Lampy vs. algoritmy #2: Technika

Nejprve klasika

Začněme tedy klasickým zesilovačem. Jak jsme si řekli v minulém díle, elektronkové zesilovače se stále těší velké oblibě, byť část trhu jim ukrajují tranzistoroví konkurenti. Pro naše porovnání tedy zvolme spíše klasickou konstrukci elektronkového zesilovače, což je právě ten evergreen, který se digitální modeling snaží nejvíce napodobit. Takový „normální lampáč“ se skládá z několika základních bloků: předzesilovače, korekcí, koncového zesilovače a napájecího zdroje.

1. Předzesilovač

Funkcí předzesilovače je upravit signál z nástroje tak, aby bylo možné s ním dále pracovat. V první řadě jde o zesílení na dostatečnou úroveň. Zároveň ale předzesilovač může vytvářet zkreslení a jinou úpravu signálu. Při vstupu pro konektor kytarového kabelu (obvykle jack 6,3 mm) bývá vstupní obvod, který definuje mimo jiné vstupní impedanci. Některé „zesíky“ mají vstupy dva – ty se mohou lišit vstupní úrovní a vstupní impedancí. V předzesilovači signál prochází různým počtem zesilovacích stupňů, které zesílí signál tak, aby byl svou úrovní připravený vstoupit do koncového zesilovače.

Zesilovací stupně v předzesilovači jsou odděleny kondenzátory. Předzesilovač se tedy v podstatě skládá z elektronkových zesilovacích stupňů a kondenzátorů, které oddělují stejnosměrnou složku a jejichž hodnota má vliv ne přenos nejnižších kmitočtů. Obvykle za první elektronkou najdeme zařízení zvané „gain“. Správně by se to mělo přeložit asi jako „regulátor zisku“, ale tak tomu nikdy žádný kytarista neřekl. Prostě se tím „přidává šťáva“.

Elektronkové stupně jsou zapojeny takovým způsobem, aby to ovlivňovalo nastavení jejich pracovního bodu. To znamená, že některé jsou nastaveny tak, aby fungovaly v lineární části, některé naopak tak, aby například způsobily oříznutí signálu, a to „měkkým“, nebo „tvrdým“ způsobem. Takto jsou elektronky seřazeny za sebe do kaskády a vyladěny pro požadovaný účinek.

Než pokročíme ke korekcím, měli bychom pomyslně udělat dlaněmi „téčko“ a říct si něco o principu fungování elektronky obecně. Co to vlastně ta elektronka (nebo-li „lampa“, anglicky „tube“ nebo „valve“) je? Je to skleněná, vzdáleně žárovce podobná vakuová nebo plynem plněná součástka, která se používá k zesilování, generování nebo řízení elektrických signálů. Základní princip jejího fungování spočívá v řízení toku elektronů mezi elektrodami pomocí elektrického pole.

Katoda vysílá elektrony díky termoemisnímu jevu, kdy zahřátý materiál uvolňuje elektrony. Anoda pak zachytává elektrony emitované katodou. Tok elektronů mezi katodou a anodou vytváří elektrický proud. Mřížky ve víceelektrodových elektronkách řídí tok elektronů mezi katodou a anodou pomocí elektrického pole. A proč to vlastně zesiluje? Protože malá změna napětí na mřížce způsobí velkou změnu anodového proudu. Výstupní signál (odebíraný z anody) má pak větší amplitudu než vstupní signál.

2. Korekční blok

Korekce znamenají kmitočtovou úpravu signálu. To znamená v praxi ono oblíbené kroucení knoflíky, jehož účelem je dosáhnout takové kmitočtové charakteristiky, která je našemu uchu příjemná. Nejjednodušší korekce jsou jednopásmové, a to takové, kterým říkáme propust. Pomocí potenciometru odřízneme dolní nebo horní frekvence. Vícepásmové korekce jsou složitější a dávají možnost přesnějšího nastavení zvuku. V průběhu let jednotliví významní výrobci vyvinuli typy korekčních bloků, které jsou pro danou značku (či její napodobitele) typické. Proto se mezi kytarovými nerdy mluví o korekcích třeba typu Marshall, Fender, nebo Vox.

3. Koncový zesilovač

Koncový, tedy výkonový zesilovač je zařízení, které zesílený zvuk posílá do reproduktoru. Jeho výstupní výkon udává „sílu“ zesilovače a reproduktor tvoří zátěž.

Tady uděláme další „téčko“ a řekneme si něco o typech zesilovačů. Nejčastěji se v elektronkovém kytarovém světě potkáme se zesilovači třídy A, AB, u moderních tranzistorových zesilovačů také tříd G a D. Co to znamená? Zesilovač typu A má pracovní bod elektronky (případně tranzistoru) nastavený ve středu lineární části přenosové charakteristiky. Tranzistor nebo elektronka tedy zesiluje signál po celý cyklus (360°). Má nižší zkreslení, protože zesilovač pracuje v lineární oblasti po celou dobu, a má také nízkou účinnost (obvykle 10–30 %), protože soustava spotřebovává energii i bez vstupního signálu.

Typ AB funguje tak, že dvě výstupní zařízení (elektronky nebo tranzistory) zesilují střídavé poloviny vstupního signálu s částečným překrytím. Tedy každé zesiluje o něco více než polovinu (180°) vstupního signálu, obvykle kolem 200–210°. Díky tomuto malému překrytí obě zařízení zesilují současně ve velmi malé části sinusového cyklu, což minimalizuje zkreslení při přechodu mezi kladnou a zápornou částí signálu (takzvané přechodové zkreslení). Účinnost je výrazně lepší než u typu A, kde se zařízení stále zahřívá kvůli trvalému klidovému proudu. AB obvykle dosahuje 50–60 %.

Tranzistorové zesilovače tříd G a D výrazně zlepšují účinnost zesilovačů, která je jinak poměrně nízká, až k 80%.

V koncových zesilovačích často najdeme takzvanou zápornou zpětnou vazbu. Je vedena z vinutí výstupního transformátoru na katodu fázového invertoru (obvod, který dělí signál na dvě části, přičemž jednu fázově obrátí). Zpětná vazba má vliv na zesílení zesilovače, jeho zkreslení a také na jeho kmitočtovou charakteristiku. Záporná zpětná vazba také zmenšuje zesílení. Kmitočtově závislá zpětná vazba s možností regulace její intenzity „knoflíkem“ je ten známý „Presence“.

4. Napájecí zdroj

U elektronkových zesilovačů je síťový transformátor opravdová věda. Aby elektronky fungovaly, jak mají, je potřeba mnohem vyšší napětí než pro tranzistory. A kromě toho je potřeba elektronky žhavit. Transformátor v elektronkových zesilovačích má sekundární vinutí, s jejichž pomocí se napájí žhavení. Napětí z transformátoru se usměrňuje diodami a následným filtrem.

Konstrukce elektronkových zesilovačů má obecně svoje specifika. Transformátory jsou celkem rozměrné a těžké. Proto bývají zesilovače v pevných kovových šasi. Zařízení se také silně zahřívá, takže musí být zajištěno dostatečné chlazení a používají se materiály, které snesou zvýšenou teplotu.  Není se co divit, že takové „kytaristovo potěšení“ pak váží někdy i pěkných pár kilo. Pokud se k tomu přidá třeba ještě bedna se čtyřmi dvanáctkovými reproduktory a strmé schody na podium, je rázem zaděláno na posunutou plotýnku.

Předmětem diskusí – často na úrovni „metafyziky“ – jsou zázračné zvukové vlastnosti elektronkových zesilovačů. Pokud pomineme vysvětlení, že jde o voodoo nebo alchymii, dopracujeme se k faktu, že se u lampových zesilovačů objevuje vyšší podíl harmonických složek a dále že zvuk má vyšší dynamiku. To se pak v praxi projevuje tím, že se jeví hlasitějšími.

Elektronkové zesilovače mají za určitých okolností při přebuzení harmonické složky rozloženy v nižší části kmitočtového spektra a může převažovat druhá harmonická. Například tranzistory mají při přebuzení harmonické složky rozloženy v celé části spektra, kde jsou silně zastoupeny i liché harmonické, které lidskému uchu nejsou nijak příjemné. Samozřejmě, že výrobci solid state aparátů jsou si toho vědomi a mají způsoby, jak tento „handicap“ napravit, aby se přiblížili příjemnému zvuku elektronek.

Tolik ke klasice.

A teď imitátoři

A co jsou vlastně zač ti „napodobovači“? Technologie digitální simulace kytarových zesilovačů – tedy amp modeling – se snaží napodobit co nejvěrněji zvuk a odezvu analogových kytarových zesilovačů, efektů a reproduktorů. Z čeho se skládá? Ze vstupního obvodu, ADC převodníku, procesoru (DSP), DAC převodníku, výstupního obvodu a napájení. Kromě toho je třeba k funkci tohoto přístroje řídící software a pro jeho ovládání musí existovat nějaké uživatelské rozhraní.

1. Vstupní obvod

Vstupní obvod přijímá analogový signál z kytary, předzesilovačem přizpůsobuje jeho úroveň pro vstup do ADC (Analog-to-Digital Converter), tedy česky „převodníku“. Impedanční přizpůsobení pak zajišťuje správný přenos signálu, zejména z pasivních snímačů, a filtrace potlačuje nežádoucí brum.

2. Analogově-digitální převodník (ADC)

ADC převádí analogový signál na digitální data (čísla), která mohou být následně zpracována procesorem. Důležitá je tu vzorkovací frekvence a rozlišení. Obojí má přímý vliv na kvalitu výsledku.

3. Digitální signální procesor (DSP)

Jde o jádro simulátoru, kde probíhá zpracování signálu. Co se v něm děje? Tak například napodobení lampových obvodů (modelování harmonického zkreslení, dynamické odezvy, interakce mezi stupni), simulaci reproduktorů a mikrofonů, impulsní odezvy (IR), reproduktorových boxů nebo pozic, kde se nachází mikrofon. Dále pak napodobování analogových efektů.

4. Digitálně-analogový převodník (DAC)

DAC převodník převádí digitálně zpracovaný signál zpět na analogový signál pro výstup.

5. Výstupní obvody

Na konci signálního řetězce je třeba správné přizpůsobit výstupní signál pro připojení k zesilovači, mixážnímu pultu, sluchátkům a podobně.

6. Napájecí obvod

Samozřejmě musí existovat stabilní napájení všech částí zařízení.

Hra s čísly

A jak vlastně probíhá to „napodobování“? Prostřednictvím algoritmů, které „číselně vyjadřují svůj reálný vzor". Algoritmy mají různá určení. Tak například:

1. Fyzikální modelování (Physical Modeling)

Fyzikální modelování je jednou z nejpřesnějších metod pro simulaci chování skutečných komponentů zesilovače. Tento algoritmus vytváří matematické modely jednotlivých prvků, jako jsou elektronky, transformátory, rezistory, kondenzátory i zkreslení signálu. Každý komponent má specifické nelineární chování a algoritmus fyzikálního modelování zahrnuje tyto nelineární reakce na vstupní signál. To zajišťuje věrohodnou odezvu při různých hlasitostech nebo dynamice hry, která je klíčová pro realistický zvuk.

2. Wavetable Synthesis

Přiznám se, že si nejsem jistý českým překladem a nevím, jestli se pro tento výraz už nějaký zavedený český pojem vžil. Každopádně by se to česky dalo nazvat „syntéza dle vlnových tabulek“. Tento typ algoritmu ukládá vzorky zvukových vln, které byly zaznamenány přímo z reálných zesilovačů. Vzorky jsou přehrávány a kombinovány na základě parametrů, jako je intenzita hry nebo dynamika. I když se jedná o méně přesný přístup ve srovnání s fyzikálním modelováním, wavetable synthesis je efektivní a méně náročná na výpočetní výkon.

3. Impulsní odezva (Impulse Responses, IR)

Impulsní odpovědi jsou záznamy akustické odezvy konkrétního reproduktoru nebo boxu na určitý zvukový impuls. Zaznamenané IR obsahují detaily zvuku reproduktoru, kabinetu i mikrofonu, a to včetně prostorových efektů a rezonancí. Dnes se jedná o velmi módní záležitost. IR jsou používány pro simulaci kabinetů, protože umožňují realistickou reprodukci charakteru různých reproduktorů, což výrazně přispívá k autenticitě zvuku.

4. Wave-shaping a nelineární zkreslení

Zase další překladatelský oříšek. Česky asi tvarování vlnového průběhu. K napodobení zkreslení, které zesilovače produkují při vyšší hlasitosti nebo na různých úrovních signálu, se používají algoritmy nelineárního zkreslení. Wave-shaping je metoda, která přetváří vstupní signál tak, aby napodobovala, jak skutečné lampy nebo tranzistory zkreslují zvuk.

5. Dynamické filtry a ekvalizace (Dynamic Filtering and EQ)

Pro napodobení tónových obvodů a tónových filtrů skutečných zesilovačů se používají dynamické filtry a ekvalizace. Každý zesilovač má unikátní odezvu na různé frekvence, a tyto algoritmy umožňují přesné modelování tónových charakteristik. Dynamické filtry mění svůj účinek v závislosti na vstupním signálu, což umožňuje přirozené změny zvuku, jako je reakce na dynamiku hry nebo na interakci mezi kytarou a zesilovačem.

6. Neurální sítě a strojové učení (Machine Learning / Neural Networks)

Šlágrem posledních let jsou takzvané „neurální sítě“, které analyzují a učí se zvukovým charakteristikám zesilovačů a efektů. Neurální sítě, jako například v případě Neural DSP Quad Cortex, trénují své modely na velkém množství záznamů skutečných zesilovačů a následně dokážou generovat podobný zvuk. Strojové učení přináší možnost věrnějšího modelování komplexních nelinearit a variací zvuku.

7. Lineární a nelineární fázové zpoždění

Tento algoritmus simuluje časové rozdíly a fáze mezi různými frekvencemi, což je důležité pro přirozený prostorový zvuk. Zesilovače mají své specifické chování v časovém spektru, které vytváří barevnost a hloubku zvuku. Algoritmy fázového zpoždění toto chování dokážou napodobit.

Digitální zpracování signálů v reálném čase představuje proces, ve kterém probíhá záznam, zpracování zaznamenaného signálu a jeho přehrávání „současně“. Ve skutečnosti úplně současně probíhat nemohou, takže mezi záznamem a přehráváním existuje vždy určité zpoždění. Říká se mu odborně dopravní zpoždění, ale vžil se pro něj pojem latence.

Její velikost je závislá především na použitém typu algoritmu a vlastnostech cílového systému, na němž zpracování probíhá. V začátcích digitalizace to byl jeden z klíčových problémů, které bylo třeba vyřešit. Levné modelery totiž měly latenci, kterou bylo možné vnímat, a to pak hraní není velká zábava. Dnešní špičková zařízení už se s tímto neduhem vypořádala tak, že při hře nepozorujete vůbec nic.

Takže co z toho vyplývá pro člověka, kterému jsou nějaké katody stejně jako převodníky ukradené a chce prostě jen, aby to hezky hrálo? Co si má koupit? Na to neexistuje jednoznačná odpověď, protože to záleží na mnoha okolnostech. A ty si popíšeme v příštím, posledním dílu našeho seriálu.