SpectraPLUS, SpectraPRO, SpectraRTA : L’analizzatore di spettro nel PC
Andrea Cerniglia
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(Estratto da Backstage n.9, maggio-giugno 1998, Gruppo editoriale Jackson)
L’analizzatore di spettro virtuale
Il vertiginoso proliferare di microprocessori sempre più veloci ed efficienti che ha
caratterizzato questi ultimi anni, ha consentito lo sviluppo di sofisticati programmi
applicativi, impensabili fino a poco tempo fa. Una delle applicazioni rese possibili
dalla recente evoluzione dei personal computer è l’analisi digitale dei segnali per
mezzo di softwares dedicati che, acquisendo detti segnali tramite una scheda inserita
nel computer, consentono di calcolare lo spettro; in altre parole è possibile eseguire in
tempo reale la scomposizione in frequenza di un segnale, nella pozione di spettro
compresa tra il limite inferiore della scheda audio e 22 kHz. Rientrano in questa
tipologia di prodotto i softwares SpectraPLUS, SpectraPRO e SpectraRTA, forniti
gratuitamente in prova per trenta giorni a tutti gli abbonati a Strumenti Musicali, e
contenuti all’interno del doppio Compact Disc ‘SEGNALI DI TEST’ a loro inviato.
A questo proposito vale la pena ricordare che all’interno del Compact Disc sono
presenti 98 tracce audio, contenenti diverse tipologie di segnali di prova; le tracce
audio presenti nei CD sono state pensate e realizzate al fine di consentire, con
l’ausilio di un fonometro o dei softwares appena citati, l’equalizzazione di un
ambiente, l’analisi acustica di alcune sue caratteristiche, la verifica di alcune
prestazioni di apparecchi in bassa frequenza.
SpectraPLUS, SpectraPRO, SpectraRTA
Con i programmi descritti, è possibile implementare, su un personal computer dotato
di scheda audio standard, un analizzatore di spettro per bassa frequenza, con
caratteristiche particolarmente interessanti. Più precisamente
SpectraPLUS e
SpectraPRO consentono di trasformare il PC dotato di scheda audio Windows
compatibile, in un analizzatore di spettro FFT con possibilità di sintesi dei terzi di
ottava; SpectraRTA trasforma invece il computer in un analizzatore in tempo reale a
banda percentuale costante in ottava e frazioni di ottava. La figura 1 mostra una
videata di SpectraPRO, relativa ad una particolare analisi vocale, rappresentata
secondo quattro criteri differenti: forma d’onda, spettro FFT, waterfall, sonogramma.
Ognuna delle quattro rappresentazioni verrà discussa in dettaglio nel corso
dell’articolo.
Figura 1 : SpectraPRO, rappresentazione di time-history, spettro FFT, waterfall e sonogramma
La figura 2 è inerente invece ad una videata di SpectraRTA, raffigurante uno spettro
in banda di 1/3 di ottava, relativo ad una misura eseguita in un ambiente. Oltre alle
già citate funzioni di analisi spettrale, i programmi permettono di generare, sempre
per mezzo della scheda audio del PC, diversi segnali di prova quali ad esempio
rumore bianco, rumore rosa, sinusoidi sovrapposte, sinusoidi sweep.
Figura 2 : SpectraRTA, rappresentazione dello spettro in banda di 1/3 di ottava
Se la scheda audio presente nel computer è di tipo duplex (ossia in grado di acquisire
e riprodurre contemporaneamente), è possibile utilizzare la sezione del software
‘generatore di segnali’ per pilotare ad esempio un apparecchio in prova, e
contemporaneamente utilizzare la sezione ‘analisi’ per calcolare la risposta in
frequenza di quanto in esame (per questo tipo di prove si legga il paragrafo relativo
alle avvertenze). La figura 3 mostra il tipico setup di misura per il calcolo della
risposta in frequenza, ad esempio di un filtro;
Figura 3 :SpectraPRO, setup per la misura della risposta in frequenza
la figura 4 rappresenta una risposta in frequenza complessa espressa in termini di
fase. Inoltre, con SpectraPLUS e SpectraPRO è possibile utilizzare l'hard disc del
computer come un registratore digitale (2 canali, 44100 Hz di campionamento, 16 bit
di quantizzazione), per ascoltare, analizzare ed eventualmente eseguire operazioni di
filtraggio dei files audio memorizzati; il filtraggio può essere eseguito secondo i
classici criteri di passa-basso, passa-alto, passa-banda e notch filter (in pratica è
possibile eliminare una banda di frequenze dal segnale audio e riascoltare quindi il
risultato della operazione eseguita).
Figura 4 :SpectraPRO, curva della risposta in frequenza espressa in fase
Tranne SpectraRTA, che è in grado di rappresentare solamente lo spettro a banda
percentuale costante, gli altri programmi contenuti nel Compact Disc non si limitano
soltanto a fornire lo spettro di quanto acquisito; infatti tra i diversi modi di
rappresentazione possibile, vale la pena ricordare, oltre allo spettro classico a banda
fine o a banda percentuale costante sintetizzata, anche la funzione di oscilloscopio, il
waterfall ed il sonogramma. Esaminando più in dettaglio i diversi modi di
rappresentazione citati, è possibile riconoscere in figura 5, per mezzo della funzione
oscilloscopio, la forma d’onda di un segnale sinusoidale a 200 Hz (periodo 5 ms).
Figura 5 :SpectraPRO, funzione time-hitory (oscilloscopio)
La figura 6 è invece relativa ad uno spettro FFT, con abilitazione del calcolo della
distorsione armonica totale e del rapporto segnale/rumore. Nella misura si distingue
una frequenza principale a 1000 Hz ed una seconda frequenza a 2000 Hz. Il segnale
visualizzato in figura è stato ottenuto per mezzo del generatore incluso nel software.
Figura 6 :SpectraPRO, funzione spettro e calcolo THD e S/N
Nei casi in cui il fenomeno in esame risulta variare nel tempo, un valido aiuto alla
comprensione di quanto analizzato, viene fornito dalla rappresentazione 3D o
waterfall ; la figura 7 mostra un diagramma frequenza-ampiezza-tempo, adatto a
questa tipologia di fenomeno : l’asse delle ascisse è relativo alle frequenze, l’asse
delle ordinate è relativo ai livelli, l’asse Z è relativo al tempo e mostra quindi
l’evoluzione dello spettro.
Figura 7 :SpectraPRO, diagramma waterfall
Spesso, a causa della presenza di eccessive componenti nel diagramma
tridimensionale (che rendono quindi difficile la lettura dello stesso), si preferisce
utilizzare il sonogramma. Quest’ultimo modo di rappresentazione lo possiamo
immaginare come un diagramma tridimensionale visto dall’alto ; in questa situazione
siamo nuovamente di fronte ad un diagramma 3D, nel quale la terza dimensione è
data da una scala di grigi o da una scala cromatica. In figura 8 è mostrato un
sonogramma relativo ad un fenomeno variabile nel tempo : in particolare il grafico si
riferisce ad una frequenza ricca di armoniche, che varia nel tempo da un minimo di
100 Hz fino ad un massimo di 275 Hz, compiendo nel percorso alcune bizzarre
evoluzioni. L’asse orizzontale mostra il tempo, l’asse verticale le frequenze, e la scala
di grigi è relativa al livello.
Figura 8 :SpectraPRO, sonogramma a scala di grigi
Per comprendere meglio il sonogramma si può considerare la figura 9 che nella prima
parte mostra un arpeggio di Do maggiore eseguito lentamente con il pianoforte, e
nella seconda parte le note dello stesso accordo, suonate simultaneamente. Nella
figura sono stati riportati i commenti esplicativi di quanto registrato.
Figura 9 :SpectraPRO, sonogramma a colori
La scheda audio
Tutti e tre i programmi riconoscono automaticamente la scheda audio installata nel
sistema Windows: non necessitano quindi di drivers particolari o di complesse
procedure di installazione. Dal momento che il software utilizza per l’acquisizione la
scheda audio del PC, è ovvio che dalle caratteristiche di quest’ultima, dipende in
larga parte la bontà di quanto successivamente elaborato (ovviamente se a monte
della scheda audio viene utilizzato un microfono, le sue caratteristiche sono un punto
altrettanto cruciale per le prestazioni di tutto il sistema). E’ bene quindi valutare
attentamente, in funzione delle proprie esigenze, il tipo più adatto di scheda audio da
utilizzarsi. Naturalmente la scheda audio ideale, dovrebbe avere una risposta in
frequenza, piatta da nel range 0-22 kHz, una elevata linearità dinamica, un basso
rumore ed una bassa diafonia. E' bene inoltre ricordare che, a causa della assenza di
filtri anti-aliasing nella maggior parte delle schede audio reperibili, qualsiasi
componente in frequenza che dovesse essere presente oltre la massima frequenza di
analisi impostata nel software, verrebbe ribaltata nella zona di analisi generando
appunto il noto errore di aliasing (in altre parole, verrebbero visualizzate frequenze
inesistenti). Nel dubbio conviene quindi impostare nel programma, la banda di analisi
massima consentita (normalmente 22050 Hz). Un’ ultima nota riguarda la dinamica
del sistema : i tre programmi consentono infatti di selezionare il numero di bit di
quantizzazione (la relazione che lega la dinamica al numero di bit è
approssimativamente di 6 dB/bit) ; non bisogna però dimenticare come, sebbene con
16 bit la dinamica disponibile sia di circa 96 dB, questi ultimi sono realmente
utilizzabili solo a patto che la scheda venga pilotata in maniera corretta. Il file
‘STAMPAMI.TXT’ presente nel CD, chiarisce il problema delle impostazioni, sia
riguardo al fenomeno dell’aliasing, sia riguardo alla dinamica disponibile.
Installazione del software
SpectraPLUS è una applicazione a 16 bit (adatta quindi a Windows 3.1); SpectraPRO
e SpectraRTA sono invece applicazioni a 32 bit (adatte quindi a
Windows95/WindowsNT). Per funzionare correttamente, i programmi necessitano di
un PC 486DX/66 o superiore, equipaggiato di sistema operativo Windows 3.11
(SpectraPLUS) oppure Windows95/NT (SpectraPRO e SpectraRTA) nonché di
scheda audio compatibile. Ovviamente le prestazioni migliorano in termini di velocità
a seconda del processore della macchina e, come già detto, in termini di qualità in
funzione delle caratteristiche della scheda audio utilizzata. Il già citato file
‘STAMPAMI.TXT’, di cui si raccomanda vivamente la lettura, contiene tutte le
informazioni necessarie alla corretta installazione ed abilitazione dei softwares,
nonché una guida essenziale all’uso dei relativi comandi ed alle diverse funzioni
disponibili.
Funzionalità di SpectraPLUS e SpectraPRO
SpectraPLUS e SpectraPRO, diversi tra loro solo per alcune potenzialità di calcolo,
prevedono sostanzialmente tre diversi modi di funzionamento : ‘ Real Time’ ,
‘Recorder’ e ‘PostProcess’. Nel modo 'Real Time' i programmi analizzano in tempo
reale il segnale acquisito dalla scheda audio, mostrandone i risultati sullo schermo.
In 'Real Time Mode' non viene memorizzato nulla su disco e non è possibile quindi
eseguire analisi successive sullo stesso segnale. Nel modo 'Recorder' , oltre ad
eseguire l'analisi, i programmi memorizzano sull'hard disc il segnale audio acquisito.
In questo modo di funzionamento è possibile anche riascoltare un segnale
preventivamente memorizzato, rianalizzarlo ed eventualmente compiere filtraggi
digitali. Nel modo 'Post Process' è consentito rielaborare un segnale registrato, con
caratteristiche di dettaglio di analisi particolarmente avanzate. Nei programmi sono
inoltre disponibili diverse interessanti utilities quali ad esempio il marker (che
consente di etichettare le frequenze di particolare interesse), il trigger (che consente
di sincronizzare l'acquisizione al verificarsi di determinate condizioni), il calcolo
della distorsione armonica totale e, solo per SpectraPRO, il calcolo del rapporto
segnale/rumore e della distorsione di intermodulazione. Entrambi i programmi
prevedono un menù di calibrazione, per mezzo del quale è possibile tarare il sistema
avendo a disposizione un segnale noto. E' necessario ricordare che la calibrazione del
sistema viene influenzata dalla impostazione del mixer della scheda audio: di
conseguenza, una volta eseguita la calibrazione è indispensabile non alterare le
regolazioni di sensibilità di ingresso della scheda audio. Un’altra interessante
funzione consente di compensare una eventuale non linearità della risposta in
frequenza del microfono. Nella funzione di Help del programma sono riportate, oltre
alle istruzioni d'uso, anche alcune interessanti note applicative che trattano, tra l'altro,
della misura del tempo di riverbero, della distorsione, della misura della funzione di
trasferimento e della analisi della voce.
Funzionalità di SpectraRTA
A differenza di SpectraPLUS e SpectraPRO che, come già detto calcolano lo spettro
FFT ed eventualmente sintetizzano lo spettro a banda percentuale costante,
SpectraRTA calcola direttamente lo spettro a banda percentuale costante di 1/1
ottava, 1/3 di ottava o 1/6 di ottava. Il funzionamento del programma è da intendersi
in 'Real-time mode', ossia non è possibile registrare e quindi post-elaborare i dati.
Anche SpectraRTA consente l’uso di un generatore di segnali, ed implementa
funzioni avanzate quali il calcolo della distorsione armonica totale, della distorsione
di intermodulazione, del rapporto segnale rumore, della ricerca del ritardo tra i canali
e della visualizzazione della fase stereo. SpectraRTA consente la calibrazione del
sistema. Nella funzione di Help sono presenti alcune note applicative tra cui una che
tratta della misura della risposta acustica di un ambiente, ed una circa la misura della
distorsione armonica totale.
Applicazioni
Non è certamente possibile descrivere in poche righe quali sono le possibili
applicazioni di un analizzatore di spettro, sia per la quantità, sia per la complessità di
alcune di esse. Da quanto descritto dovrebbe però emergere la potenzialità dei
programmi applicativi citati, che trovano la loro più naturale applicazione nel settore
dell’alta fedeltà. Oltre ad essere impiegabili per eseguire equalizzazioni, tempi di
riverbero, curve di risposta in frequenza (modulo e fase), studi di fenomeni variabili,
simulazioni di filtri, non bisogna dimenticare alcune interessanti applicazioni di
laboratorio ; utilizzando opportunamente il generatore ed i due canali di acquisizione,
è ad esempio possibile misurare l’impedenza di un altoparlante (in funzione della
frequenza), la sua l’efficienza, la risposta in fase di un diffusore, la caratteristica di un
filtro cross-over.
Avvertenze importanti
Nell’uso del generatore di segnali è bene ricordare che segnali di livello o frequenza
non appropriati, se inviati a circuiti o impianti di diffusione potrebbero danneggiarli
irreparabilmente; allo stesso modo è necessario verificare che i segnali eventualmente
inviati all’ingresso della scheda audio del PC, siano compatibili con quest’ultima, al
fine di evitare possibili danni. Il collegamento della scheda del PC ad
apparecchiature o circuiti, può essere eseguito solo da chi, avendo le necessarie
competenze tecniche, è in grado di tenere in considerazione tutti gli aspetti di
sicurezza del caso, per le persone e per le apparecchiature in esame. La quasi totalità
delle schede audio per PC sono progettate per accettare tensioni nell’ordine di
qualche frazione di volt (o al massimo, per alcune schede, di qualche volt), per
contro, in un circuito o in un impianto audio possono essere presenti tensioni ben più
elevate, pericolose sia per l’uomo sia per le apparecchiature : l’utilizzo del
programma, diverso dal semplice uso in abbinamento ad un microfono, è quindi
destinato solo a tecnici qualificati, in grado di valutare opportunamente le
problematiche di compatibilità di connessione ed i rischi ad esse collegati. Il
produttore ed il distributore dei softwares, l’autore dell’articolo e Jackson, declinano
ogni responsabilità per danni a cose o persone.
Un’ultima nota riguarda i possibili campi di impiego degli applicativi descritti: i
programmi SpectraPLUS/PRO/RTA non possono essere utilizzati per le misure
acustiche previste dalle vigenti norme, in quanto non conformi ai requisiti richiesti
dalla legge. Il loro utilizzo è quindi limitato alle sole applicazioni compatibili con
strumentazione per la quale non viene richiesto alcun requisito.
Prima dell'utilizzo dei programmi SpectraPLUS/PRO/RTA è necessario prendere
visione ed approvare la licenza d'uso in essi contenuta: I softwares contenuti nel CD
‘SEGNALI DI TEST’, benché funzionanti in tutte le loro potenzialità, sono da
intendersi solo ed esclusivamente per un uso di valutazione del prodotto; qualsiasi
utilizzo commerciale o comunque diverso da quello di mera valutazione, è
subordinato all'acquisto degli stessi ed è regolato da un contratto di licenza d'uso
software.