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

[bukvarev]

Конечно, акустика с фильтрами, где импульсная есть совсем не "единичный дельта-имульс" будет по вашему методу показывать бяку. И мы опять упремся в ту самую фразу: "А на сколько заметно ГВЗ?".

Нет, способ стойкий к линейным искажениям. Акустика с совсем не единичным дельта импульсом бяку не покажет. Это - одно из требований Т.З на разработанный способ.

Есть параметры КНИ, а есть параметры временные. Ну объединили оба параметра в одну картинку, добавили шкалу времени, а есть в этом толк?

Принципиальный толк. Попробуйте измерить КНИ синусоидального или двухчастотного сигнала, амплитуда которого нарастает, например, по экспоненте. Стандартным способом (без хитрых пересчетов) Вы этого сделать не сможете.

Когда мы говорим о воспроизведении музыкального фрагмента, все еще запутаннее. Фрагмент можно представить в виде суммы независимых сложных сигналов (например, отдельных музыкальных инструментов). Все они - нестационарные, т.е. статистические параметры их фрагментов зависимы от времени. Самая важная часть каждого такого сигнала - атака. Атака представляет собой как минимум (по классическим представлениям), группу модулированых во времени обертонов. Длительность атаки достаточно большая (миллисекунды). В записях, атака искуственно (на студии) ограничена по полосе. Это не имеет ничего общего с тестированием аппарата "радиоимпульсами" и меандром. Как быть в таком случае? Вот эту проблему предложенный способ и решает.
А если мы имеем сумму музыкальных инструментов? Нелинейность явно проявится в том, что все инструменты будут взаимно искажать друг друга. И анализировать эту "кашу" можно только в целом.

Вот представление с другой точки зрения. Представьте многомерную сферу (пространство сигналов). В нелинейной системе ее стенка - мягкая. Синусоидой мы нажимаем изнутри на одну точку этой сферы, и видим, как она изменила геометрию и превратилась, например, в "яйцо". Но сможем ли мы сказать, как исказится сфера, если наполним ее массой различных многоугольников (сигнал) и встряхнем (шумы)? Да хоть ты ее всю истыкай синусоидами перед этим, но как ее исказят многоугольники ровным счетом ничего не скажешь.

А что такое линейные искажения? В линейной системе сфера - стальная . Изменение геометрии этой сферы снаружи - линейные искажения.
Вот такая интерпретация (очень-очень грубо).

З.Ы. Это все абсолютно не мешает отдельно измерить, скажем, импульсный отклик, и заниматься тонкой настройкой той же АС.

[mr-marlen]

bukvarev, какой тестовый сигнал предпочтительно использовать для оценки АС?

[bukvarev]

bukvarev, какой тестовый сигнал предпочтительно использовать для оценки АС?

Музыкальный фрагмент в общем виде. Если Вы хотите проверить работу АС в области НЧ, то лучше, чтобы в этом фрагменте присутствовали группы музыкальных инструментов с хорошей атакой. Например, бочка, том и бас одновременно.
Желательно, чтобы у фрагмента был максимально большой динамический диапазон, громкий одиночный инструмент (вокал, треугольник, "железо") на фоне большого количества инструментов, например, струнной группы. Желательно брать фрагменты с разнообразной атакой (например, участки быстрого гитарного соло).

Вообще, уже проскакивало в ветке, что лучше проверить, как система искажает ту музыку, которую на ней собираешься слушать .

[bukvarev]

Сравнивать форматы wav с разной частотой дискретизации не удается, искажения достигают вверху диапазона 10-ки процентов

Так и непонятно, откуда на десятки процентов искажений берется мощность. Мы с Вами, помнится, этот вопрос затрагивали. Да фиг с ней, мощностью (хотя пропорционально ей, родимой мы и слышим..). Можно применить сравнение по форме, принятое в анализе АЦП (интегральная нелинейность или дифференциальная нелинейность). Десятки процентов - поворот всех фаз на 90 град. Не может такого ресемплер дать. У меня получались другие цифры: https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post2186772
Аудишн - прямой наследник CoolEdit, номер 2 по ссылке.

---------- Сообщение добавлено 01:05 ---------- Предыдущее сообщение было 00:57 ----------

Только что попробовал сопоставить в низкочастотной области оригинал (справа) и разностный файл искажений (после кодирования в mp3):

По оси x - частота, по y - время. В оригинале видны все ноты и удары, а картинка искажений с ними не коррелирует от слова вообще.
Похоже, нужно срочно писать модуль динамического выбора критических полос, фильтрации и обработки фрагментов в них..
Два оригинала VS разностный файл.

[Ясен Пень]

Сравнивать форматы wav с разной частотой дискретизации не удается, искажения достигают вверху диапазона 10-ки процентов, даже форма напряжений заметно разная, естественно разностные напряжения имеют большие уровни.

Т.е. сравнивать сигналы нельзя... Только вроде как не с разной частотой дискретизации, а с разной битностью, нет?

Собственно что подтверждает, амплитудно-фазовые искажения отражают в том числе искажения формы сигнала (которая зависит и от линейных искажений).

Т.е. в следующем предложении уже забыли, что сравнивать сигналы было нельзя...

Эт я еще про способы аппроксимации сигналов в графиках микрокапа ничего не вспоминаю... Это к вопросу о "форме сигналов вверху диапазона"...

Так и непонятно, откуда на десятки процентов искажений берется мощность.

Ну как откуда? Из целочисленных вычислений микрокапа - для 8-битных сигналов, потом для 16-битных, потом для 24-битных. Шумы квантования они такие шумы квантования... Причем коррелируют, заразы, с сигналом... В полном соответствии с теорией ЦОС...

Эх, вот была когда-то кнопка запрета участия в ветке особо неадекватным персонажам... Как ее не хватает...

[bukvarev]

Сделал вычитание. Левый канал - оригинал, правый - разность (mp3 вычел из оригинала). Без "Гильберт-обработки", как есть.
Т.е. в разностный файл вошли все искажения: и линейные, и нелинейные.
https://drive.google.com/file/d/0B0_...ew?usp=sharing
Мощность оригинала -13.24 dB RMS, разностного файла -57.04 dB RMS. Т.е. имеем отношение мощностей 43,8 дБ.
Суммарный уровень всех искажений не может физически превышать это значение. Это - верхняя граница для данного измерения. Это - площадь между различными по форме сигналами. Различий больше нет.
Можно послушать и проверить статистику в любой программе.

[Ясен Пень]

Суммарный уровень всех искажений не может физически превышать это значение.

Еще как может. Возьмите исходный сигнал, например, 8-битный. Передискретизируйте его, например, в 2-битный. Сравните их в исходной 8-ми битной сетке... Как нам завещал великий wert... Вуаля...

[Игорь Гапонов]

-13.24 dB RMS[/B], разностного файла -57.04 dB RMS. Т.е. имеем отношение мощностей 43,8 дБ.
Суммарный уровень всех искажений не может физически превышать это значение. Это - верхняя граница для данного измерения. Это - площадь между различными по форме сигналами. Различий больше нет.
Можно послушать и проверить статистику в любой программе.

Это первый отрывок? Если да, то "арифметически" 44-55~ на 11дБ (в 7 раз) нелинейные ниже линейных.

Ну, собственно, получается, что экономия битрейта в основном не на компрессии/экспандировании, а на хитрой (адаптивной) квазилинейной обработке. Типа, динамические пред-пост коррекции АЧХ в цифровой форме (возможно, в поток встроены управляющие достаточно медленные сигналы для многочисленных "ручек эквалайзера", а само "заполнение полос" синтезируется с очень слабой корреляцией с исходным сигналом, "огибающие для вокодера" - ни дать ни взять)

P.S. Пардон. Не в 7 раз нелинейные ниже линейных, а в 3,5 раза...

[bukvarev]

Это первый отрывок? Если да, то "арифметически" 44-55~ на 11дБ нелинейные ниже линейных.

Нет, второй. Линейным искажениям остается лишь ~6 дБ. Обычно производители кодеков демонстрируют "безукоризненную" АЧХ .
А динамика - это да.. Пример, что делает квантизатор с синхро-ЛЧМ (на всякий случай напомню, он должен быть симметричным, с колоколообразной огибающей):

Что видно явно - при обнаружении максимума отклика кодек отслеживает спад уровня, когда уровень достигнет -6дБ от максимума, врубает exp. envelope (скорее всего - табличный) длительностью 256 сэмплов (видимо, если в оригинале спад уровня продолжался). Похоже, 6 мс - область "акустической тени" во временной области при данном мощности. В музыкальном фрагменте таких "грубостей" в явном виде, естественно, нет.

ЗЫ. Скачал Auditory gammatone filterbank Matlab Toolbox (https://www.mathworks.com/matlabcent...one-filterbank). Буду экспериментировать и слушать. Может, что дельное родится..

[Игорь Гапонов]

Мой брат не заморачивается лослес-нелосслесс. Потому слушает музыку кагбэ из-за мелодии или из-за слов ясень пень в самом доступном и распространённом формате, или как фон FM-вещанием. Но когда включаешь ему тоже самое в оригинале в более-менее нормальном тракте, он говорит: ну, да, теперь можно съесть и выпить музыки больше и без изжоги.

[MAXIM_A]

А почему никто не использует эквивалент нагрузки АС для измерения искажений?
Наверняка такой режим намного труднее для любого УНЧ.

---------- Сообщение добавлено 00:17 ---------- Предыдущее сообщение было 00:11 ----------

http://www.google.ru/search?q=%D1%8D...L4olM:&spf=152

---------- Сообщение добавлено 00:40 ---------- Предыдущее сообщение было 00:17 ----------

https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=59207

[bukvarev]

Наверняка такой режим намного труднее для любого УНЧ.

Это актуально на НЧ.
Обычно измеряют Кr и IMD на частотах от 400 Гц.

Для сабжевого способа - да, должно измеряться лучше. Но я обычно использую реальную АС (в лаборатории можно "погреметь" поздно вечером), а также пробовал использовать микрофон.
Использование реальной АС должно быть для усилителя еще труднее (хотя, конечно, много зависит от самой АС и уровня выходной мощности).

[MAXIM_A]

Это актуально на НЧ.
Обычно измеряют Кr и IMD на частотах от 400 Гц.

Может, тогда сделать реальный, близкий к натуре.
Использовать кроссовер, а динамики заменить на резисторы.

[Sergo_PnL]

а динамики заменить на резисторы.

+ индуктивность на НЧ - не везде есть цепь Цобеля, а если есть в фильтре, то ее нужно компенсировать обратно )

[Бока]

У колонок на несколько полос обычно минимум импеданса примерно герцах на 200- 250, можно взять нагрузку не 4- 8 ом, а меньше, скажем, 3 ома и 6 ом. будет ближе к реальности.
Колонка в качестве нагрузки- дело во многом полезное, и слышно всё, что не так. И когда начинаешь вваливать мощи на частоте герц 300, сразу слышно, как чистый ясный звук меняется на мутный с ростом искажений. И оказывается, что вместо обещаных 25 ватт- чистых имеем ватт 10-12. а дальше плавно начинаются искажения.

[Игорь Гапонов]

И оказывается, что вместо обещаных 25 ватт- чистых имеем ватт 10-12. а дальше плавно начинаются искажения.

Уже на 1% номинальной мощи (честный эрэмэс реального сигнала) НИ "полного тракта" (микрофоном), измеренные сабжевым методом, достигают 1% "интегрально". А при 10%-моще даже боюсь представить .

[bukvarev]

По предложению ИГВИНа, в первый пост под кат добавил переписку Евгения ака Teoretic с Игорем Виноградским ака ИГВИН.
Диалог собрал воедино Teoretic.

[ИГВИН]

Диалог собрал воедино Teoretic.

И он же отвечал на мои любопытные вопросы, за что ему большое спасибо.
Получился сжатый и понятный диалог.

[Sergo_PnL]

Спасибо. К разговору можно добавить, что можно и нужно для любого АЦП-ЦАП создать файл коррекции, измерив только сам измерительный тракт и в дальнейшем применять коррекцию, вычетая результат.

Если развивать мысль, то такую коррекцию можно создавать и использовать для всего тракта. Вопрос только в том - насколько данные по нелинейным искажениям будут повторяемы.

[bukvarev]

разговору можно добавить, что можно и нужно для любого АЦП-ЦАП создать файл коррекции, измерив только сам измерительный тракт и в дальнейшем применять коррекцию, вычетая результат.

Если развивать мысль, то такую коррекцию можно создавать и использовать для всего тракта. Вопрос только в том - насколько данные по нелинейным искажениям будут повторяемы.

При измерении достаточно линейных устройств (ОООСные УНЧ, масштабные усилители), в основном мешает джиттер ЦАП и АЦП. У большинства звуковых карт мощность НИ, вызванных джиттером оказывается в пределах -80..-95 дБ. Поэтому, кмк, в первую очередь лучше обеспечить максимально качественное тактирование в измерительной системе.

Для акустических же измерений оказывается вполне достаточно и промышленных звуковых карточек, т.к. величина НИ полного тракта оказывается в пределах -30..-70 дБ.