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

[Игорь Гапонов]

Device under test

Понял.

Нет, по росту построить сразу не получится. Разве, что интегральный эрэмсэ-уровень продуктов НИ может заметно измениться и не в пользу некоторых конструкций. Пока базы измерений и её корреляции с впечатлениями нет.

Но вот это

...использовать одинаковые уровни вх/вых сигналов/нагрузок,

не пойму чего-то.

[bukvarev]

Пока модель до конца не дописана, тем, у кого есть желание проверить свой тракт, предлагаю такой порядок действий:

1. Взять по ссылке тестовый файл:
https://drive.google.com/file/d/0B0_...ew?usp=sharing

2. Пропустить его через свою звуковую карту и тракт.
Запись/воспроизведение должны быть с ASIO, без ресемплинга, 24-32 битной точностью. Пиковый уровень лучше сделать -10..-6 дБ.

3. Результат выложить в виде ссылки на облачный диск, я смогу этот файл обработать и показать результаты (необязательно на форуме, можно - через личку).

Модель пока в таком состоянии (не дописана и не отлажена):
https://drive.google.com/folderview?...m8&usp=sharing
Секция "% модуль формирования тестового сигнала" позволяет синтезировать собственный тестовый файл из произвольного фрагмента (в примере - "TST_48.wav"). Длительность фрагмента желательно иметь небольшой, порядка 100000 сэмплов (в примере - 128263 сэмпла, эта длина соответствует максимально быстрой обработке в модели).
Секция формирует два файла - моно и 8-ми канальный (для тех, кто сможет использовать параллельно 8 каналов звуковухи для улучшения линейности и динамического диапазона).

Секция "% модуль обработки записанного сигнала" - это сама обработка,
так что можете попробовать результат обработать самостоятельно. Для этого в строке №46 ввести имя записанного файла. Лучше, если записанный файл будет моно. Если же он будет стерео, то программа автоматически суммирует данные каналов.
[in_name] = *ИМЯ_ЗАПИСАННОГО_ФАЙЛА_без_расширения*;


Пока подробных комментариев к модели дать не смогу. Как только выйду из аврала, продолжу работу над проектом .

! oops ! Добавил в папку вспомогательные файлы "marker_synthez.m и window_fft.m". Без них нельзя..

[Endl]

Просто замечательная идея анализа тракта. Поигрался с выше прикрепленным маткадовским проектом. Система - SPDIF Juli@ -> DAC 9018(китаец, еще не доработанный) -> Line in Juli@
Провел два замера, выход коаксиальный и оптика, по тестам RMAA все абсолютно идентично, ни чего не меняется:


А вот если прогнать через маткад (запись и воспроизведение Adobe Audition ASIO), проявляется вот такое безобразие:
1) Оптика


2) Коаксиальный


ВЧ всплески явно от spdif джульки , другой внешний цап с приемником WM8055 аналогичные проблемы

[romanrex]

Просто замечательная идея анализа тракта. Поигрался с выше прикрепленным маткадовским проектом. Система - SPDIF Juli@ -> DAC 9018(китаец, еще не доработанный) -> Line in Juli@
Провел два замера, выход коаксиальный и оптика, по тестам RMAA все абсолютно идентично, ни чего не меняется:


А вот если прогнать через маткад (запись и воспроизведение Adobe Audition ASIO), проявляется вот такое безобразие:
1) Оптика


2) Коаксиальный


ВЧ всплески явно от spdif джульки , другой внешний цап с приемником WM8055 аналогичные проблемы

Не слишком корректное сравнение при демонстрации итоговых чисел RMAA, вместо спектров с:
1. шумовой полкой
2. увеличенные масштабы для одниночных тонов

Возможно просто разница в разном джиттере, но это не смотрится по итоговым цифрам в таблице.

[bukvarev]

Поигрался с выше прикрепленным маткадовским проектом.

Похоже, Вы - первый, кто воспользовался выложенной моделью . По меньшей мере, это показывает возможность повторения эксперимента. Также интересно использование Adobe Audition.
Я использовал Album player для воспроизведения и Sound Forge для записи. Попробую использовать также и эту программу. Возможно, точность записи возрастет.
Что касается качества вычитания сигнала и выявления нестабильностей частоты опорного генератора звуковухи, рекомендую прослушивать файл разностного сигнала, который модель генерирует при выполнении.

Сейчас работаю над совершенствованием модели, и в ближайшее время планирую ее обновить. Какие там изменения:
1. Изменен алгоритм коррекции задержки при различных частотах сэмплирования генератора и приемника (стало значительно точнее, т.к. использован метод наименьших квадратов).
2. Введены оценки отношения мощностей искажений и тестового фрагмента, распределение мощности искажений во времени, по частотам. Старый критерий относительных искажений ликвидирован, "трехмерка" - осталась.
3. В начале и конце тестового фрагмента введены защитные интервалы. Начало и конец тестового фрагмента обработаны весовыми окнами. В результате интегральная модельная точность увеличилась до ~150 дБ:


Поэкспериментировал с "виртуальными" искажениями.
Вот пример сравнения трех ресемпреров с 48 на 44.1 кГц. Все настройки - с максимально возможным качеством:
1. Встроенный в Sound Forge. FIND (frequency independent nonlinear distortion), dB: -104

2. Встроенный в Cool Edit pro. FIND (frequency independent nonlinear distortion), dB: -142

3. Ресемплер iZotope-64. FIND (frequency independent nonlinear distortion), dB: -150

Все исходные и сохраняемые после обработки файлы были с плавающей точкой, 32 бита. Видно, что качество выходного сигнала - различно. ИЗотоп - "рулит" .
В "цифре" нормально написанные ресемплеры дают малые искажения. Но видимо, не все ресемплеры одинаково полезны .


А "на столе" пока все хуже..
При обработке сигнала со своей звуковухи (ASUS D2X) пока не удалось получить отношения мощностей искажений и тестового фрагмента лучше, чем -87 дБ:

Причина - в нелинейности, вызванной качеством опорного генератора, нелинейностью ЦАП + АЦП (порядка -105 дБ по второй гармонике на 1 кГц).

Интересно вывести на одном графике зависимость мощности нелинейных искажений относительно мощности тестового фрагмента, но пока такого графика не строил. Собираюсь..
Вот, набросал для ASUS D2X :

Карта неточно воспроизводит и записывает участки тестового файла, в которых содержатся широкополосные "синтезаторные" звуки, похожие на свип - тон.

В общем, повылавливаю косяки, подключу анализ шумовой полки, обкатаю в железе и выложу модель..

[Rova]

Для звука, в отличии от спектра синуса - нормальный адекватный инструмент. По крайней мере он способен подтвердить или опровергнуть гипотезы и тезисы ветки об "амплитудных искажениях...".

[t2v2]

bukvarev
копия вашего тестового файла - https://yadi.sk/d/M46pS03uqDYL9
Album player + A Audition, ASUS D2 mod = i-u на резисторе 51 Ом + ina103 - https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post2185583

[bukvarev]

копия вашего тестового файла - https://yadi.sk/d/M46pS03uqDYL9

Результат: https://drive.google.com/folderview?id=0B0_v8MFWHsMJTl9FVTNyQVRYSWM&usp=sharing


КМК, результат очень даже
Жаль, не смог проанализировать шумовой профиль. В том тестовом файле мало места вначале. Возможно, в некоторых местах искажения ограничены шумом.

[t2v2]

Большое Спасибо!
Буду разбираться.

ps
из моей коллекции измерений

[Sergo_PnL]

Очень интересно! Ждем инструмент.
Включать в цепь АС с помещением - хорошая идея, но всегда будет интересно иметь возможность контроля как любой отдельной части тракта так и любое их сочетание - для исследования наиболее узких мест при взаимодействии одной части тракта с другой.

[t2v2]

Уменьшил частоту среза НЧ в АЦП, - копия 2 вашего тестового файла - https://yadi.sk/d/0FJqlDkDqFi8U



С наилучшими пожеланиями, Владимир

[bukvarev]

Включать в цепь АС с помещением

У меня имеется ECM8000 и самопальный преамп на SSM2019. Конечно, не хайтек, но для начала, думаю, подойдет. Как только доведу модель и доработаю измериловку, попробую колонки .
А по остальному - да. Например, берете СD проигрыватель, он воспроизводит тестовый файл, а АЦП цепляете в любое место системы. Да хоть айфоном записать .
Предлагаемый способ пока позиционирую не как "измерительный", а как оценочный. Например, видно, в каком диапазоне частот в тракте наиболее сильные искажения, или как искажения по времени связаны с сигналом. Какое качество тактовых генераторов. А еще очень хорошей фишкой считаю, что этим способом сразу выявляется качество работы драйвера звуковой карты и программного плейера.

[Sergo_PnL]

ECM8000 - вполне приличный измерительный микрофон. Здесь в другом дело - если оценивать весь тракт, то практически все искажения будут на АС и комнате, хотя характер и точность звука будет зависеть и от прочих частей тракта п, главное, от их сочетаемости, например, усил + ас, а может и + провода. Здесь открывается целое поле для достаточно объективной оценки разных аудиофильских болячек, часть из которых в некоторых случаях имеет место быть. Или не быть - тоже покажет.

[bukvarev]

Уменьшил частоту среза НЧ в АЦП, - копия 2 вашего тестового файла

Результаты - в архиве. Ссылка прежняя: https://drive.google.com/folderview?...WM&usp=sharing


1. Теперь есть уровень шума относительно 0 дБ и среднее отношение с/ш для фрагмента. В среднем, искажения - под шумом. В пике - см. t2v2-2_time.
2. Устранил ошибку вычисления мощности сигнала (верхний график на t2v2-2_time).
4. По искажениям - в основном верхняя середина (3 КГц) и самый низ.
3. Самый низ все равно "дышит". Может, включен встроенный цифровой ФВЧ в АЦП? Вообще, у меня в последнее время складывается устойчивое мнение, что "низ" - одна из самых труднореализуемых частей аудиотракта.
Возможно, в модели еще есть косяки. Например, мне не нравится скачок уровня искажений ниже 200 Гц в t2v2-2_freq. Попробую другой тестовый файл. Поотлаживаю. На поверхностях лучше пока формально смотреть выше 20 Гц, хотя это не совсем честно .

ЗЫ. Перезалил t2v2-2_freq. Стало намного ближе к истине. (Изменил способ сглаживания перед выводом на график. Теперь там - скользящее окно переменной длины.)

[t2v2]

Евгений, CПАСИБО!

Самый низ все равно "дышит"

Буду разбираться.

С наилучшими пожеланиями, Владимир

[Audiomaniac]

Offтопик:
очень рад конечно что спустя почти 10 лет после того как я впервые задал здесь проклятый вопрос "почему меряется хорошо, а играет плохо?" кто-то стал копать дальше
может даже чего и накопают.. хотя сомнитльно

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

В пдф, конечно, не хватает традиционных спектров КНИ/ИМД на синусе у испытуемых усилителей. Возможно (и даже наверняка) на них разница между аппаратами была бы также видна отлично, и не надо ничего мудрить

Интерес представляет методика, которая позволяет увидеть разницу, которую не показывают традиционные спектральные методы, но которую отлично слышит УХО.
Остальное ерунда.
Ну то есть понятно, что какой-то там маршал отличается по звуку и по измерениям от ZD50, кто ж спорит. С этим ясно.
А вот УВИДЕТЬ, почему ZD50 в разном исполнении (хотя и на одних и тех же платах, с теми же измерениями на синусе, ничтожный КНИ), ЗВУЧИТ по-разному (от мерзко до хорошо) - вот это ЗАДАЧА.

[t2v2]

для разборок сделал две копии, стерео и моно - https://yadi.sk/d/uWid_AxqqHkC3



С наилучшими пожеланиями, Владимир

[bukvarev]

для разборок сделал две копии, стерео и моно

Прошу простить, в том тестовом файле обнаружился маленький скачок уровня между образцами, что ухудшало результат.
В то время синтез измерительного файла еще не был полностью автоматизирован, и envelope я делал вручную..
Вечерком думаю заменить этот тестовый файл, и выложить несколько дополнительных, а также функцию синтеза тестового файла. Она уже почти готова .

[Rova]

По моему вместо тестового музыкального фрагмента разумно использовать розовый шум. Он спектрально близок музыкальным композициям и вместе с тем лишен особенностей конкретных фонограмм.

[Sergo_PnL]

Вообще можно на разных тестовых файлах посмотреть насколько отличаются результаты оценки.