaborazione audio e per il miglioramento dell'esperienza di ascolto. L'elaborazione di base è data dall'equalizzazione e dal filtraggio che modificano l'ampiezza di diverse bande di frequenza per ovviare ai limiti degli altoparlanti. Osservando la risposta in frequenza degli altoparlanti è possibile determinare che cosa può o non può essere riprodotto e impostare di conseguenza le curve di equalizzazione. L'obiettivo è quello di ottenere un suono con ampiezza più o meno costante, indipendentemente dalla frequenza riprodotta attraverso l'altoparlante. Oggi l'equalizzazione di base è abbastanza comune; la maggior parte dei convertitori audio disponibili sul mercato ne sono dotati. In alcuni casi, però, questo non è sufficiente a migliorare la qualità dell'audio. Infatti, gli altoparlanti mostrano riposte in frequenza che cambiano con l'intensità del segnale audio. Per compensare l'effetto, è necessario l'uso di filtri dinamici. Si tratta di filtri i cui poli e zeri cambiano per tener conto di una risposta in frequenza dell'altoparlante che si modifica con l'ampiezza del segnale. Per implementare i filtri dinamici sono necessarie capacità di elaborazione di tipo Dsp. Gran parte dei convertitori audio a bassa potenza non ne hanno abbastanza per farlo.
Un altro algoritmo interessante è il bass boost. Questo algoritmo migliora la riproduzione delle frequenze dei bassi sfruttando il principio psicoacustico della "missing fundamental". Se si guarda alla risposta in frequenza dei piccoli altoparlanti, è possibile vedere che dispongono di una risposta dei bassi con un punto a 3dB che può trovarsi in centinaia di Hz. Questo significa che un tale altoparlante non sarà in grado di riprodurre a dovere frequenze inferiori. Far funzionare l'altoparlante con queste basse frequenze non solo è inutile (poiché non è comunque possibile la riproduzione) ma è anche dannoso. Le basse frequenze forzano l'altoparlante a muoversi in un modo impossibile e, così facendo, a generare una distorsione aggiuntiva per le frequenze più alte.
Il bass boost riceve il contenuto a bassa frequenza che l'altoparlante non è in grado di riprodurre e lo sposta più in alto di un'ottava, laddove l'altoparlante funziona bene. Ad esempio: se un'altoparlante ha un punto a 3dB di 300 Hz ed è presente contenuto a 200 Hz, il bass boost lo sposta a 400 Hz per riprodurlo correttamente. Dato che il contenuto audio è esattamente un'ottava sopra, l'orecchio e il cervello dell'uomo sono portati a pensare che il contenuto a frequenza inferiore sia davvero presente (principio della missing fundamental). Ora, possiamo applicare un filtro per rimuovere tutto il contenuto a bassa frequenza che è impossibile riprodurre in modo che non venga inviato per nulla all'altoparlante. L'impiego in associazione del bass boost e di un filtro passa-alto può incrementare drasticamente le capacità di riproduzione dei bassi in piccoli altoparlanti.

Gli algoritmi di virtualizzazione
Inoltre, è possibile migliorare l'audio tramite gli algoritmi di virtualizzazione (chiamata anche 3D), che migliora l'audio riprodotto tramite altoparlanti o auricolari generando un'esperienza di ascolto immersiva. Gli algoritmi di virtualizzazione aumentano la dimensione del campo audio e sono in grado di realizzare in modo efficace un audio surround virtuale anche da piccoli dispositivi portatili. Essi analizzano le differenze e comunanze del contenuto riprodotto tramite i due canali di un sistema stereo e lo migliorano per far credere all'utente che il suono provenga da tutte le direzioni. Questi algoritmi sfruttano la cosiddetta Hrtf (Head related transfer function) che spiega come il suono interagisca e sia interpretato dalla mente umana, ovvero dal sistema orecchio-cervello. Algoritmi aggiuntivi si focalizzano sul miglioramento dell'audio compresso. In questo caso, cercano di recuperare le informazioni perse durante il processo di compressione. Normalmente agiscono su contenuti ad alta frequenza (nell'ordine dei KHz) e aumentano la nitidezza. In questo modo i suoni ad alta frequenza, come la pioggia in un film o un assolo di chitarra in una canzone, saranno riprodotti nella maniera in cui si voleva che fossero sentiti.
Esistono molti convertitori audio (Adc, Codec e Dac) che supportano capacità di elaborazione audio avanzate. Nei dispositivi Texas Instruments questi algoritmi vengono eseguiti su processori del segnale audio digitale (Dsp o miniDsp), integrati in un convertitore audio. Il miniDsp è programmato usando l’ambiente di sviluppo grafico PurePathTM Studio. Il TLV320AIC36 è solo uno dei dispositivi della famiglia che possono essere impiegati per gli auricolari, grazie agli ingressi e alle uscite analogici.

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