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]

Чувствительность можно повысить добавив коррелированный шум по уровню на несколько децибел выше не коррелированного шума.

Мне не известен такой способ повышения чувствительности в случае линейного приемника (очень линейного, как современные "звуковые" АЦП). Однако, в случае приемника с нелинейной ААХ (например, квантизованной или имеющей явно выраженный участок с минимальным усилением), добавление ко входному сигналу шума специального вида, позволяет линеаризовать приемный тракт. Этот добавленный шум необходимо после преобразования вычесть. Такие способы используются в серийных АЦП.

bukvarev, а не было мыслей использовать ваши тестовые сигналы не для железа, а в любом симуляторе, позволяющем подать на вход симулируемой схемы внешний файл? Это интересно с точки зрения корреляции со стандартными спектральными методами.

В математической модели мне не удалось в полной мере смоделировать поведение реального усилителя. Она оказалась слишком грубой. Это было представлено в ветке https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=70352.
В симуляторе же (MC, EWB) мне видится целесообразной проверка схемы лишь на режимы транзисторов, температурную стабильность, и.т.д. Но искажения, возникающие в динамике, представленные в статье, модель вряд ли покажет. А вот влияние "живых" транзисторов, конструкции, "проводочков", нагрузки сейчас лично для меня оценить стало намного проще. Берем файл, ссылка на который есть в статье, собираем делитель для звуковухи, записываем с помощью ASIO драйвера, пара минут обработки в Матлабе - и вуаля .

Поэтому, после общения с коллегами, было решено запустить лабораторные работы. Те аппараты, которые представлены в статье, мы обязательно обмерим на 19+20. Найдем еще данных (может, кто-нибудь запишет свои карты, аппараты). Появится более точная статистика. Можно будет сделать вывод. Пока - на примере карты JULI (см. статью и https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post2100919), предложенный способ выявляет то, против чего измерение Kr оказалось бессильно.

[wert]

Мне не известен такой способ повышения чувствительности в случае линейного приемника (очень линейного, как современные "звуковые" АЦП). Однако, в случае приемника с нелинейной ААХ (например, квантизованной или имеющей явно выраженный участок с минимальным усилением), добавление ко входному сигналу шума специального вида, позволяет линеаризовать приемный тракт.

Мне тоже не известен, но я таким пользуюсь.
Попробуйте применить в вашей измерительной схеме, шум нужен низкочастотный, интересен результат.

[Orion33]

bukvarev,
Евгений, нет ли в планах сделать исполняемый файл с данным алгоритмом? Могу посоучаствовать в этом вопросе на LabVIEW

[Костя Мусатов]

Упустил эту ветку, а зря. Почитал и саму статью и ссылки, на которые она опирается. Очень интересно и, похоже, продуктивно.
Думаю, что стоило бы сделать некоторый тестовый непереодический сигнал, состоящий из большого шумоподобного набора вэвлетов с разной опорной частотой и ширинами так, что бы при действии каждого из них было бы минимальное маскирование искажений, но были бы разные сочетания наложений что бы собрать максимальную статистику в ограниченном временном окне. Конечно хорошо пускать музыку, но она, как мне кажется, обладает слишком большой автокорреляцией и малым распределением статистики.

[bukvarev]

Евгений, нет ли в планах сделать исполняемый файл с данным алгоритмом? Могу посоучаствовать в этом вопросе на LabVIEW

Есть, в планах:
1. редакция статьи (учет неточностей, стилистика, более детальное описание экспериментов, и.т.д.),
2. Определиться с критериями качества (на данный момент все авторы сошлись на мнении, что критерий «относительной ошибки» не очень удачен, и желательно в этом направлении поработать),
3. Выкладка в ИНЕТ рабочей модели в Матлабе (уже с синхронизацией, автообработкой и.т.д) и обновленного тестового файла,
4. По результатам тестирования этой модельки создать свободно распространяемую утилитку для тестирования аппаратуры.

Но пока в эти планы вмешались различные обстоятельства, поэтому пока некоторый таймаут.. Как только выйду из режима "read only", так сразу .

Думаю, что стоило бы сделать некоторый тестовый непереодический сигнал

Да, вопрос универсального синтетического теста тоже актуален и периодически обсуждается. Несомненным плюсом такого сигнала может быть некая "стандартизация" теста..

[Ломатель]

Есть, в планах:
1. редакция статьи (учет неточностей, стилистика, более детальное описание экспериментов, и.т.д.),
2. Определиться с критериями качества (на данный момент все авторы сошлись на мнении, что критерий «относительной ошибки» не очень удачен, и желательно в этом направлении поработать),
3. Выкладка в ИНЕТ рабочей модели в Матлабе (уже с синхронизацией, автообработкой и.т.д) и обновленного тестового файла,
4. По результатам тестирования этой модельки создать свободно распространяемую утилитку для тестирования аппаратуры.

Аудио сообщество с нетерпением ожидает!

[Orion33]

В статье была фраза, что метод может применяться для любого тестового сигнала. Хотелось бы, чтоб у юзера при наличии "заводских" шаблонов была бы возможность самому добавлять этот любой сигнал

[Игорь Гапонов]

Ну, для продвинутого юзера вся метОда открыта - любой реальный файл имеет своё преобразование Гильберта (GT). Дело только в удобстве, так сказать, морды интерфейса, и чтобы GT и вычисление разности/меры лёгким движением страждущей руки выполнялись с достаточной точностью. Вот Евгений этот подвиг и совершает -

...рабочей модели в Матлабе (уже с синхронизацией, автообработкой и.т.д)....

Причём, ключевые моменты алгоритма будут предельно прозрачными и в прямом смысле зазывающими к модификациям и усовершенствованиям

[alex_63]

Измерения усилителя
http://www.musatoff....easurements.htm

Чем сделано?
Как проводить обработку?

• 0

• Ответить с цитатой
• Цитата+
• Изменить
• 
  
  

[Костя Мусатов]

Измерения проводил с помощью доработанной карточки Waveterminal 192X. Обработка в SpectraPlus.

[alex_63]

Можно где то прочитать как анализировать рисунки спектрограмм?

[MAXIM_A]

Можно где то прочитать как анализировать рисунки спектрограмм?

А ещё лучше сделать перевод SpektraPlus

[Игорь Гапонов]

После согласования с Евгением публикую редакцию обоснования способа селекции НИ по сабжу в обозначениях, не совсем совпадающих с публикацией текущей версии статьи в топике.

Обоснование способа.

Скрытый текст

В данном обосновании способа шумы, помехи, искажения в источнике тестового сигнала и регистраторе не принимаются в расчет. Этот вопрос заслуживает отдельного рассмотрения.



Предполагается верной аддитивная модель искажений сигнала объектом с однозначной реакцией (однозначным откликом) на входное воздействие:



S(t)=L{s(t)}+N{s(t)}+a(t) , (1)
где
S(t) — сигнал на выходе тракта/канала, или реакция объекта на сигнал s(t);
t- переменная времени;
L{*} – линейный оператор тракта/канала, или оператор линейных искажений объекта;
N{*} – нелинейный оператор тракта/канала, или оператор нелинейных искажений объекта;
a(t) – аддитивные шумы и помехи тракта/канала/объекта, сопровождающие сигнал s(t).



Аналогично определяется



S_h(t)=L{sh(t)}+N{sh(t)}+b(t) , (2)
где
S_h(t) – реакция объекта на ортогональное дополнение исходного сигнала sh(t)=H{s(t)};
H{*} - преобразование Гильберта;
b(t) - аддитивные шумы и помехи тракта/канала/объекта, сопровождающие сигнал sh(t).



По условию предлагаемого способа к (1) применяется преобразование Гильберта:



H{S(t)}=H{L{s(t)}+N{s(t)}+a(t)}=H{L{s(t)}}+H{N{s(t)}}+H{a(t)};



т.к. последовательность применения линейных операторов (в данном случае H{*} и L{*}) можно изменять, а sh(t)=H{s(t)},

то



H{L{s(t)}}=L{H{s(t)}}=L{sh(t)},

и



H{S(t)}=L{sh(t)}+H{N{s(t)}}+H{a(t)}. (3)



По условию предлагаемого способа находится разность Sd(t) между (3) и (2)



Sd(t)=H{S(t)}-S_h(t)=L{sh(t)}+H{N{s(t)}}+H{a(t)}-L{sh(t)}-N{sh(t)}-b(t)=

=H{N{s(t)}}-N{H{s(t)}}+H{a(t)}-b(t).



Последняя сумма не содержит компонент с линейными искажениями и состоит из нелинейной Nd(t)=H{N{s(t)}}-N{H{s(t)}} и шумовой c(t)=H{a(t)}-b(t) компонент, т.е.



Sd(t)=Nd(t)+c(t)



Отсутствие нелинейных искажений означает, что

N{x(t)}=0,

где

x(t)- любой сигнал.

Тогда

Nd(t)= H{N{s(t)}}-N{H{s(t)}}= H{0}-0=0

и

Sd(t)=c(t)

содержит только аддитивную шумовую компоненту.

Это в свою очередь означает ограничение шумами объекта точности оценки нижнего порога НИ.

[свернуть]

[SAS-M]

Для удобства чтения хорошо бы применить ещё в некоторых местах и квадратные скобки, если их присутствие не нарушит замысел авторов.

[Игорь Гапонов]

Нельзя из соображений корректности (синтаксис такой). Операторная связь и функциональная связь между переменными величинами, которые в данном обосновании обозначают фигурные и круглые скобки - это, с одной стороны не одно и то же, а с другой и не скобки "последовательности действий" в алгебраических выражениях. Поэтому приходится в сложной функциональной связи и в сложной операторной связи применять неограниченное число одинаковых скобок или вводить промежуточные переменные.

[Orion33]

Offтопик:
В последующей редакции примените, пожалуйста, водяной знак скромнее, а то мешает читать. Приходится снимать якобы защиту с вашего ПДФ и удалять

[SAS-M]

Нельзя из соображений корректности (синтаксис такой).

Я имел в виду сделать фигурные и квадратные скобки с рАвными правами и обязанностями (может, отдельно это указать), но чтобы их совместное сочетание было просто более удобно читаемым.
Либо промежутки между фигурными увеличить...

[Ясен Пень]

Евгений, Игорь, Александр и Андрей (авторы вложенного в ТС документа) - большое спасибо за информацию и проделанную работу!

PS. Если при тестировании использовать одинаковые уровни вх/вых сигналов/нагрузок, то наверно можно было бы напрямую ранжировать разные DUT-ы по данной методике.

[Игорь Гапонов]

Я имел в виду сделать фигурные и квадратные скобки с рАвными правами и обязанностями (может, отдельно это указать), но чтобы их совместное сочетание было просто более удобно читаемым.
Либо промежутки между фигурными увеличить...

Я сразу понял о чём Вы (самому пришлось из-за ряби в глазах стирать и добавлять пропущенные скобки). Выход есть конечно, но в работах по математике/физике чего-то такое не встречал. Расцветить . Зелёный - мой любимый.

...

PS. Если при тестировании использовать одинаковые уровни вх/вых сигналов/нагрузок, то наверно можно было бы напрямую ранжировать разные DUT-ы по данной методике.

Модернизации приветствуются.

1. Что такое "DUT-ы"?
2. И чуток подробнее, типа, блок схему, хотя бы словами, с операциями.

И почему бы Вам самостоятельно на собственных сигналах и девайсах (ЗК, УМы, АСы хотя бы на клеммах) не попробовать или данную методику или модернизацию? Преобразование Гильберта, вроде, не секретное.

Если, что увидим подводное в Вашем варианте установки/методе, обязательно укажем.

[pryanic]

Что такое "DUT-ы"?

Device under test