DC Offset, il “Male Nascosto”

Avete acquistato l’ultimo modello di pre-amplificatore hi-end, insieme al prestigioso microfono a condensatore. Avete aggiornato tutte le licenze dei software e plugin alle ultime versioni. Avete curato minuziosamente tutti i cablaggi dello studio e tarato al meglio il sistema di ascolto. Ora siete certi che le vostre produzioni saranno di qualità elevatissima…ma ne siete sicuri?  Soprattutto nei sistemi ITB (in the box) ci sono parametri che possono influenzare in modo rilevante la risposta in frequenza, il range dinamico e la qualità del suono…
a cura di Marco Massimi

Questi parametri sono spesso trascurati o addirittura sconosciuti ai più. Sapevate, per esempio, che con DC offset a 0,86% il range dinamico non può superare 56dB? Esatto. Con questo valore di DC offset, qualsiasi sia il software e l’hardware utilizzato…il vostro prodotto non potrà suonare meglio di un registratore a cassette degli anni 70…

 

Ma cos’è il DC offset?

Come si misura? Come si può evitare o eliminare? Partiamo dall’inizio, dal componente comune a tutti i circuiti audio: l’alimentatore. I segnali audio analogici sono bipolari (oscillano tra un valore positivo e uno negativo), sono elettrici e sono rappresentabili tramite voltaggi.

Nei segnali bipolari i voltaggi sono in genere riferiti a 0V e assumono di volta in volta valori positivi o negativi rispetto a 0V.

 

Segnale bipolare rispetto a 0V

Fig. 01: Segnale bipolare rispetto a 0V

Nei dispositivi audio un ruolo fondamentale è svolto dal circuito di alimentazione. Deve fornire uno zero di riferimento preciso, oltre al voltaggio per alimentare i componenti elettronici. I circuiti di alimentazione delle apparecchiature audio sono duali, cioè forniscono tensioni positive e negative rispetto allo 0, per poter operare sulla semionda positiva, e su quella negativa di un segnale.

 

Schema di un semplice alimentatore duale

Fig. 02: Schema di un semplice alimentatore duale

Sia in campo elettrico che digitale, la rappresentazione di un segnale bipolare richiede l’assoluta coerenza tra lo zero, il punto di energia nulla dell’onda, e lo zero elettrico o numerico del sistema di elaborazione. Se questi valori non coincidono si verifica uno spostamento dell’onda in alto o in basso rispetto allo zero di riferimento.

Questo fenomeno è definito DC offset.

 

Segnale con DC offset positivo

Fig. 03: Segnale con DC offset positivo

E allora? A me cosa importa?

La presenza di DC offset:

  • Riduce il range dinamico
  • Distorce i segnali in prossimità dello zero, specialmente le basse frequenze
  • Produce affaticamento di ascolto
  • Genera risultati poco precisi nel calcolo digitale effettuato dai plugin
  • A volte può attivare i circuiti di protezione dei dispositivi audio, specialmente quelli degli amplificatori.

Con molti software è possibile rilevare la presenza di DC offset. Per esempio nelle statistiche audio in Cubase. La finestra di analisi mostra la quantità di DC offset in percentuale e il suo livello in dB, in pratica l’ampiezza del segnale più debole registrabile.

Valori DC offset

Fig. 04: Valori DC offset

 

La presenza di DC offset può creare problemi di natura acustica, psicoacustica o elettronica.

Le cause di DC offset possono essere varie:

  • Circuiti di alimentazione non perfettamente simmetrici. La tensione di riferimento di 0V non è realmente valore 0; i voltaggi positivi e negativi non hanno la stessa differenza di potenziale.
  • Convertitori A/D a bassa risoluzione in bit. Il circuito di misurazione dei valori in ingresso non effettua una rilevazione perfettamente simmetrica tra la semionda positiva e quella negativa.
  • Algoritmi poco accurati nei plugin. I calcoli all’interno dei plugin usano una programmazione poco efficiente e precisa.

 

Aaargh! Ho sempre avuto questo mostro in casa e non lo sapevo! E ora che faccio?

Eliminazione tramite tensione inversa

Con l’analisi statistica di Cubase è possibile misurare la quantità di DC offset presente nel segnale. Il risultato dell’analisi rappresenta il livello medio di DC offset in tutto il brano. Spesso si dà per scontato che dall’inizio alla fine, il livello di DC offset sia costante. In questo caso si può eliminare DC offset generando una tensione inversa a quella DC presente. Se per esempio nel brano si misura DC offset positivo del 1%, equivalente a +0.007V, si può sommare al segnale una tensione di -0,007V portando a 0 il livello della tensione positiva presente.

In Cubase, questo tipo di intervento si effettua sui valori numerici tramite la funzione Rimuovi DC offset.

 

Rimozione di DC offset tramite tensione inversa in Cubase

Fig. 05: Rimozione di DC offset tramite tensione inversa in Cubase

 

Questa è l’analisi di un segnale “ideale” senza DC offset.

DC offset assente

Fig. 06: DC offset assente

 

Il valore è 0,00%. Nel file non è presente DC offset e lo zero dell’onda coincide perfettamente con lo zero digitale. Il simbolo -∞ (meno infinito) indica il livello di DC offset, infinitamente basso. Non influenza il range dinamico del segnale.

Anche se il valore di DC offset 0 è la condizione ideale, non sempre è possibile ottenere un livello così basso di deviazione dallo zero. Un valore di DC offset accettabile deve essere comunque proporzionale al range dinamico del supporto audio. Nel caso del CD audio 96dB.

Qui vediamo una misurazione di Wavelab sullo stesso segnale. La risoluzione maggiore del software, concepito espressamente per il mastering, indica che, in effetti, Il canale sinistro contiene 0,0016% di DC offset. Tale valore indica un range dinamico massimo del segnale di 95.99dB, adatto al supporto CD audio. In questo caso un valore dopo il secondo zero delle cifre decimali è accettabile.

DC offset 0,0016 %

Fig. 07: DC offset 0,0016 % misura in Wavelab

 

Ma allora mi serve per forza Wavelab?

Non necessariamente. Se non dovete fare analisi statistiche accurate, mastering per piattaforme a dinamica elevata o broadcast e report di qualità sui segnali, si può continuare a usare Cubase. In fondo vi interessa eliminare il DC offset, non analizzarlo a fondo.

Ora guardate questa l’immagine. Il DC offset è 0,86%

DC offset 0,86%

Fig. 08: DC offset 0,86%

Con questo valore, il range dinamico finale del brano non può superare 56dB, indipendentemente dalla qualità dell’hardware utilizzato durante il tracking e il mixing. A questo punto è necessario intervenire e utilizzare la funzione di rimozione DC offset di Cubase.

 

Ok! Ho capito! Ora so come si elimina il DC offset!

No, la vita non è sempre così semplice. Spesso le cose sono più complesse di quanto sembra.

Il livello di DC offset può essere incostante all’interno di un segnale. In un progetto può essere presente DC offset in ampiezza differente, nelle tracce. Se si usa l’automazione di volume, il livello di DC offset diventa variabile. Con l’analisi off-line si misura solo il livello medio di DC offset.

Se si applica una tensione inversa in base al valore medio, si corregge di DC offset solo in alcuni punti. Oltretutto ne viene generato dell’altro, di segno opposto, nei punti dove questo non è presente. Anche se il livello medio di DC offset risulta nullo, all’interno del file ci sono zone dove invece è ancora presente. Nella figura, il file originale a sinistra, quello corretto a destra. Invece di eliminare completamente DC offset ne è stato prodotto dell’altro, di segno opposto.

Fig. 09: Errore di eliminazione di DC offset tramite tensione inversa

 

Guardate questa immagine. È un file che ho generato appositamente. Probabilmente non vi capiterà mai una “disgrazia” del genere, ma serve a capire bene il concetto. DC offset 50%

DC offset positivo 50%

Fig. 10: DC offset positivo 50%

Notate lo spostamento di tutto il segnale in alto rispetto allo zero digitale. Osservate i valori dell’analisi. Il livello più basso del segnale non può scendere sotto -6dB. Tutto il resto è tensione continua.

DC offset 50% e range dinamico

Fig. 11: DC offset 50% e range dinamico mostrato in Cubase (***)

Un livello così elevato di DC offset è molto pericoloso per gli altoparlanti!

Oltre a sottoporre gli altoparlanti a un notevole livello di stress, un valore di DC offset elevato rende tutti i calcoli dei plugin imprecisi, generando segnale di bassa qualità.

Su questo file, utilizziamo una delle migliori funzioni di Wavelab: l’analisi 3D FFT offline. Osservate la parte relativa alle basse frequenze. Notate la presenza di un muro rosso.  È appunto la tensione continua, DC, presente nel segnale.

Analisi FFT di DC offset

Fig. 12: Analisi FFT di DC offset

Ora usiamo la correzione tramite tensione inversa, con la funzione di Cubase.

Osservate ora la forma d’onda.

Onda corretta

Fig. 13: Onda corretta

 

Nel segnale era presente DC offset costante. Della stessa ampiezza per tutta la durata del brano. La generazione di valori inversi ha permesso la rimozione del difetto. Ora lo zero dell’onda coincide con lo zero digitale e la figura è tornata al centro dell’immagine.

I valori dell’analisi globale indicano la rimozione di DC offset e il ripristino del range dinamico, 

Valori corretti di DC offset

Fig. 14: Valori corretti di DC offset

 

Ecco un altro segnale particolare, generato per l’occasione.

Osservate la forma dell’onda. Stavolta l’errore di DC offset non è costante e si sposta progressivamente dal valore negativo a quello positivo.

DC offset incostante

Fig. 15: DC offset incostante

L’analisi off-line indicherà però assenza di DC offset….

Valori corretti...ma sbagliati di DC offset

Fig. 16: Valori corretti…ma sbagliati di DC offset

Ehi Cubase… Hai problemi di vista? Non vedi che la forma è tutta storta?

Anche se la presenza di DC offset è evidente dal punto di vista grafico, i valori dell’analisi mostrano un segnale ideale, senza DC offset. Questo accade perché, a livello medio, il DC offset negativo della prima parte del brano compensa quello positivo della parte restante. È chiaro che in questo caso non è sufficiente generare una tensione inversa per eliminare completamente il DC offset

Osservate l’analisi 3D. La tensione continua è presente, ma con un livello che aumenta e diminuisce progressivamente. Questo è il motivo per cui l’analisi globale non individua DC offset. I valori negativi compensano quelli positivi e, nella media, il livello di tensione continua è 0.

DC offset variabile

Fig. 17: DC offset variabile

 

Osservate quest’altra immagine. Lo spostamento dallo zero non è costante, ma variabile con andamento sinusoidale.

DC offset variabile 2

Fig. 18: DC offset variabile 2

Anche questo segnale, come il precedente, rappresenta un esempio esasperato di un problema che però si verifica realmente durante la fase di mix.  Quando è presente DC offset in una delle tracce del mix, le variazioni di livello effettuate durante le automazioni di volume generano nel mix finale DC offset di livello e fase variabile. In questo caso l’eliminazione per generazione inversa è inefficace. Cubase analizza la presenza di DC offset su tutto il brano calcolando il valore medio. Anche in questo caso il valore medio è nullo poiché ogni variazione positiva è compensata da quella rispettiva negativa, come si vede in figura.

Osservate l’analisi FFT 3D. Anche questa volta il muro rosso ha un livello variabile.

Analisi FFT 3D di DC offset variabile

Fig. 19: Analisi FFT 3D di DC offset variabile

 

Eliminazione tramite filtraggio

Per eliminare DC offset di livello incostante non è possibile utilizzare un processamento dinamico (del livello del segnale). Si deve pensare a una soluzione per filtrare la componente di tensione continua. Da un punto di vista spettrale la tensione continua ha un valore in frequenza uguale a 0Hz. Il suo livello in volt è costante e non oscilla tra valori positivi e negativi. Lo spettro effettivamente utilizzato in campo audio si estende tra 20 e 20.000Hz. Quindi si può inserire un filtro passa alto con frequenza inferiore a 20Hz (anche 1 Hz) ed eliminare totalmente la presenza di DC offset, indipendentemente dal livello.

Proviamo a utilizzare un processamento spettrale. Nell’equalizzatore parametrico di Cubase, inserite un filtro passa alto, LC nella sezione PRE con frequenza di taglio a 20Hz.

Filtro per eliminazione DC offset

Fig. 20: Filtro per eliminazione DC offset

Osservate l’immagine della forma d’onda risultante. Ora non c’è traccia di DC offset.

Fig. 21: DC offset assente

Anche I dati dell’analisi globale mostrano valori ideali. L’uso del filtro ha eliminato la presenza del DC offset.

DC offset Bye Bye!

In conclusione si può affermare che, anche se la generazione inversa può eliminare DC offset, ciò accade soltanto se la tensione continua è costante su tutto il file. In presenza di DC offset variabile, l’unico rimedio efficace è il processamento spettrale tramite filtro passa alto.

Analizzate dei brani della vostra discografia personale e misurate il livello di DC offset. Correggete il segnale sperimentando entrambi i metodi descritti finora e ascoltate le differenze. In assenza di DC offset il range dinamico del brano può essere restituito nella sua integrità. Notate la maggior definizione delle basse frequenze ai bassi livelli. Ovviamente sono sottili differenze, ma fanno parte di una serie di particolari che, nel loro insieme, contribuiscono alla creazione di un prodotto di qualità.

Buon DC Offset a tutti! 

Marco Massimi

 

(***)

Fig 11 in Wavelab

Nota dell’autore: come alcuni di voi avranno notato, l’immagine inserita nella Fig. 11 non mostra i numeri dichiarati nella didascalia.

Il motivo è che, diversamente da tutti gli altri software, Cubase e Nuendo calcolano la percentuale di DC offset relativa al picco più alto del segnale e non in base a 0dBFS. Qui a destra potete osservare lo stesso documento della Fig 11 analizzato da Wavelab.

Il calcolo che viene fatto in Nuendo e Cubase è questo:
[(Campione più alto + campione più basso) / 2] / [(campione più alto – campione più basso) / 2] x100

Questo quello di Wavelab e altri:
[(0 dBFS + campione più basso) / 2] / [(0 dBFS – campione più basso) / 2]  x 100

In fase di mastering non è utile sapere il rapporto tra picco e DC offset, poiché questo valore cambia in base al picco più alto del brano. Wavelab, giustamente, calcola invece il rapporto tra 0dBFS, un valore oggettivo e costante, e il DC offset, parametro utile per sapere il valore assoluto del DC offset indipendentemente dal livello di picco. E’ strano che solo Nuendo e Cubase usino questo sistema di misurazione e ancor più strano che all’interno della stessa software house si usino sistemi differenti.
Ringrazio il collega docente di elettroacustica Diego Capoccitti per avermi supportato nelle mie elucubrazioni serali da nerd per giunger a questa conclusione.

 

MARCO MASSIMI
Docente di elettroacustica presso il Conservatorio Licinio Refice di Frosinone, docente di post-produzione e mastering audio presso l’Università di Tor Vergata di Roma. Come Mastering Engineer ha lavorato per Ennio Morricone, Céline Dion, e altri. Ha studiato Sound Design For Electronic Music al Berklee College of music, Boston USA. I suoi lavori come Sound Engineer e Mastering Engineer, sono stati pubblicati da Sony, Venus, BMG, RAI trade. Come bassista e contrabbassista ha suonato con Ennio Morricone, Solomon Burke, Michele Piovani, Alicia Keys, Patty Austin, Michael Bolton, Gabrielle, Quincy Jones.

È l’autore del libro
“MITB Mastering  in  the  boxConcetti e applicazioni per la realizzazione del mastering audio con esercizi per Wavelab Pro” pubblicato da ContempoNet e giunto alla 2a edizione

A breve sarà pubblicata una versione da utilizzare con Reaper

Per informazioni e demo del libro in PDF:
https://www.contemponet.com/shop/mitb-mastering-in-the-box/ 

Marco Massimi è raggiungibile su MeWe:
https://mewe.com/i/marcomassimi