Метод измерения реального разрешения усилителя

[Костя Мусатов]

Предлагаю ввести единую практику по измерениям реального разрешения усилителя. Поскольку музыкальный сигнал многочастотный и сложный, то измерения IMD и THD часто мало говорят о том, что потом реально услышим. Существует достаточно понятный и повторяемый метод многочастотного сигнала. Частоты не должны образовывать кратные блоки, что бы не маскировались гармоники, по крайней мере нижние. Аналогично должно быть и с кросс частотами. Предлагаю ввести ряд из 10 частот от 20Гц до 20кГц:
20
43.1
92.8
200
431
928
2000
4909
9283
20000

Теперь о методике измерения. Делать разные уровни на разных частотах, в соответствии со статистикой может и хорошо, но весьма сложно. Потому предлагаю использовать равные уровни сигналов. Я использую такой метод последние 3 года и не нашел явного ухода результатов от практического прослушивания. Если вы используете симулятор, то вместо генератора поставьте такой объект:

.SUBCKT V10SIN 1 11
+ PARAMS: AMP=1
V1 1 2 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 20)
V2 2 3 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 43.1)
V3 3 4 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 92.8)
V4 4 5 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 200)
V5 5 6 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 431)
V6 6 7 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 928)
V7 7 8 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 2000)
V8 8 9 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 4909)
V9 9 10 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 9283)
V10 10 11 SINE(0 {AMP/3.16227766016} 20000)
.ENDS

Обратите внимание, что коэффициент амплитуды не 10, а корень из 10. В этом случае мы получаем мощность на выходе усилителя на комплексном сигнале эквивалентную, для случая моночастотного сигнала.

Если вы используете Спектралаб или Спектраплюс, то там уровень пиковый и коэффициент мощности окажется -10дБ, если сравнивать с моносинусоидальным сигналом.

Теперь как интерпретировать результат.
Примерный вид сигнала и его спектр есть на картинках.
В спектре проводим среднестатистическую линию по пикам внесигнальных составляющих. Положение ее на СЧ в районе 1кГц берем как базовый уровень помех, а по пикам сигналов берем уровень сигнала. Так определяем реальное разрешение усилителя. Отдельно можно говорить о разрешении на НЧ, СЧ и ВЧ.

В представленном примере разрешение составило 35 дБ. Между прочим уровень гармоник или интермод для сигнала той же энергии составляет уже около 65 дБ.

По моим наблюдениям такой метод очень неплохо кореллирует с результатами прослушивания.

Отдельное замечание. У усилителей с мягким клиппингом реальное разрешение на высоких мощностях оказывается часто даже лучше, чем у высоколинейных усилителей только из-за жесткого клиппинга и появления на нем большой шумовой подставки.

[Костя Мусатов]

Костя, OK. Записал файлы с выхода усилителя, потом посмотрел их с помощью RMAA. Так устроит? 0.25, 1, 4 и 16 ватт по той же методе.

Интересный и нестандартный результат. У тебя разрешение растет с увеличением мощности. Оно конечно имеет весьма хорошее значение 65-70 дБ, но получается, что при малых уровнях есть некая пороговая нелинейность, которая не желает пропадать. Отсутствие роста подставки на НЧ и ВЧ очень хорошо, т.е. не должно быть провалов в их передаче. Да и отсутствие подъема подставки снизу предполагает весьма натуральную передачу. Так что пока остается один вопрос с сохранением нелинейности на малых уровнях.

---------- Добавлено в 15:11 ---------- Предыдущее сообщение в 15:09 ----------

Измерил саму карту. И что это значит?
В этой проге можно каждую частоту подавать с разным уровнем...
Подключил усилок, с реальной нагрузкой - ШП

Андрей! Надо бы провести измерения на большем FFT, поскольку тут не разрешаются искажения в НЧ области. Но уже заметен рост искажений в НЧ области, что подразумевает возможные проблемы с натуральностью передачи.

[MAXIM_A]

Но уже заметен рост искажений в НЧ области, что подразумевает возможные проблемы с натуральностью передачи.

На 96 или 192кгц
Наверно надо мерить на резисторе, вместо динамика?
Костя, а у Вас какие графики получались?
Динамический диапазон ~70db

[anli]

Так что пока остается один вопрос с сохранением нелинейности на малых уровнях.

Могу напомнить про ab-dynamic две штуки.

Во-первых, спектр не зависит от частоты, и, начиная с какого-то уровня (типа 200-300mW) и выше - около -57db. На самом деле есть небольшое понижение спектра (если судить по 2-й гармонике) при увеличении мощности - кажется около 1.5db.

Второй момент - если помнишь, как раз на ab-dynamic я стал рисовать амплитудные характеристики (dVout/dVin). У этого усилителя там такая плавная ступенька со сдвигом от нуля.

Эти два факта как-то коррелируются с теми высокими (но редкими) "палками", о которых ты говоришь? Сама основная "подставка", как я понимаю, ведят себя "правильно"

Кстати, изменение у этих редких "палок" при, например, изменении мощности от 0.25W до 4W всего 3db. Такое поведение я вообще назвал бы "не изменяется", если учесть, что половина из 3db вызвана поведением Кг

---------- Добавлено в 15:39 ---------- Предыдущее сообщение в 15:31 ----------

На 96 или 192кгц

"Большой FFT" подразумевает большое окно, то, что на картинке называется "FFT 65536 pts". Можно увеличить раза в 4-16 (считать должно дольше, но разрешение на НЧ будет выше).

[Костя Мусатов]

На 96 или 192кгц
Наверно надо мерить на резисторе, вместо динамика?
Костя, а у Вас какие графики получались?
Динамический диапазон ~70db

Нам не важно поведение в зазвуковом диапазоне, можно и на 48кГц - будет лучше разрешение на НЧ.
У меня разные значения получались, у ламповых, гибридных, транзисторных. Этот метод позволяет оценить сверху, но не снизу. 65дБ - это много и хватит на самые сложные записи. Но усилитель с такими параметрами может разрешить, а может и нет. Но вот усилитель с подставкой на -40дБ уже гарантированно нюансы в БСО не разрешит. Так что это измерения класса "не лучше чем". А вот "не хуже чем" пока измерить не получается.

[MAXIM_A]

У меня разные значения получались, у ламповых, гибридных, транзисторных.

У меня сейчас имеется пять разных рабочих усилов. Надо прогнать и посмотреть какая будет разница.
Измерять на АС или эквиваленте?

[anli]

Измерять на АС или эквиваленте?

Выше в ветке об этом было. Чтобы измерения были "интернациональными", то есть сопоставимыми в разных условиях, у разных людей и т.п., удобнее оказывается сопротивление.

Но "для себя" и своей коллекции усей и АС можно, наверное, так, как хочется, то есть и на АС - тогда получится семейство измерений о том железе, что в руках, и что уже известно в смысле ушей и схемотехники.

[killhumax]

Костя Мусатов,Измерил свою Juli@ .. так пойдет ? Увеличил до 524288 при 44.1 Х 24.

[Костя Мусатов]

Увеличил до 524288 при 44.1 Х 24.

Так пойдет.
А что там за шумовой подъемчик в левом канале в районе 3кГц?

[killhumax]

Костя Мусатов,Сам не пойму . Иногда бывает иногда нет..попался вот и подловил.

Offтопик:
Сдается мне что это продукт работы бесперебойника АРС который находится рядом с компом.

[MAXIM_A]

Измерил свою Juli@ .. так пойдет ?

Зачем сверху и снизу оставляешь столько пустого? (-10дб-130дб- вполне достаточно.)

[Nikolay_Po]

Ребят, а каким ПО смотреть спектры и измерять искажения? Когда-то я экспериментировал с CoolEdit 2000, потом с Adobe Audition. Но уже несколько лет как завязал с пиратским ПО. Есть Audicity, есть RMAA бесплатной версии, есть LTSpice IV. Какой софт посоветуете? Легальный и бесплатный? Чем переводить спектр в цифры искажений? Или лучше "на глаз"?

[anli]

Я использовал RMAA - эта программа бесплатная, и она может анализировать файл. То есть прежде записал сигнал с выхода усилителя (через делитель, то бишь переменник), а потом скормил этот файл RMAA.

---------- Добавлено в 20:05 ---------- Предыдущее сообщение в 20:03 ----------

Есть Audicity

Audacity может рисовать спектр выделенного фрагмента, но точность вычислений там низкая, достаточная только для грубой прикидки.

---------- Добавлено в 20:05 ---------- Предыдущее сообщение в 20:05 ----------

Чем переводить спектр в цифры искажений?

Выше обсуждались конкретные рисунки. Из них видны и числа

[Nikolay_Po]

anli, спасибо.
Уточните, пожалуйста, какой файл "скармливали" RMAA? По-моему, она может анализировать только свой собственный образец. Подсунуть произвольный файл для анализа спектра мне не удалось.
Не нравится мне эта программа: в бесплатной версии ограничено и фиксировано количество точек БПФ. Не помню точно, какое значение, но мне для экспериментов не хватало. Я не разобрался, может, с окном БПФ или с длительностью анализа там проблемы - разрешение по амплитуде получается низким. С Adobe Audition раньше легко снимал АЧХ АС при помощи белого шума и "измерительного" микрофона. А с RMAA - просто ужасно ломанная линия. По моему опыту нужен анализ сигнала длительностью десятки секунд, а тесты RMAA очень короткие. В итоге невозможно использовать результаты - и по частоте, и по амплитуде разрешение недостаточное. Поменять набор частот для мультитона нельзя. Поменять длительность теста тоже. В обшем - урезанная демо-версия. Может для проверки усилителя и пойдёт, но в остальном - не инструмент...
Буду искать более точный анализатор спектра. Мультитон, вроде, должно получиться сделать в Audicity.

Как я понял методику Константина, для характеризации усилителя нужно снять зависимость искажений и от частоты, и от амплитуды. По частоте разумно взять точки в промежутках-полках между тонами.
А как с амплитудой? Для "цифры", по-моему, некорректно доводить ЦАП+усилитель до ограничений. У меня, например, фиксированным делителем максимальная громкость настроена так, чтобы при полном размахе синусоиды на выходе ЦАПа, усилитель не входил в ограничение. Получается, что в моей системе можно снять характеристики разрешения только до 1/3 мощности усилителя?

Величина разрешения на заданной частоте определяется как разница в дБ между уровнем пика ближайшего тона и уровнем полки шума+искажений на этой частоте?

Поправьте меня, пожалуйста, если не верно понял.

[anli]

По-моему, она может анализировать только свой собственный образец. Подсунуть произвольный файл для анализа спектра мне не удалось.

Я просто подсунул wav-файл.

ограничено и фиксировано количество точек БПФ

Максимального значения при частоте сэмплировании 44100Hz вполне достаточно - мои же графики это показывают.

По моему опыту нужен анализ сигнала длительностью десятки секунд, а тесты RMAA очень короткие.

Я скармливал файлы около 70 секунд. Тесты тут ни при чём. Это не тест. Там иконка справа внизу - с графиком (пиктограмма).

Мультитон, вроде, должно получиться сделать в Audicity.

Костя выкладывал тут в ветке файл.

Как я понял методику Константина, для характеризации усилителя нужно снять зависимость искажений и от частоты, и от амплитуды. По частоте разумно взять точки в промежутках-полках между тонами.
А как с амплитудой? Для "цифры", по-моему, некорректно доводить ЦАП+усилитель до ограничений. У меня, например, фиксированным делителем максимальная громкость настроена так, чтобы при полном размахе синусоиды на выходе ЦАПа, усилитель не входил в ограничение. Получается, что в моей системе можно снять характеристики разрешения только до 1/3 мощности усилителя?

Метода также обсуждалась в ветке.

Величина разрешения на заданной частоте определяется как разница в дБ между уровнем пика ближайшего тона и уровнем полки шума+искажений на этой частоте?

Да, типа того. Только не "ближайшего тона", а любого тона, так как они все одной амплитуды.

[MAXIM_A]

Ребят, а каким ПО смотреть спектры и измерять искажения?

А мне кажется, самый удобный - SpectraPlus!

[Nikolay_Po]

А мне кажется, самый удобный - SpectraPlus!

Ага, но отнюдь не бесплатный: http://www.telebyte.com/pioneer/PricingInfo.htm. Нужны бесплатные/легальные варианты.

2 anli: спаисбо ещё раз! Понял, что пока единственный вариант - RMAA - если он при 44100 "хавает" большие файлы - тогда действительно подходит.

[Nikolay_Po]

Попробовал RMAA в режиме только анализатора спектра - работает! До этого просто никогда не нажимал последнюю кнопочку с "АЧХ" в RMAA.

Создал в Audacity файл 192кГц 24бит (такой у меня ЦАП) длительностью 120 секунд без дизеринга. Уровень каждого тона - -10дБ, чтобы не было клиппинга в принципе. Проанализировал созданный файл в RMAA с окном Кайзера, с перекрытием 75%, размером БПФ 262144 и каким-то параметром "20". Вышла картинка с полкой между тонами ниже 180дБ, ближе к -200дБ на всех промежутках, в том числе и около 20Гц. Честно говоря, меня удивил такой низкий уровень полки - для 24бит-разрядности ожидал полку -148..-144дБ. Может, дело в выключенном дизеринге при создании файла? Ещё странный момент (проблема Audacity?) вершины тонов на АЧХ RMAA получились на уровне -24дБ, а пиковый уровень в файле по данным самой Audacity -1дБ.
Планирую использовать именно этот файл для анализа, так как у имеющегося ЦАП встроенный ASRC на 192кГц, и разрядность родная - 24 бит.

[anli]

Создал в Audacity файл 192кГц 24бит (такой у меня ЦАП)

Какая связь ЦАПа и файла? Выше также писалось, что не надо использовать сэмплирование выше 44.1KHz. У RMAA 262144 - максимальный размер окна, и при высокой частоте сэмплирования будет низкое разрешение на НЧ.

Уровень каждого тона - -10дБ, чтобы не было клиппинга в принципе.

Чтобы не было в принципе, надо -20db.

[Nikolay_Po]

Какая связь ЦАПа и файла? Выше также писалось, что не надо использовать сэмплирование выше 44.1KHz. У RMAA 262144 - максимальный размер окна, и при высокой частоте сэмплирования будет низкое разрешение на НЧ..

Какая связь ЦАПа? Например, имеющийся в моём распоряжении ЦАП принудительно рисэмплит любой входной сигнал от 32кГц до 200кГц на чатстоту 192кГц. Чтобы ASRC ЦАПа не вносил своих искажений, я предпочитаю подавать на ЦАП сигнал сразу 192кГц и, при использовании программных плееров на ПК, использую SoX рисэмплер (на мой взгляд образцовый по качеству). Чтобы при воспроизведении тестового тона не производить передискретизации, разумно сразу создать образцовый файл с параметрами ЦАПа - 192кГц 24 бит. Есть ли какие-либо доводы против моего подхода?
Как показал мой опыт, при размере БПФ 262144, разрешения на НЧ с окном Кайзера хватает. Полка уровня шума образцового файла между 20 и 43Гц находится на уровне ниже -180дБ. Буду дома после работы - прикреплю рисунок.

Чтобы не было в принципе, надо -20db.

Прошу прощения, ошибся в сообщении: уровень тонов задавал ровно -20. Микширование набора тонов производил в режиме 32бит плавающей точки. Потом перевод в 24 бит без дизеринга. После микширования, пиковый уровень файла за все 120 секунд получился -1дБ. А вот по АЧХ файла в RMAA получился пик всех тонов почему-то -24дБ. Обратил внимание, что Audacity генерирует тоны не синус (как в примере "источника" Мусатова), а косинус. Может, это влияет и на пик-фактор, и на амплитуды тонов?

[anli]

Например, имеющийся в моём распоряжении ЦАП принудительно рисэмплит любой входной сигнал от 32кГц до 200кГц на чатстоту 192кГц.

Чтобы сгенерить файл, ЦАПа вообще может не быть Ну и повторюсь:

У RMAA 262144 - максимальный размер окна, и при высокой частоте сэмплирования будет низкое разрешение на НЧ.