Generatori e distributori di Word Clock, teoria e pratica

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Questo articolo lo salto, non mi interessa, cosa può servirmi un generatore di clock, visto che ho solo una scheda audio? Se questa è la vostra prima considerazione leggendo il titolo, forse non avete idea che anche il clock suona e, soprattutto, fa suonare. I generatori e distributori di clock stanno suscitando un interesse sempre maggiore negli studi di registrazione, pur non essendo certo dei prodotti nuovi, tanto che quasi ogni mese viene presentato un generatore nuovo che promette miracoli. Il più famoso di tutti rimane al momento il produttore Apogee, che ha aperto la strada e le orecchie a tutti gli altri nel settore dell’audio prò conquistando sempre più adepti che non iniziano a lavorare se il generatore di word click non è appeso. Abbiamo voluto introdurre alcuni aspetti teorici e pratici.

ALL’INIZIO ERA IL VIDEO

Gran parte dell’audio professionale è nato grazie al broadcast e, quindi, alla televisione, alla radio e il cinema. Nel video analogico è sempre stato necessario un clock di riferimento per assicurare la perfetta sincronizzazione tra telecamere, switcher e generatori di effetti, per far sapere a tutte le apparecchiature qual è il trame di start. Durante la sincronizzazione audio e video, inoltre, un clock è sempre stato necessario. Vi immaginate cosa sarebbe successo se i fotogrammi corressero più veloci dell’audio? Si perderebbe completamente il sync. Passando al digitale i problemi di sincronizzazione si sono riproposti anche in modo maggiore, perché ogni dispositivo digitale collegato digitalmente ad altri deve condividere la stessa sorgente di sincronizzazione.

Se così non, è il suono che ne deriva è un miscuglio dì pop, click, distorsione e glitch inascoltabili. Per comprendere fino in fondo il ruolo del clock in un prodotto digitale (può essere anche un DS 3 esterno), riferiamoci al più classico dei processi, cioè la conversione A/D e D/A. Entrambe le funzioni sono basate sull’analisi dell’ampiezza rispetto al tempo del segnale audio, la cui durata è espressa come frequenza di campionamento. A 44,1 khz, ogni secondo viene diviso in 44.100 piccoli pezzetti e, per ognuno di essi, viene compiuta l’analisi. Ms chi fornisce all’analizzatore (chiamiamolo così per capirci), il corretto timing per aprire e chiudere le porte nell’istante giusto? Ci pensa il generatore di clock, che vive sempre insieme ai convertitori ed è pertanto integrato nella scheda. I convertitori analizzano il segnale secondo il passo dettato dal clock. Per far sì che il timing sia corretto, sia in A/D che in D/A, è necessario che il clock sia il migliore possibile, sia nella qualità della forma d’onda che invia (che deve essere Interpretato dai convertitori), sia nella precisione temporale. Un qualsiasi difetto in uno di questi due elementi porta i convertitori a lavorare in modo anomalo rispetto al risultato, con la creazione di artefatti più o meno udibili.

Diamo ora un nome corretto alle cose, li timing del clock può non essere perfetto creando il fenomeno chiamato jitter, che corrisponde a uno sfasamento temporale rispetto a un clock Ideale, dovuto ai diversi componenti del sistema che introducono dei ritardi o degli anticipi, anche causali, comportando di conseguenza una elaborazione del segnale dei convertitori non corretto rispetto a un ideale tempo di riferimento. Tanto più è elevato il jitter (che può dipendere anche dai componenti del convertitore), tanto peggio sarà la fedeltà del suono. Non stiamo parlando in questo caso della differenza macroscopica che potreste sentire da una registrazione a otto bit piuttosto che a sedici, ma della perdita di quei minimi dettagli e di fluidità che rendono il suono aspro, confuso, poco dinamico e senza ambiente. Questo accade perché non c’è più una ricostruzione fedele, in caso di jitter, del segnale originale. Per meglio chiarire il concetto osservate la figura in basso:

l’onda quadra superiore è il segnale di clock ideale, quello preciso e perfetto, l’onda quadra di mezzo è Invece il segnale di clock reale affetto da jitter, e l’ultimo grafico visualizza la quantità di jitter rispetto al segnale di clock ideale. La figura in basso dimostra i risultati che si ottengono da un convertitore A/D affetto da jitter elevato, rispetto alla sinusoide originale.

Immaginate di stirare e accorciare di qualche nanosecondo parti di un campione. Il suono globale è ancora Identificabile, tuttavia il timbro non è più esattamente quello iniziale e si perdono microdettagli e si modificano le armoniche. Il problema appare in tutta la sua gravità quando parliamo di conversione A/D, perché una volta che il segnale è stato campionato male, a causa del jitter, indietro non si torna e noi continueremo a lavorare con materiale la cui qualità, rispetto all’originale, è deteriorata.

Oltre al jitter, la qualità del segnale di clock può essere rovinata anche da una impedenza scorretta di carico del suo generatore. È tuttavia da sottolineare che quando parliamo di interfacce audio, 1 convertitori e il generatore di clock interno dell’interfaccia sono progettati per evitare qualsiasi problema dì impedenza di carico. Il problema può apparire quando si utilizza un generatore di clock separato fisicamente dai convertitori, quindi esterno all’interfaccia, come nel caso dei generatori e distributori di clock con il Word Clock via BNC.

Un’impedenza di carico scorretta durante la distribuzione, porta a modifiche importanti nella forma d’onda. Il clock è spesso un impulso a forma di onda quadra, già di per sé complicata da conservare, e l’impedenza non corretta può portare a schiacciare la quadra alterando tutti gli angoli, fino a formare degli spike, incomprensibill dal circuito di Sample&Hold del convertitore, che ancora una volta rimarrà aperto o chiuso con una tempistica diversa da quella del clock ideale. Il clock può essere generato in tre modi diversi. Il caso più semplice è un quarzo, che oscilla a frequenze dell’ordine del MHz, da cui vengono derivate le frequenze necessarie al campionamento, quindi i fatidici 44,1 kHz. Quasi nessuno utilizza questo sistema per generare il clock. Molto più diffuso è Invece l’uso di un quarzo con un circuito PLL (Phase-Locked Loop), che funziona anche da filtro sul jitter. Il terzo modo, meno diffuso, 6 l’uso di un quarzo, di un circuito PLL e di un DSP con sintesi del segnale di clock (Direct Digllal Synttieslzer), come nel caso di RME FireFace e Apogee Big Ben, AD16X e DA16X.

LA TRASMISSIONE DEL SEGNALE DIGITALE

A cosa servono le porte ADAT ottiche, l’S/PDIF (coassiale od ottico) e l’AES/COU su XLR? Il loro compito è di veicolare il segnale digitalizzato da un dispositivo all’altro, senza perdere Informazioni. Vediamo alcuni esempi concreti. In commercio ci sono diversi preamplificatori con uscita digitale ADAT integrata, ottimi per espandere gli ingressi di una interfaccia audio. Perché tutto funzioni, sarà necessario collegare l’ADAT Out dal pre all’ADAT In dell’interfaccia, impostando la sorgente di clock dell’interfaccia sull’ADAT In. Un altro esempio potrebbe essere quello di una unità multietfetti dotata di S/PDIf I/O da collegare a un’interfaccia audio sempre dotata di S/PDIF. In questo caso sarà necessario collegare l’S/PDIF Out dell’ìnterfaccia all’S/PDIF In dell’effetto, e l’S/PDIF Out dell’effetto all’S/PDIF In dell’interfaccia. È necessario che entrambi i dispositivi abbiano la stessa frequenza di campionamento e il medesimo numero di bit di risoluzione. A questo punto bisogna decidere qual è la sorgente di clock e chi invece riceve questo clock. La scelta è arbitrarla, ma in tutti i casi, è necessario che uno dei due dispositivi sia sincronizzato al proprio clock interno e l’altro invece riceva il clock dall’ingresso S/PDIF. Ogni connessione digitale trasporta anche le informazioni relative al clock. Non entriamo nei particolari architetturali delle varie connessioni digitali, ma vogliamo però chiarire la necessità che i due dispositivi collegati condividano lo stesso clock. È necessario stabilire sempre chi ha il compito di generare il clock e chi invece deve adeguarsi a quel clock, seguendolo pedissequamente e ignorando il proprio generatore interno di clock.

Vi sarà capitato di collegare due schede audio o una scheda audio con un DAT attraverso le porte digitali, per esempio, e sentire che il segnale era particolarmente disturbato, soprattutto sulle alte, con distorsioni, interruzioni e rumori digitali. Non avevate detto alle macchine chi spediva il clock e chi lo riceveva, tutte e due lavoravano indipendentemente e quindi la corretta interpretazione della posizione dei campioni era lasciata al caso. Ogni interfaccia o scheda audio trasmette dei segnali di clock sulle porte digitali. È quasi sempre possibile scegliere una di queste porte come sorgente di clock. In pratica, la connessione più semplice possibile prevede che il dispositivo che riceve i dati digitali, attraverso una di queste porte, derivi il clock dal segnale in ingresso sulla porta digitale in uso. La semplice trasmissione da un dispositivo all’altro, non pone mai grandi problemi: chi trasmette è il Master, e quindi il suo clock è lasciato su Internai, chi riceve (Slave) deve sincronizzarsi al clock del Master, attraverso un’impostazione o un parametro gestibile dall’utente. Con due soli dispositivi digitali in gioco il segnale d clock è trasportato sul medesimo cavo che porta il segnale audio digitale.

I problemi nascono quando si introduce un terzo dispositivo digitale: in questo caso è necessario verificare che ci sia solo un dispositivo Master e che gli altri siano Slave, ossia sincronizzati con il clock del Master. Fino a che sono disponibili porte digitali in ingresso e uscita su tutti gli apparecchi è sempre possibile creare delle catene di dispositivi, tuttavia l’errore è in agguato e spesso non è risolvibile. Non è detto che un dispositivo ritrasmetta perfettamente il clock che ha ricevuto su una porta digitale, a causa di microritardi nei circuiti. Un buon paragone per questo difetto di trasmissione è la porta MIDI Thri. Malgrado sia possibile mettere in cascata diversi sintetizzatori MIDI attraverso l’uso del MIDI Thru, l’ultimo della catena avrà un ritardo ben udibile.

La somma di tutti i micro-ritardi ha comportato la creazione di un tempo di ritardo facilmente riconoscibile. Nel caso del clock, questi ritardi sono certamente minori ma anche più fastidiosi in termini di risultati audio, perché possono provocare fenomeni di filtraggio audio quando si duplicano, per esempio, i canali audio, con conseguente deterioramento del segnale audio. La trasmissione attraverso connessioni AES/FBU S/PDIF- e ADAT è detta self-clockirig, perché contiene il segnale di clock all’interno del flusso audio digitale, e quindi in teoria un Word Clock non sarebbe necessario. Più i dispositivi digitali aumentano, più vi trovate a dover collegare cavi in cascata e sperare di non incontrare un qualsiasi difetto di trasmissione di dati (quasi sempre presente a partire dal terzo dispositivo sicronizzato). Inoltre, non è detto che nessuno degli apparecchi utilizzati generi un clock al di sopra di ogni sospetto. È il momento di utilizzare un distributore e generatore di clock, il quale assume il ruolo di master clock per tutti.

IL WORD CLOCK E LA SUA GENESI

Il segnale di Word Clock (chiamato anche WC), è un’onda quadra la cui frequenza varia proporzionalmente alla frequenza di campionamento, con un voltaggio preciso e definito. Il Word Clock ricevuto viene moltiplicato per un certo fattore (tipicamente 64, 128, 256), poiché praticamente tutti i convertitori moderni lavorano in modalità oversampling. Perciò il segnale originario (poniamo siano i classici 44,1 kHz), può essere portato a 11,2 MHz in caso di oversampling a 265x. Questo significa che il generatore di Word Clock deve avere un jitter bassissimo, perché al termine del suo percorso verso il convertitore anche eventuali instabilità temporali saranno moltiplicate di conseguenza. Per risolvere questo problema si era parlato di introdurre il superclock, che lavora a 256 volte la frequenza di sampling rate, operando quindi a circa 11,28 MHz. Si era pensato di generare direttamente questa frequenza per il segnale di clock per evitare la moltiplicazione, con una connessione diretta. Tuttavia i test su apparecchiature che utilizzano questo standard hanno messo in luce diversi problemi elettrici e interferenze in radiofrequenza che ne hanno sconsigliato l’uso generalizzato. Per questo quasi tutti i generatori di clock continuano a lavorare con le frequenze standard da 44,1 a 192 kHz, frequenze che sono più facili da gestire in termini di interferenze.

Un generatore di clock ad elevate prestazioni può, inoltre, generare il segnale (Direct Digital Synthesizer), non limitandosi a utilizzare un quarzo di cui viene divisa la frequenza, e permettendo di allargare i confini delle frequenze di campionamento. Non è un caso che due delle migliori Interfacce sul pianeta, nei rispettivi campi di applicazione, abbiano un clock DDS: RME FireFace 800 e Apogee AD16X e DA16X. Nel caso della FireFace, il clock può essere generato con frequenze da 28 kHz a 200 kHz. Lo stesso vale per Apogee Big Ben. Capirete bene che un generatore di Word Clock deve avere un jitter minimo, perché l’errore sarà poi moltipllcato all’interno del convertitore. Se non c’è errore alla fonte non aumenterà il jitter. Fino a pochi anni fa non si dava molta importanza alla stabilità e alla qualità del circuito di clock. Oggi si è scoperto invece che influenza direttamente la qualità del segnale audio, per cui per migliorare il risultato sonoro di una scheda, oltre che intervenire sulla componentistica analogica e sulla qualità dei convertitori, l’adozione del clock DDS può risolvere i problemi alla radice.

IL GENERATORE E DISTRIBUTORE DI WORD CLOCK

I nuovi dispositivi dedicati alla generazione del Word Clock incorporano tutti due funzioni: la generazione del Word Clock, la cui tecnologia necessaria è totalmente a carico del produttore, e la distribuzione dello stesso sia attraverso le connessioni che portano solo il segnale di Word Clock sia attraverso le porte audio digitali dove il clock viene trasportato insieme al segnale audio digitale. Mentre sulla generazione ogni produttore ha la sua ricetta, fermo restando che la sintesi (DDS) del Word Clock appare la soluzione migliore sotto molti punti di vista, sulla distribuzione si possono trovare diverse varianti. Si va dal semplice generatore con una sola uscita BNC per Word Clock, a sistemi più complessi, come il Big Ben che permette di trasmettere il clock anche alle porte digitali. Qui ci soffermiamo unn attimo per analizzare una funzione del Big Ben che può passare inosservata ma è fondamentale. Big ben permette infatti di ricevere le informazioni di sync da qualsiasi porta digitale (AES/EBU, S/PDIF e ADAT e ritrasmette il clock generato però dal suo circuito di clock interno, eliminando di fatto qualsiasi problema di jitter che possa esserci sulla sorgente dì clock.

Inoltre, Big Ben funziona anche da convertitore di formati, per cui è possibile collegare, per esempio, un CD Player con S/PDIF Out e uscire in AES/EBU con il segnale digitale e il clock del Big Ben, non con l’audio originale del CD Player. Il tutto in tempo reale, naturalmente. In altri casi potrebbe far comodo utilizzare una porta digitale per sincronizzare due dispositivi. Supponiamo di avere due interfacce audio che comunicano tra loro via ADAT I/O. Con Big Ben è possibile usare le porte S/PDIF e AES per la trasmissione del clock alle due interfacce audio, lasciando liberi di usare le porte ADAT ma garantendosi il miglior segnale di clock possibile.

LA TERMINAZIONE NELLE CONNESSIONI BNC

Nel caso del Word Clock il segnale è una fornma d’onda quadra a 5 Volt le cui armoniche possono superare i 500 kHz. È quindi necessario per evitare perdite di segnale, riflessioni tra un apparecchio e l’altro, e distorsioni, che il cavo BNC abbia una impedenza precisa (75 Ohm) e la fine della catena di clock sia correttamente terminata. Se il voltaggio in uscita dal generatore è troppo basso è possibile che l’apparecchio Slave perda la sincronizzazione. Non è raro che ci siano uscite Word Clock a 3 Volt che costringono a ridurre la lunghezza del cavo e a terminare in modo non standard per evitare ulteriori perdite di sognale. La terminazione è un altro potenziale problema. Man mano che si incrementa la frequenza di Word Clock e sempre più importante che la terminazione sia corretta. Un’impedenza di carico sulla distribuzione del clock inferiore a 75 Ohm attenuerà il livello del segnale, mentre un carico troppo alto introdurrà distorsioni e overshoot sulla forma d’onda. Sempre più spesso, però, i dispositivi recenti sono in grado di terminare automaticamente la catena, oppure, offrono uno switch per attivare la terminazione. Anche in questo caso ogni prodotto gestisce la terminazione in modo differente. Se prendiamo il Big Ben sulle uscite BNC 5 e 6 è possibile intervenire con jumper interni per modificare a piacere la terminazione, quando il dispositivo collegato abbia una impedenza non corretta (come, per esempio, il Tascam DA-88).

LE REGOLE D’ORO PER IL SVNC

Assicurarsi che tutti i convertitori A/D e D/A siano sincronizzati alla migliore sorgente di clock possibile. Ogni dispositivo dovrebbe essere sincronizzato direttamente al Master Clock con il cavo più corto possibile in configurazione a stella, quindi senza catene (no daisy-chain). Ogni linea di Word Clock dovrebbe essere terminata con un carico di 75 Ohm. A un’unica uscita BNC di Word Clock è accettabile che vengano collegati due o più dispositivi con connettori a T. Non utilizzare il Word Clock prelevandolo da un Word Clock Out di un dispositivo che riceve al Word Clock In, per sincronizzare un altro dispositivo.

COSA ASPETTARSI DA UN CLOCK PERFETTO

Dopo tutto questo parlare rimane una sola doman­da; quanto può migliorare la qualità audio di una scheda che impieghi un generatore di clock interno di altissima qualità, oppure, che sia sincronizzato a un clock esterno sempre di elevata qualità? La risposta, per chi ha orecchie per distinguere il suono e le sue componenti, è semplice: maggiore dinamica, correttezza dell’immagine e della tridimensionalità, scomparsa dell’asprezza, bassi precisi e non impa­stati nell’attacco e nel decadimento, equilibrio di tutti i componenti nella gamma media, pulizia globale e, in definitiva, maggiore realtà e naturalezza del suono riprodotto. Non è immediato quantificare i miglio­ramenti che si ottengono, tuttavia sembra assodato che se si parla di interfacce semi-professionali ed entry-level, il miglioramento è pressoché costante ed eclatante. Su interfacce e convertitori professionali.

un clock perfetto migliora ulteriormente la loro qualità, tanto che sono noti i casi di successo ottenuti
con un Apogee Big Ben come generatore di clock per interfacce digidesign e apogee. Il suono cambia in meglio. Usando un Word Clock di qualità si arriva a spremere al massimo l’interfaccia, toccando quella qualità cho è propria di sistemi che costano almeno cinque volte tanto. Di riflesso, utilizzare un Big Ben, per fare un esempio, su un Prism Sound ADA8-XR è del tutto inutile perché le differenze sono talmente mìnime (più spesso dovute alla suggestione), da non giustificare l’investimento, tanto che ci si perde a capire cosa suona meglio. Per inciso TADA-8XR ha un generatore di clock non basato su DDS! A questi livelli ci si aspetta che il clock sia stato disegnato al meglio e così accade. L’ascesa dei distributori e di generatori di Word Clock è imminente: permettono di rivitalizzare immediatamente il suono di uno studio e sono una sicurezza quando si usano diversi dispositivi digitali dove si prevede di mantenere nel dominio digitale la trasmissione del suono.

Attualmente, appare chiaro che la migliore implementazione del clock in termini di rapporto qualità prezzo sia il DDS, cioè la generazione sintetica dello stesso su una sorgente di riferimento, riservato ancora a pochi modelli di interfaccia audio. E prevedìbile che in futuro il clock DDS sarà impiegato su interfacce presumer, tuttavia a tutt’oggi non c’è miglior soluzione che acquistare un generatore di Word Clock di altissima qualità per eliminare o ridurre al minimo quel diavolo del jitter e far suonare come si deve la propria interfaccia o un effetto digitale dotato della possibilità di sincronizzare il suo clock a sorgenti esterne. L’audio digitale sta perdendo i suoi connotati negativi, grazie all’uso di generatori di clock esterni. Un bel passo avanti!

2 thoughts on “Generatori e distributori di Word Clock, teoria e pratica

  1. Ho dovuto aggiornare la pagina tre volte per riuscire a leggere l’articolo. Però è valso la pena aspettare, ho trovato le informazioni che cercavo.

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