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

[Semigor]

Не знаю, связано ли это с тепловыми искажениями, но большие кристаллы всегда играют лучше, чем маленькие. Этот вывод основан на анализе звука транзисторов одного типа, но разных годов выпуска. Как правило, и отечественные и зарубежные производители со временем уменьшают площадь кристалла, не меняя при этом название типа прибора. Это всегда приводит к ухудшению звуковых качеств.

[bondar100]

Offтопик:
Я очень извиняюсь, что вмешиваюсь в дискуссию. Правильно ли мне кажется, что транзистор в классе А будет иметь меньшую температурную модуляцию по сравнению с работой в режиме отсечки?

---------- Сообщение добавлено 20:35 ---------- Предыдущее сообщение было 20:32 ----------

Offтопик:

большие кристаллы всегда играют лучше, чем маленькие.

Получается, что лучше параллелить транзисторы там, где возможно. Тем самым увеличивая суммарную площадь кристаллов.

[Сергей Гапоненко]

Очень интересные сведения про уменьшение площади в новых транзисторах по сравнению со старыми! Получается, надо искать тр-ры первых выпусков! Т.е. из старых аппаратов вынимать.
А некоторые думают, что малая площадь тр-ров - признак подделки.

Осмелюсь заметить, что параллельное включение выходных транзисторов - это не только увеличение площади, но и обычно добавление резисторов в эмиттерные цепи. Многие не рекомендуют этого делать в высококачественных системах.

Возможно, в классе А параллельное включение тр-ров будет эффективно, в том смысле что л включение можно с большей точностью свести к увеличению площади. Но в классе А и тепловые искажения не так сильны, ведь через транзистор идет все время большой ток.

[Валет]

Это всегда приводит к ухудшению звуковых качеств.

Поясните, плз, что это такое - звуковые качества. Как и какими единицами они измеряются? Ведь в названии ветки фигурирует слово "измерение"

---------- Сообщение добавлено 20:51 ---------- Предыдущее сообщение было 20:47 ----------

Но в классе А и тепловые искажения не так сильны, ведь через транзистор идет все время большой ток.

Но этот ток может изменяться от нуля и до двойного тока покоя

[Semigor]

Насчет параллельного соединения транзисторов, ( и вообще деталей) - чисто субъективное впечатление: это приводит к нарушению целостности звуковой картинки. Но, если запараллеленных деталей очень много, фокусировка восстанавливается. (Однако, на мой вслух, единственный путь сигнала предпочтительней).

Поясните, плз, что это такое - звуковые качества. Как и какими единицами они измеряются?

Тут все сугубо индивидуально, я измеряю в СИ, (СемИгорах).

[bondar100]

Offтопик:

Но, если запараллеленных деталей очень много, фокусировка восстанавливается.

Интересно. Видимо, статистическое усреднение. Наверное, количество "очень много" еще должно зависеть от разброса параметров в рабочих режимах. Чем лучше подбор, тем меньше нужно "очень много" - я правильно понимаю? Есть такая корреляция?

---------- Сообщение добавлено 21:33 ---------- Предыдущее сообщение было 21:29 ----------

Offтопик:

Но этот ток может изменяться от нуля и до двойного тока покоя

И все-таки это меньше, чем остывание в течение пол периода. Кроме этого, положительно на звуке должно сказываться малая температурная болтанка на малых сигналах. То есть, хороший звук на малых сигналах - повышает качество субъективного восприятия музыкального материала в целом.

[Semigor]

Offтопик:
bondar100, вполне возможно, я этот эффект детально не исследовал, поскольку один путь для моего слуха все же предпочтительней.

[bukvarev]

То, что сейчас делает Михаил с тональным импульсом - очень интересно. В шапке разместил ссылку на его тему. Там есть, что почитать.
Только метод двенадцати ординат может быть неточным.
Есть вариант отфильтровать/скомпенсировать несущую импульса, а гармоники комплексными гетеродинами сместить на нулевую частоту, и фильтровать по простому. Отклонения амплитуды и фазы легко могут быть выделены в динамике.
Если Михаил не против, я тоже попробую поставить "лабораторку", благо, пока установка "под парами" стоит.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Созрела мысль..
Как вылавливать незначительные изменения АФЧХ? Длинный тестовый сигнал позволяет оценить осредненный импульсный отклик тракта.
С ним сворачиваем образцовый сигнал, вычитаем из принятого сигнала.
По этому у принципу у меня реализована "реинкарнация метода Баксандалла" с использованием синтетического теста или музыкального фрагмента:

Фактически, в таком разностном файле оставались все шумы, продукты нелинейных искажений и все, что может быть еще "нестационарного".

В реальных записях с усилителя получались разностные файлы -90 дБ, с микрофона удавалось доводить разностный файл до уровня -60 дБ (оставались практически искажения и шумы помещения). Т.е. АЧХ даже АС достаточно стабильна.
Проблема дальнейшего повышения точности лежала в области недостаточно качественного тактирования используемой звуковухи. Делать свой комплекс для измерений было некогда, тогда я все это забросил. Но несколько оценок сделать удалось.

Собственно, мысль..
Можно ли по схожему принципу поступить для определения нелинейных искажений в динамике, предисказив (скомпенсировав) те, что и так известны? Как вариант, измерив статическую ААХ, или спрогнозировав статическую нелинейность на основе Кг.
Тогда можно частично "спрямить" статическую ААХ, и дополнительно уменьшить вклад, вносимый статичными компонентами в разностный файл.
Может получиться повышение контрастности вылова "нестационарных сущностей".

Или просто скомпенсировать нелинейность, а наблюдать за сигналом в "дырках", без получения разностного файла.

[Валет]

я измеряю в СИ, (СемИгорах).

это приводит к нарушению целостности звуковой картинки.

Насколько, если в СИ?

[Сергей Гапоненко]

Сообщение от Semigor
Но, если запараллеленных деталей очень много, фокусировка восстанавливается.

Вот это о-о-чень интересное наблюдение!

Есть сообщения о хороших усилителях на что-то вроде 20 запараллеленных скоростных буферах. Что-то вроде перехода от моножилы к литцентрату, только для активных элементов? Большое число параллельных приборов усредняет шумы, но так ли это важно для ВК?

[bukvarev]

Есть сообщения о хороших усилителях на что-то вроде 20 запараллеленных скоростных буферах.

Современный мощный транзистор - уже такая структура. Где-то фотки 2Т908 есть. Но несколько транзисторов - лучше.

Offтопик:
Лично мне такая структура (много параллельных и различающихся элементов) очень нравится, поскольку она естественна. Есть проект безОООСного ЦАПа на 128 независимых каналах и суммированием по напряжению. Обещает быть классным, как по математике, так и по идеологии. Но не знаю, доберусь ли до воплощения его в железе

[Alex]

Насчет параллельного соединения транзисторов, ( и вообще деталей) - чисто субъективное впечатление: это приводит к нарушению целостности звуковой картинки. Но, если запараллеленных деталей очень много, фокусировка восстанавливается. (Однако, на мой вслух, единственный путь сигнала предпочтительней).

Т.е. мощные полевики - не для тебя?

[Medan]

Вообще, то возникает закономерный вопрос - в каком именно каскаде тепловые искажения более всего "гадят"?
Мне кажется, что это УН.

https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=72049&page=24
почитайте сообщение 465, только внимательней, и по поводу 200-300 герц.

[shura1959]

Сложность заключается в измерении ТЧП непосредственно после прерывания греющего тока. Даже для кристаллов размером 12мм*12мм счет идет на микросекунды.

Моё предложение с ЗК, возможно, сгодится для сравнения приборов между собой, если конечно хватит разрешения. Градуировать по температуре не обязательно, достаточно будет посмотреть динамику.

[Игорь Гапонов]

Offтопик:
Я очень извиняюсь, что вмешиваюсь в дискуссию. Правильно ли мне кажется, что транзистор в классе А будет иметь меньшую температурную модуляцию по сравнению с работой в режиме отсечки?

Вообще-то, В и А мало отличаются по девиации мгновенной мощности на отдельных активных элементах (предельный кпд "А"-50%, предельный "В" - 78%). Однако, интересно, что сумма мгновенных мощностей на активных элементах плеч двухтактной/мостовой схемы именно в "А" постоянна с точностью до симметричности и чётных порядков нелинейности плеч (симметричные ААХ и одинаковые плечи => чётные нелинейности=0). Т.е. надо приближать в тепловом смысле кристаллы плеч друг к другу. Это главная фишка однокорпусного исполнения пары для дифф.каскадов. Но вот чтоб мощные спаривали шото не припомню. Интересно, что в микробном исполнении УМ это должно какгбэ на автомате быть, но опять же не припомню, чтобы какой-то микроб УМ с Pвых.>4W в классе А работал (для "В" и "АВ" девиация мгновенной суммарной мощности определяется чётными нелинейностями плеч, которые просто огромны по сравнению с "А") .

---------- Сообщение добавлено 00:56 ---------- Предыдущее сообщение было 00:17 ----------

Offтопик:

Я не про исследования, а про хныкания, что в патентовании обогнали в частности и про врожденную одесскую скромность в целом. Попов вот именно ими занимался и не хныкал.

Offтопик:

Скрытый текст

Покойный Лихницкий тоже "неверил" во всех этих переферийных семёновых и гапоновых и почему-то постоянно нервничал при их упоминании третьими лицами (Семигор не даст соврать, или архивы на хральцовском форуме, если они ещё живы). Это, похоже, характерно для некоторой соц. прослойки города героя (учился я там в ЛЭТИ по соседству с тем самым ВНИИРПА им. Попова, совершенно случайно). И похоже, что ноешь как раз ты, ориончик. Читай мой исходник, там есть про моё отношение за эти ваши приоритеты с патентами.

[свернуть]

[Rondo]

Это главная фишка однокорпусного исполнения пары для дифф.каскадов

Но вот чтоб мощные спаривали шото не припомню

Для диффа они одной структуры,а так в одном корпусе полевики с N и P каналами есть для выходного каскада ALF08NP16V5 например.

[Игорь Гапонов]

Тут Вы явно больше меня знаете (знаю, что в микрухах катодных модуляторов кинескопов такое есть на биполярах, но "штатный режим" там В). Осталось найти биполярный/полевой мост с соответствующими структурами плеч с быстрым, отвязанным от всего остального датчиком температуры подложки. Или таки есть? (может шото с цмос ключами мощными имеется?)

[Semigor]

Offтопик:

Т.е. мощные полевики - не для тебя?

Увы

[Ломатель]

Быстрый датчик температуры кристалла - утопия. Ближайшая альтернатива - кристалл со встроенным в самый центр диодом/резистором, используемым для измерения температуры.
Но это большая экзотика даже среди приборов силовой электроники.

[Nota Bene]

Быстрый датчик температуры кристалла - утопия.

Даже если бы он был, то пользы в нем было бы мало. Есть такая статья о Memory Distortion , там в моделях температурная эквивалентная схема имеет несколько постоянных времени (тау), от п/п кристалла к подложке, от подложки к теплоотводу. А я бы еще добавил одну постоянную времени (весьма небольшую) от собственно PN-перехода к кристаллу.

Notice G1, a current source whose value is proportional to the power dissipated in Q1 (Vce*Ie), and the various caps and resistor that model the thermalcapacitances and resistances of the transistor package and heatsink. Notice also E1, which models the Vbe variations of -2 mV/Celsius.