Немного теории искажений

[Scop]

Не секрет, что существующие показатели нелинейных искажений с очень большой натяжкой могут характеризовать субъективное качество воспроизведения. Из-за этого искажения различают на искажения громкоговорителей и усилителей, ламповые и транзисторные, искажения активных и пассивных элементов и т.д. и т.п. И в каждом из этих разделов есть свое деление на хорошо/плохо, можно/нельзя, слышно/не слышно.
После некоторых раздумий возникло предположение разделить имеющуюся в звуковом тракте нелинейность на два класса:
1. Детерминированная нелинейность, которая существует в тракте независимо от наличия /отсутствия сигнала – например, нелинейность жесткости подвесов, ВАХ усилительных приборов, трансформаторов, кривая намагничивания магнитной ленты и т.п. Т.е. эта составляющая нелинейности однозначно задана, имеет стабильный вид в течение длительного времени.
2. Стохастическая (случайная) нелинейность, которая возникает непредсказуемо и, как правило, определяется наличием сигнала. Примеры такой случайной нелинейности – тепловые эффекты в полупроводниках (микро- и макро- разогрев), выходной каскад с нелинейным выходным сопротивлением, работающий на реальную АС (у такого каскада искажения определяются током, а ток в АС не очень коррелирован с напряжением на ней). Есть и другие примеры – джиттер, влияние серво-системы.

Наука (Теория информации) по поводу этого предположения сказала следующее (вольный перевод): С точки зрения передачи информации нет такого закона природы, по которому нельзя скомпенсировать детерминированную нелинейность и получить ВСЮ информацию, переданную по тракту с такой нелинейностью. (Там есть ограничения, но применительно к аудио несущественно).
Напротив, стохастическая нелинейность принципиально не может быть учтена ни технически, ни физиологически (ухом, и т.п.) и приводит к потерям информации в звуковом тракте. Вот эта самая стохастическая нелинейность и определяет объективную разницу в звучании.

В общем, под таким прицелом поисследовал я выходные каскады разных УМЗЧ, прослезился, написал статью "Стохастическая нелинейность электроакустического тракта и ее влияние на субъективное качество звуковоспроизведения" и положил у себя на сайте здесь.
Статья уже принята к публикации в редакции журнала. Когда выйдет –добавлю библиографичесую ссылку. Кстати, тема вполне диссертабельна

Собственно, чего пишу здесь – в статье есть простенькая методика измерения обратной интермодуляции (RIMD). Очень рекомендую использовать. У меня получилась поразительная точность соответствия слышимого и наблюдаемого: на слух чуть заметное ухудшение(улучшение) сопровождается изменением коэффициента ОИМ уже в полтора-два раза!

С уважением.

Статья опубликована 08.4.2010. Библиографическая ссылка:

Чумаков М.И. "Стохастическая нелинейность электроакустического тракта и ее влияние
на субъективное качество звуковоспроизведения"
Электронный журнал "Исследовано в России", 022, стр. 283-292, 2010 г.
http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2010/022.pdf

[SashaNetrusov]

Помоему на выход уся надо подавать ВЧ сигнал , а не НЧ. Т.к. именно ВЧ переотражения от элеменнотов динамика и поверхностные резонансы диффузора возвращаются обратно на катушку по случайному закону. Да и мерять интермоды гораздо легче. НЧ сигнал просто отфильтровывать и подавать на зв. карточку модулированный ВЧ сигнал...

[Scop]

Михаил, спасибо! Интересная статья, но есть моменты, которые меня сильно напрягают.
Для начала. Делается заключение, что искажения усилителя стохастические, коли IMD и RIMD одинаковы.
Я не могу с этим согласиться. Делается стандартный тест: идеальный вычитатель, нелинейный элемент, идеальный усилитель и введена обратная связь. Это модель усилителя с исключительно детерминированной нелинейностью. У него IMD и RIMD совпадают.

Костя, привет!
Не очень понял про "идеальный усилитель" - у него ж выходное сопротивление д.б. равно нулю и весь ток RIMDа должен уйти "в песок" (в землю). Следовательно, вдув сзаду 60 Гц не должен давать ничего в интермодуляции. То есть СОВСЕМ НИЧЕГО. Нет?
Может, какой косяк с моделью?

[Костя Мусатов]

На самом деле напряжение и ток в электродинамических АС связаны мало того, что практически случайно (для широкополосного сигнала), так еще и нелинейно.

Если бы эта связь была бы случайной, то ни о каком адекватном электро-акустическом преобразовании речь бы не шла. Связь описывается набором зависимостей: амплитудных, частотных, инерциальных. Даже используя в качестве измерительного сигнала шум, можно точно предсказать значение тока через динамик. Второе понятие - это импеданс, он имеет смысл только фазочастотной плоскости, поскольку учитывает среднестатистические соотношения между током и напряжением для гармонических сигналов.

[AudioKiller]

Вообще, мне кажется, что тест усилителя со "вдуванием в зад" - это очень хороший тест, показывающий кто есть кто. И его надо всеми силами "узаконивать".

[anli]

А вот если нелинейность напряжения (информационного параметра для ИНУН) будет модулироваться из-за протекающего тока – это стохастическая составляющая.

Так как в случае, о котором говорит Алексей, на выходе мы имеем большое (относительно) выходное сопротивление, напряжение на нагрузке будет модулироваться как раз именно этим сопротивлением, когда мы "вдуваем в зад". Мы же не можем вдуть перед этим сопротивлением, а только после него (между ним и нагрузочным сопротивлением)

[anli]

Вот что я имел в виду. Усилитель с относительно большим выходным сопротивлением. Снизу - ток через нижний мосфет, который скушивает бОльшую часть вдуваемого тока. Сверху - напряжение на нагрузке (резисторе).

[Костя Мусатов]

Следовательно, вдув сзаду 60 Гц не должен давать ничего в интермодуляции. То есть СОВСЕМ НИЧЕГО. Нет?
Может, какой косяк с моделью?

У симулятора есть в настройках дефолтное значение выходного сопротивление источников напряжения. Для определенности я добавил в схему определенное выходное сопротивление.

.SUBCKT AMP2 1 2 3
+PARAMS: K=10 NL=0.1 R=1
E 4 0 VALUE={K*(V(1,2)+NL*V(1,2)*V(1,2))}
R 4 3 {R}
.ENDS

[Nota Bene]

К вопросу стохастичности - берем некоторый музыкальный (псевдослучайный) отрывок. Проигрываем его пару раз через "кривой" тракт с одновременной записью. Вычитаем одну запись из другой. Будет ли ошибка вычитания шумоподобной (случайной)?

тест усилителя со "вдуванием в зад" - это очень хороший тест, показывающий кто есть кто. И его надо всеми силами "узаконивать".

Дмитрий Киреев
ID: 25655
24 14.12.2003, 14:47 новое игнорировать жалоба цитировать
------------------------------------------------------------------------------------
Для усилителей КД очень мало значит , если у усила выходное сопротивление меньше ома , то уже неплохо ... Гораздо важнее способность усилка принимать ток ОТ нагрузки , не внося искажений . Это проверяется так - на выход усилка вдувается ток от другого усилка через резистор порядка 4-8 ом , вход заземляется , и осцилл - на выход . Ток доводится до максимального , и чем ближе картинка на осцилле к синусоиде , тем лучше усил ! Если этот опыт провести с большинством бюджетных усилков , то можно увидеть много интересного ... и неприятного ...

http://74.125.77.132/search?q=cache:...&ct=clnk&gl=ru
Обращаем внимание на год сообщения

[Костя Мусатов]

Будет ли ошибка вычитания шумоподобной?

В принципе, да. В реальности нет. Есть уходы опорных напряжений ЦАПа и АЦП, есть уходы сопротивлений в цепи ООС и т.п. Т.е. есть медленно изменяющиеся характеристики тракта, которые нас мало волнуют, но которые не позволят применять метод.

[anli]

Обращаем внимание на год сообщения

Там, наверное, цель - определить всякие пики, клювики и прочие изъяны в выходном сопротивлении усилителя.

И если использовать осциллограф, нагляднее, наверное, пилу, а не синус вдувать.

[Nota Bene]

но которые не позволят применять метод.

Да я не к методике клоню А к тому, что параметрические компоненты искажений будут на обоих записях одинаковыми. То есть детерминированными. Теоретически.

[Scop]

Scop, Все же ИМХО тепловые искажения детерминированы, поскольку отвечают главному критерию детерминированности - существует однозначное обратное преобразование. Насчет U-дельта-i понял, там действительно так и есть.
Но главное, что вызывает сомнение это вот что: наличие однозначного обратного преобразования - это ИМХО единственное условие детерминированности, а наличие или отсутствие сигнала здесь непричем (т.к. даже "обычная" нелинейность никак себя не проявляет в отсутствии сигнала, она-то и смысл приобретает, если сигнал есть). Это если сигнал не случайный. Для случайного сигнала обратного преобразования нет по определению и тут все совпадает.

Игорь, посмотри внимательно, специально написал в терминах В.И. Тихонова (случайные величины -греческие, ЗНАЧЕНИЯ случайных величин - латинские) - обратное преобразование - это преобразование координат, которым пофиг, есть в них (этих координатах) переменная, функция или еще что, или нет.
Ну не может наше ухо, состоящее из мяса, делать идеально-ортогональное преобразование Фурье. Оно делает нечто подобное в неидеальных и неортогональных своих "мясных" функциях. А мозкх уже как-то понимает, что различимость входящих сигналов очень серьезно зависит от того, как будут линеаризованы и ортогонализированы эти мясные функции-координаты.
Другими словами: Если мы говорим "нелинейность", то это подразумевает некую кривую в каких-то координатах (напряжение-напряжение; напряжение-ток и т.п). А вот если речь про "нелинейные искажения", то это новые спектральные составляющие, которые появляются в СИНУСОИДАЛЬНОМ сигнале при прохождении некоей "нелинейности".

[Alex Nikitin]

Обращаем внимание на год сообщения

Это известная уже много десятилетий методика. Вопрос, как всегда, в интерпретации. Похоже, что для ясности надо более аккуратно определить разницу между чисто случайной шумоподобной помехой (которая, кроме всего прочего, может модулироваться сигналом, но менее случайной от этого не станет) и искажениями, которые нельзя скорректировать обратной функцией, при этом, тем не менее, однозначно связанными с физическими свойствами тракта - грубо говоря, тот же сигнал, пропущенный через тракт дважды, примет одинаковый характер на выходе оба раза. Но, тем не менее, в общем случае невозможно будет однозначно восстановить информацию, заключённую в оригинальном сигнале, то есть, как я это понимаю, передаточная функция становится уникальной - меняющейся в зависимости от сигнала малопредсказуемым образом. Или, по-другому, если мы не знаем заранее точно, какой именно сигнал на входе, мы не сможем восстановить его на выходе.

В случае же со звуком нам достаточно того критерия, чтобы подобные искажения не превышали возможностей адаптации человеческого механизма слухового восприятия.

Алексей

[Костя Мусатов]

Есть еще нестыковка. Инерциально нелинейные искажения рассматриваются как стохастические. Это не совсем точно. Функция передачи становится умноженной на интеграл, в рамках заданной точности который можно ограничить некоторой постоянной времени. В этой ситуации возможно получение всей изначальной информации, но декодирование возможно только с запаздыванием равным этой постоянной времени, а схема декодирования должна быть с памятью. Что собственно логично, поскольку система кодирования (система передачи можно считать входит в систему кодирования) сама работает с памятью.

[anli]

Инерциально нелинейные искажения

Костя, ты это хитрое ругательство употребляешь не первый раз А можешь определить его по-простому?

[Костя Мусатов]

А можешь определить его по-простому

Вообще то это стандартное понятие. Это когда передаточная функция зависит от инерционных (накопительных, интегральных, memory) состояний. У буржуев применяется термин memory distorsion. Тепловые искажения зависят от тепловой инерции кристалла (активного тела) активного или пассивного элемента. Заметь, что если бы не было тепловой инерции, то зависимость параметров от температуры просто вошла бы в передаточную функцию, а так эта зависимость входит в виде интеграла по времени. То же самое с искажениями в питании. Напряжение на конденсаторах БП зависит от среднего тока потребления, а не от мгновенного уровня. Здесь работает инерция накопленного заряда.

[anli]

Костя, спасибо! "Стандартное" оно там, где я не был Теперь понятно. В таком случае для наших ушей это скорее стохастические искажения, так как мы оцениваем ушами ("быстрая память") сотню-другую миллисекунд, типа "если в первый раз нотка пианинки показалось гитарой, то понять это можно не раньше, чем пианинка сыграет снова и громче, например, через пару тактов"

[anli]

Ну и рисуночки для той вышепоказанной схемки. Левый - IMD, правый - RIMD. Михаил, радоваться или плакать?

[лысый]

Scop, респект и уважуха (с) из интырнета.
Кусочек взгляда трошкы сбоку:
В статье всё время речь о передаче информации, её потере, сохранении и тп., ну и естессно о её восприятии слушателем. Далее имхо. Некоторая часть звуковой информации, несомой лектрическим сигналом, представлена в виде т.н. символьной кодировки. Тоисть по сути у слушателя есть некий набор "шаблонов", по совпадению с которыми он определяет, что есть что. И если у разных слушателей эти "шаблоны" разные (что вряд ли не так), то одинаковое восприятие этой символьной части информации невозможно в принципе даже при идеально точной передаче самого кода. Тут вопрос уже в том, какие "шаблоны" считать правильными.

[krulfa]

Позволю себе не согласиться с автором статьи во многом и в общем, и в частности.

Во-первых, по классификации искажений, в целом не поддерживаю мысль, что для звуковоспроизведения стохастические искажения представляют большую проблему, чем детерминированные (естественно, для системы передачи данных все по-другому). Я бы ввел следующую классификацию и искажений, в порядке от наименьшего влияния на звук до наибольшего:

5. Стохастические искажения с постоянным (независящим от наличия сигнала) спектром. Сюда включаются шумы тепловые, магнитных лент и прочие, фон наводок от сети 50/60 Гц и в конце концов шум с улицы при прослушивании в реальном помещении. В определенных пределах такие искажения не влияют на субъективное качество звука, так как слуховой аппарат умеет адаптироваться к шумам и выделять сигнал на фоне шума.

4. Детерминированные искажения низких порядков. Здесь спектр искажений жестко связан со спектром сигнала, но находится "недалеко" по частоте - 2-5 октав. Типичный представитель - ламповые усилители и АС.

3-2 место Детерминированные искажения высоких порядков. Здесь спектр искажений находится далеко от спектра сигнала. Типичный представитель - транзисторные усилители класса АВ.

3-2 место. Искажения, вызванные "эффектом памяти", детектированием огибающей или другой причиной, по которой напряжение на выходе усилителя в данный момент времени зависит от того, каким был сигнал некоторое (существенное для рассмотрения) время назад. Сюда включаются тепловые искажения, искажения конденсаторов, некоторые виды искажений АЦП и ЦАП и т.п.

1 место. Стохастические искажения, спектр которых не коррелирован со спектром входного сигнала, но который в существенной степени преломляется, модулируется спектром исходного сигнала. Примеры - усилители в классе В, каскады Шиклаи с отсечкой, многое из того, что происходит в цифровых усилителях класса D, ну и просто когда в усилителе есть DIM или подвозбуды. Из аналоговой техники - компандерные шумоподавители, инерционные СДП.

Вот. Так что стохастические искажения расположились и в начале, и в конце списка.

Во-вторых, на предмет сравнения. По результатам измерений "образцовый" студийный усилитель PA1, извините, откровенное барахло, еще до сравнения. А усилитель FA1 - действительно очень приличный аппарат. Я к тому, что сравнивали аппараты разных "весовых категорий" и результат был заранее очевиден.

Теперь собственно по RIMD. Я не вижу принципиальной разницы по сравнению с IMD с оговоркой, что обычная методика IMD дает очень малоинформативный результат. Но и RIMD тоже не очень показательна.

В самом деле, чем RIMD отличается от IMD?

Во-первых, очень жестким тепловым режимом работы выходного каскада. Втекающим током недолго и выходные транзисторы спалить, введя их в область вторичного пробоя.
Во-вторых, режимы входных каскадов напротив облегчены, так там отсутствует основная гармоника напряжения 60 Гц. Она присутствует только в виде дифференциального сигнала.

Выходной же ток усилителя и возбуждение петли ООС почти одинаковы и в том, и в другом тесте. Отсюда IMD и RIMD дают несколько разные срезы для выявления нелинейностей звучания усилителя, но нового качества, на мой взгляд, не проявляется. IMD будет больше у схем, где доминируют искажения усилителя напряжения и входных каскадов, а RIMD больше у схем, где основной вклад вносят нелинейности усиления тока выходным каскадом. Вот и все. Что "лучше", опять-таки сказать нельзя, в разных трактах все будет по-разному.

С точки зрения исследования, интересно проработать вопрос выявления "модулируемых стохастических искажений" (номер 1 в моем списке) и предложить методику их быстрого выявления. Например, научиться вычитать из общего спектра искажений частоты/спектры, кратные входному сигналу или его спектру, а также статические искажения и шумы, и количественно оценивать, а что в остатке.

Практически лично мне больше импонирует методика из темы Метод измерения реального разрешения усилителя.