И снова - про измерение искажений

[bukvarev]

Ниже - материал, посвященный оценке искажений элементов звуковоспроизводящего тракта.
Файл упаковал посильнее, по ссылкам в тексте - картинки в нормальном разрешении и звуковые файлы.

Способ определ&#10.pdf

20.03.2016 Создал новые каталоги в облаке. Основная ссылка проекта: https://drive.google.com/folderview?...Dg&usp=sharing
Старые ссылки из ранних постов позже снесу или обновлю.
В папке "МОДЕЛЬ MATLAB" буду выкладывать файлы программ. Пока выложил функцию генератора тестовых файлов "test_file_generator.m".
В ближайшем будущем напишу развернутое описание, как пользоваться ключами, с примерами.
Теперь есть возможность создания теста по своему вкусу любому, кто захочет .
В папке "ТЕСТОВЫЕ ФАЙЛЫ" буду выкладывать или обновлять/заменять тестовые файлы. Пока там следующие файлы:
TEST-RAND-48000Hz-1ch-16x-3s-500ms-0ms.wav (шум с равномерным распределением)
TEST-NORM-48000Hz-1ch-16x-3s-500ms-0ms.wav (шум звуковой полосы с нормальным распределением)
TEST-PINK-48000Hz-1ch-16x-3s-500ms-0ms.wav ("розовый" шум по DIN)
TEST-FILE--FRNT-48000Hz-1ch-16x-3s-500ms-0ms.wav (фрагмент "Together" Front 242)
TEST-FILE--HOSA-48000Hz-1ch-16x-4s-500ms-0ms.wav (фрагмент "Hosanna" Вебера)
TEST-FILE--JOVI-48000Hz-1ch-16x-3s-500ms-0ms.wav (фрагмент "We Don*t Run" Bon Jovi)
TEST-FILE--META-48000Hz-1ch-16x-3s-500ms-0ms.wav (фрагмент "Dirty Window" Metallica)
Все вышеперечисленные файлы имеют одноименные текстовые файлы с отчетом функции "test_file_generator.m".
Также в папке "ТЕСТОВЫЕ ФАЙЛЫ" создан подкаталог "ИСХОДНЫЕ ФАЙЛЫ", в котором содержатся муз. произведения, использованные при генерации тестовых файлов. Если кому интересно, может сам повторить синтез, введя в командной строке Matlab вызов ф-и test_file_generator.m с соответствуюшими параметрами.

31.03.2016 Обновил файлы моделей : https://drive.google.com/folderview?...zQ&usp=sharing
1. Теперь поиск маркеров стал быстрым (применил комбинированный алгоритм поиска вместо согласованной фильтрации по всему файлу). Открывается возможность "без тормозов" анализировать файлы с очень большим количеством проб - больше 100.
2. В очередной раз скорректирован список рассчитываемых параметров:
-> profile noise level (RMS, ref to 0 dB garm RMS): -111.80 dB - уровень шума по отношению к полной шкале. Характеризует уровень шума паузы в анализируемом тракте. От уровня записи не зависит.
-> average signal to noise ratio: 111.57 dB - реальное отношение мощности тестового сигнала к уровню шума (оно зависит от уровня записи ).
-> signal power deviation to signal, RMS: -44.74 dB - относительное изменение мощности тестового сигнала от пробы к пробе. Косвенно характеризует временнОй уход коэффициента передачи в измеряемом тракте, насколько "дышит" система. Если эта величина значительно больше уровня шума, то есть проблемы со стабильностью системы.
-> FIND (Relative Distortion Power): -88.58 dB - это отношение мощностей продуктов искажений и тестового сигнала. Собственно, "Коэффициент нелинейных искажений".
-> distortion power deviation to distortion average waveform, RMS: 9.45 dB - среднеквадратическое отклонение мощности продуктов искажений от пробы к пробе. Характеризует отношение "нестационарной" составляющей искажений (динамические амплитудные, фазовые, джиттер) к "стационарной" (нелинейность ААХ и усредненные тепловые шумы). Очень условно, данный параметр показывает, в какой степени можно ожидать расхождения результатов классического измерения КНИ и предложенного способа. Если данное отношение значительно меньше 0, то следует ожидать близких результатов. В противном случае есть шанс получить "плохо звучащий аппарат" при его малом Kr.
-> (distortion average waveform power to noise ratio: 13.07 dB) - среднее превышение мощности продуктов искажений над шумом (условная заметность).
И два параметра, характеризующих наихудший случай из всех проб:
-> FIND worst estimation (peak): -82.66 dB
-> (worst case distortion power to noise ratio: 28.91 dB) .

Переписка Теоретика с ИГВИНом по теме предложенного способа. Простое объяснение.

переписка

ИГВИН:
У меня есть предположение, что усилители (и прочие девайсы) нужно измерять в естественной среде их обитания - т.е. непосредственно в составе системы. В ходе воспроизведения музыки. Кажется Букварёв такое делает, но я что-то его плохо понимаю.

Teoretic:
Да. Букварев, Гапонов и К. Ребята нащупали универсальный метод измерения нелинейности именно на музыкальном сигнале. Мощность современных компьютеров позволяет это проделывать даже любителям.
Суть понять не трудно. Методика позволяет сравнить исходный сигнал с воспроизведенным и нечувствительна к линейным искажениям (это бич всех компенсационных/векторных методов). Примеры разностных файлов (чистые нелинейные искажения) можно послушать (выложены по ссылкам в теме https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=72049 )

ИГВИН:
По Букваревской методике надо мне разобраться в сути.
Что с чем сравниваем, как именно. Мельком я не понял.

Teoretic:
В двух словах. Берем музыкальный фрагмент. Пропускаем его через тракт (какой хотите, вплоть до динамиков), записываем результат. Преобразуем фрагмент. Снова пропускаем его через тракт и делаем обратное преобразование. Вычитаем из первого фрагмента второй. Результат (разностный сигнал) соответствует только нелинейным искажениям тракта.

ИГВИН:
Спасибо, суть понятна. Неясно, как это выполнить практически.

Teoretic:
Практически все выполняется на компьютере с хорошей звуковой картой.
Вывод через карту и запись обратно в комп тоже.
Преобразуем - это математика, преобразование Гильберта для исходного фрагмента, потом - обратное преобразование Гильберта, вычитание сигналов. Все в цифре. Букварев пока что это делает в Матлабе (ну, ему так удобнее), программы для пользователя еще не существует.

ИГВИН:
Метод теоретически хорош. Как быть с антиалисинговым фильтром, искажениями АЦП... преобразование возможно без искажения?... искажениями ЦАП и пост-фильтра - пусть авторы метода решают это практически.
И я всё-таки не понимаю, что такое "ортогональный сигнал". И почему после его прохождения через усилитель образуются какие-то другие искажения.

Teoretic:
Преобразование Гильберта сдвигает все спектральные составляющие исходного сигнала на 90 градусов.
Поэтому преобразованный сигнал "ортогональный". В принципе, это все.
Если в тракте есть нелинейные искажения, то прямой и ортогональный сигнал будут искажены по-разному.
Из ортогонального сигнала восстанавливаем обратно прямой. По разнице не преобразованного и восстановленного сигнала судим об искажениях. Эту разницу можно просто послушать.
Меру для величины таким образом полученных искажений еще не определили.

ИГВИН:
Сдвигает по фазе на 90 градусов? Относительно чего? Основная (первая) гармоника остаётся в своей фазе? или тоже отъезжает на 90?
Чем это отличается от задержки?

Teoretic:
Все гармоники сдвигаются на 90 градусов относительно гармоник исходного сигнала. Это совсем не задержка. При временной задержке сдвиг фазы пропорционален частоте, а у нас фаза постоянна. Это идеальный фазовращатель.

Мне самому стало интересно.
Я взял простой сигнал: меандр с ограниченным спектром (от первой до одиннадцатой гармоники):
h(x)=cos(x)-cos(3*x)/3+cos(5*x)/5-cos(7*x)/7+cos(9*x)/9-cos(11*x)/11
После сдвига всех гармоник на 90 градусов получим сигнал
g(x)=sin(x)-sin(3*x)/3+sin(5*x)/5-sin(7*x)/7+sin(9*x)/9-sin(11*x)/11
(все косинусы стали синусами).
И построил их графики. Вот они, "ортогональные" сигналы:
https://drive.google.com/open?id=0B8...GJwZTR6VFk4NTQ

ИГВИН:
Вижу. Здорово!!!
Интегралы по площади равны, форма сильно разная.

Теперь дайте подумать...
Итак, мы смотрим искажения двух разных сигналов. В идеальном случае оба не искажены.
В реале из-за различий формы будут разные амплитудные искажения.
Сравниваем их.
Чем меньше разница - тем меньше зависимость искажения vs амплитуда. То есть устройство более линейно.
Как будто сходится - метод теоретически должен работать.

[свернуть]

09.02.2018 КАК ПРОВЕСТИ ИЗМЕРЕНИЯ (ВРЕМЕННЫЙ СПОЙЛЕР)

Скрытый текст

По ссылке находятся десять тестовых файлов: https://drive.google.com/drive/folde...b_?usp=sharing

Эти файлы делятся на группы по названию:
тесты определения коэффициента гармоник и шумовой полки
-test-1KHz-48.wav
-test_multitone_48.wav

тесты на основе FFT фильтра
-test-nonstationar--NoMercy-FFT-48KHz.wav
-test-nonstationar--NoMercy-FFT-EN-48KHz.wav
-test-nonstationar--NoMercy-FFT-FRQ-48KHz.wav
-test-nonstationar--NoMercy-FFT-FRQ-EN-48KHz.wav

тесты на основе БИХ фильтра Чебшева
-test-nonstationar--NoMercy-IIR-48KHz.wav
-test-nonstationar--NoMercy-IIR-EN-48KHz.wav
-test-nonstationar--NoMercy-IIR-FRQ-48KHz.wav
-test-nonstationar--NoMercy-IIR-FRQ-EN-48KHz.wav

Длительность файлов - 1 минута

Нужно их воспроизвести и записать с выхода усилителя (каскада). Частота дискретизации - 48 КГц, очень желательно использовать при записи режим ASIO.
При использовании для воспроизведения и записи двух различных звуковых карт, их лучше всего синхронизировать по SPDIF.
В крайнем случае, воспроизвести и записать как есть, на внутренних частотах карт.

Стерео или моно - без разницы. Если в разных каналах будут разные сигналы (к примеру, со входа и выхода усилителя), то нужно об этом написать в названии файла.
Самое главное - главное - правильно записать на саму карту. Уровень записи на звуковой карте лучше делать в пределах -20..-10 дБ при испытательном файле 1 КГц (-test-1KHz-48.wav). Это делается внешним делителем напряжения. Все регуляторы уровня в микшерах - на 100% (это проверить с помощью соединения входа и выхода карты напрямую коротким шнурком), все эффекты - отключены.

Вначале записать сигнал напрямую, чтобы привязаться к "сквозному каналу".

Потом включить в тракт усилитель под нагрузкой, и записать повторно. Записанные файлы назвать, как считаете нужным.

Между записями разных файлов ничего в системе не изменять.

Потом заменить усилитель (если есть желание и возможность измерить несколько аппаратов), и повторить запись.

По минимуму нужно записать первые шесть файлов из списка. Обязательно записывать ЦЕЛИКОМ. Можно даже оставить в начале и в конце паузы.

[свернуть]

Ссылки на две интересные темы:
https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=35395
https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=34487

[krulfa]

Есть гипотеза Даниела Чивера (Cheever, D.H., 2001. A new methodology for audio frequency power amplifier testing based on psychoacoustic data that better correlates with sound quality (Doctoral dissertation, University of New Hampshire)) о том, что удобоваримыми будут те гармонические искажения, которые не выходят за пределы собственных искажений слухового аппарата.

Правильная гипотеза, единственное, что такие плохие транзисторные усилители, как на этих сравнительных графиках, еще надо поискать. Они обычно находятся на свалке.

[Сергей Гапоненко]

Правильная гипотеза, единственное, что такие плохие транзисторные усилители, как на этих сравнительных графиках, еще надо поискать. Они обычно находятся на свалке.

Согласен. Но при этом посмотрите, сколько они стОят! Данные взяты из глянцевых аудиотестирующих-оценивающих журналов. Krell полностью противоречит концепции важности первого ватта.

[bukvarev]

Вот очень контрастная разница в работе безОООСника и ОООСника.
Три картинки.
1. Оригинал:


2. ОООСник (Marshall 8008):


3. БезОООСник ("Каменный однотактник Семынина"):


На каждой картинке две части. Верхняя часть. Черным цветом - продетектированный полезный сигнал, красным - выделенные в полосе режекции искажения, зеленый - уровень шума.
В нижней части картинок - разность между полезным сигналом и уровнем шума (зеленый), а также между полезным сигналом и искажениям (красный). В нижней части можно оценить мгновенное отношение "сигнал/искажения". Чем ниже - тем хуже.

Применялся специально синтезированный тестовый сигнал.

Посмотрите, ОООСник пытается выправить огибающую сигнала (черная кривая), и у него это получается. Но в процессе "выправления", в полосу режекции набегает куча искажений.
БезОООСник, наоборот, "плевать хотел" на огибающую полезного сигнала. Ее корежит до неузнаваемости. Зато обратите внимание на уровень искажений в полосе. Туда практически ничего не "залетает".

Самая характерная разница - на первой секунде.

Участки маскировки на графиках я пока не расставлял.

[wert]

Евгений,
безОСник в каком режиме работа ВК?
Если в режиме А, тогда в выходном напряжении должны отсутствовать модуляция амплитуды и фазы компонент сигнала.
Возможно графики об этом говорят.
Огибающая искажена за счет высоких амплитудных гармонических искажений.
Уровень искажений в полосе скорее зависит от нелинейных искажений амплитуды и фазы компонент сигнала,
в безОСнике они отсутствуют, в ОСнике присутствуют нелинейные искажения фазы.

[E.Sokol]

Offтопик:

А как же "акцентирующая компрессия" или "фидбек овердрайв"?

Ревербератор с "акцентирующей компрессией" - это ревербератор со встроенным компрессором. Мне такие не попадались - но это конечно же не значит, что таких нет. Обычно эти эффекты всё-таки разделяют, т.к. предназначение у них совершенно разное.
Ревербератор же с "фидбек овердрайвом" - это уже диштошн, т.к. нафиг никому не нужен такой ревер, который в звук грязи добавляет (особенно на голос).

"Нечувствительность слуха к фазе" опровергается очень простым экспериментом - проигрывание файла задом наперёд.

Хороший аргумент, но есть ещё один нюанс. Чтобы обратить сигнал во времени, нужно инвертировать его фазы. Значит, фильтр для такого обращения должен не только состоять из инверсных фаз обращаемого сигнала, но ещё и они и должны быть помножены на два (что удлиняет его импульсный отклик). Мало того, что система с таким откликом нереализуема физически - так она ещё должна и коррелировать со входным сигналом, что автоматически переводит её в статус нелинейной.

Вот пример.
Исходный спектр (слева) и спектр фильтра для его реверса во времени (справа):


Во временном домене на одном графике, зелёный - исходный сигнал, красный - импульсный отклик реверсирующего фильтра:

[hydr]

Посмотрите, ОООСник пытается выправить огибающую сигнала (черная кривая), и у него это получается. Но в процессе "выправления", в полосу режекции набегает куча искажений.
БезОООСник, наоборот, "плевать хотел" на огибающую полезного сигнала. Ее корежит до неузнаваемости. Зато обратите внимание на уровень искажений в полосе. Туда практически ничего не "залетает".

Выходной каскад в виде повторителя, охваченный 100% обратной связью, и должен корежить сигнал до неузнаваемости. Да, Вы аккуратно пишете о ОООС и действительно если повторитель сидит в петле картина будет иная, но сути это не меняет. И там и там обратная связь. Разница только в том, что в Вашем случае вид обратной связи и ее глубина не позволяют привести выходной сигнал к более "приличному" виду.

Для получения корректных и действительно интересных для аудио мира данных Вам, для сравнения, нужен усилитель без обратных связей. Хороший SE, не бабушкино радиво, как выражается один из уважаемых форумчан.

С уважением hydr.

[Semigor]

bukvarev, очень интересные результаты. Я согласен, что безосник должен с меньшей точностью воспроизводить огибающую сигнала, но чтобы до такой степени, забавно. А можно по-подробнее о сигнале. Он не имеет постоянной составляющей? Были ли измерения MW?
hydr, если Вы имеете в виду SE на ламповом триоде, то давно уже доказано, что это прибор с внутренней ООС. Так что в этом смысле никакого преимущества перед ЭП он не имеет.
А так, в Москве должны быть очень хорошие НЭМовские усилители на 300В.

[Игорь Гапонов]

/// Мало того, что система с таким откликом нереализуема физически

...

Offтопик:

Скрытый текст

Т.е. ты меня поймал на том, что в природе нет машины времени, да ещё с реверсом событий? Тогда уточняй: нереализуема в реальном времени. А зачем ты инвертировал сигнал?

На счёт нелинейности (от противного (с), шутка ). Если такое преобразование нелинейно, тогда следует признать, что отражение волны от абсолютно жёсткой не поглощающей преграды в линейной среде тоже нелинейно (например, признать, что законы геометрической оптики неверны)., т.к. координата времени ничем таким математическим от других координат пространства не отличается

более строго ( https://en.wikipedia.org/wiki/Fourier_transform )

Скрытый текст

....Time scaling
.... The case a = −1 leads to the time-reversal property, which states: if h(x) = f (−x), then ĥ(ξ) = f̂ (−ξ).

[свернуть]

Алсо http://www.claysturner.com/dsp/timereversal.pdf разъяснения к формулам (7)-(11), а оператор сопряжения (конъюнкции) линеен (ошибок не увидел, может ты увидишь?)

[свернуть]

[bukvarev]

Я согласен, что безосник должен с меньшей точностью воспроизводить огибающую сигнала, но чтобы до такой степени, забавно. А можно по-подробнее о сигнале. Он не имеет постоянной составляющей? Были ли измерения MW?

Сигнал на сумах импульсов с линейной частотной модуляцией. Без постоянной составляющей.

Вот картинки для похожего по структуре сигнала, но уже на основе суммы импульсов шума с разными полосами. Здесь ОООСник уже не справляется с коррекцией огибающей.
Маршалл:


Каменный:


И MW, при 20 В ампл, на 4 Ом:


Тут есть такое дело.. С Маршаллом все понятно. Он испортил все очень сильно.
Но если посмотреть на разность "сигнал-искажения" (красная кривая в нижней части графиков), то у однотактника на первой секунде это отношение больше, чем отношение "сигнал-шум" у MW.
Получается, что если передавать сигнал неискаженным, то могут вылезать из под маскировки обычные шумы. А если сигнал "безинерционно" исказить, то искажения будут замаскированы искаженным полезным сигналом. Какая-то тавтология получается .

[Semigor]

О, а MW идеален!

[E.Sokol]

Тогда уточняй: нереализуема в реальном времени.

Я думал, это очевидно - мы же находимся в контексте искажений усилителя.

А зачем ты инвертировал сигнал?

? Не я же предлагал слушать реверсированный во времени сигнал)

На счёт нелинейности (от противного (с), шутка ). Если такое преобразование нелинейно, тогда следует признать, что отражение волны от абсолютно жёсткой не поглощающей преграды в линейной среде тоже нелинейно

Не вижу связи. Отражение от стены поворачивает фазу на 180°, а не инвертирует её.

координата времени ничем таким математическим от других координат пространства не отличается

Отличается так же, как преобразование Лапласа отличается от преобразования Фурье.

[bukvarev]

Игорь, это только по измерениям идеален..

[Игорь Гапонов]

Offтопик:

Скрытый текст

///
Отличается так же, как преобразование Лапласа отличается от преобразования Фурье.

Ну, тогда доказывай, что оператор конъюнкции нелинеен. См. пэдээфку и ссылку на вику у меня чуть выше - более строгое рассмотрение.

[свернуть]

Под спойлер и офф - пожалуйста. Больше трёх оффов подряд уже напрягает ветку. Имей совесть.

[E.Sokol]

Под спойлер и офф - пожалуйста. Больше трёх оффов подряд уже напрягает ветку. Имей совесть.

Offтопик:
Это вовсе не у нас тут офф

Рассматривая нелинейные искажения крайне полезно понимать, в чём их нелинейность может, а в чём не может проявляться.

[Игорь Гапонов]

Offтопик:
Это вовсе не у нас тут офф

Рассматривая нелинейные искажения крайне полезно понимать, в чём их нелинейность может, а в чём не может проявляться.

если не офф - то пример или замечания от тебя по сабжу.

От меня: сабжевые методы (предположительно все, "Эвклид" точно) не ловят идеальный амплитудный модулятор - умножение на повторяющуюся функцию времени, идеально синхронизированную от пробы к пробе.

Но инверсия (реверс) времени в них может выступать обратимым (не в риал тайм) линейным преобразованием.

[E.Sokol]

Offтопик:

Но инверсия (реверс) времени в них может выступать обратимым (не в риал тайм) линейным преобразованием.

Как и множество других. Можно даже Варум превратить в Агутина и обратно.

[hydr]

hydr, если Вы имеете в виду SE на ламповом триоде, то давно уже доказано, что это прибор с внутренней ООС. Так что в этом смысле никакого преимущества перед ЭП он не имеет.

Offтопик:
Кем? Маргиналом Штокманом? Корифеями форумных баталий? Выкинуть пару десятков книг из собственной библиотеки? В которой больше половины, это труды отцов основателей из Америки, Англии, Германии. Какой нафиг Штокман. Вы знаете, что практически все великие физики позапрошлого и прошлого веков отметились в работах по развитию электровакуумной техники. Не одному из них эта глупость про ОС не приходила в голову.
Попробуйте заставить генерировать триод без внешней обвязки. Не получится. Зная об этом, апологеты старо - новомодной теории ничего умней не придумали как объявить ОС триода частотно-независимой. Думаю за физическую реализацию частотно-независимой ОС нужно какую ни будь мировую премию вручить, шнобель или, что там подобное есть.

С уважением hydr.

[sia_2]

Offтопик:
Тем не менее тетрод и пентод были изобретены именно для подавления внутренней ОС в триоде.

[hydr]

Offтопик:
Тем не менее тетрод и пентод были изобретены именно для подавления внутренней ОС в триоде.

Offтопик:
Да, с чей то легкой руки, экранирование влияния поля анода на сетку назвали ослаблением обратной связи. Но строго говоря, это никак не может быть внутренней обратной связью конкретного прибора, так как для того, что бы эта ОС возникла нужны внешние (для прибора) цепи. В свою очередь величина этой "ОС" будет зависеть от параметров этих цепей.

С уважением hydr.

[sia_2]

Вопрос казуистики. Вакуумный прибор с нулевой ёмкостью анод-сетка и, соответственно, отсутствием электрического поля физически невозможен, значит, обратная связь по потенциальному рельефу в реальном приборе будет всегда. Кстати, она и не совсем безинерционная, пролетное время электронов - доли и единицы нс. За счёт этого, в частности, генерят катодные повторители.