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

[Carter]

Просто, Вы о них не знаете. Тестируют, и очень немало мастеров.

И не только усилки, но и АС. Продажи и ассортимент измерительных микрофонов растут. Вот я недавно продал UMIK-1 и приобрел UMIK-2. С USB очень удобно - втыкай в любой утюг и измеряй. Другое дело, зачем тебе эти данные и что ты с ними будешь делать.

[VladimirV]

что ты с ними будешь делать.

Да много чего можно. Я вот случайно на медленном свипе с микрофоном и спектралабом увидел некратные, т.е. дробные гармоники! Сам бы не увидел на экране - не поверил бы, что такое бывает. Виноват был подвес полиуретановый диффузора, который и был заменен. А вот на слух - до такого допереть - не реально! Так что:"имеющий глаза - да увидит"! А зажмурившись ковыряться - не интересно.

[hippo64]

А вот на слух - до такого допереть - не реально! Так что:"имеющий глаза - да увидит"! А зажмурившись ковыряться - не интересно.

В этом и состоит сермяжная и посконная.
Лично я не измеряю на уровне -140дБ, ибо это уже далеко за возможностью слуха. Не настраиваю на слух, ибо это глупо и тупо. Истина она посередине.

ПыСы Коллеги, что ловят до -140 дБ вызывают у меня уважение, ибо то, что делают они повторяемо другими людьми , коллеги, что носятся со своими типа ушами, вызывают у меня сдержанный смех( и несдержанный ржач) в том случае, если они пытаются выдать свои звуковые и мозговые предпочтения за истину. Они находятся в плену своих иллюзий.
Пока они сидят в своей иллюзии в одиночестве - это их личное дело. Когда же им нужно поделиться с миром своими откровениями, это глупо и смешно до неловкости за больных людей.

[Ageres]

А вот хотелось бы взглянуть на примеры когда усилитель с большими имд звучал лучше усилителя с меньшими имд.
А то какая то недосказанность. Конкретные примеры- не помешали бы.

[hippo64]

Конкретные примеры- не помешали бы.

Но и не помогут. Вся тема зависимости мифического звучания от технических параметров - треп ни о чем. Почти ни о чем.

[Carter]

в том случае, если они пытаются выдать свои звуковые и мозговые предпочтения за истину. Они находятся в плену своих иллюзий.
Пока они сидят в своей иллюзии в одиночестве - это их личное дело. Когда же им нужно поделиться с миром своими откровениями, это глупо и смешно до неловкости за больных людей.

Не, ну нафиг. Сразу почему-то аналогии возникают. Как там говорят - всё это хорошо, только от этого дети не рождаются.

[VladimirV]

А то какая то недосказанность. Конкретные примеры- не помешали бы.

Я ж прямо указал, отчего это бывает. Какая ж тут недосказанность?
Можете сами сравнить УМ с очень глубокой ООС и медленной скоростью нарастания выхода с УМ с гораздо меньшей глубиной ООС, но очень скоростным выходом. IMD у первого будет намного меньше второго, а звучать на реальной музыке он будет хуже. И это всего лишь один пример, а есть и другие...
Вы просто невнимательно читаете ответы или не хотите усваивать написанное.

[Ageres]

Примеры. Хочу. Очень. Важно это или неважно. Что до имд. Из чего же они состоят? А состоят они ровно из двух частей. Разностный тон и т.н. юбка. Поэтому усилок с низкой разностной составляющей но большой "юбкой"(что говорит о низкой глубине оос на вч) может звучать не ахти. "Мутные высокие". Скорость нарастания напрямую тут может и не ролять.

[hippo64]

Примеры. Хочу. Очень.

Перехочется. Спасение утопающих дело рук самих утопающих. Вам пищу тоже жуют?

[VladimirV]

Что до имд. Из чего же они состоят? А состоят они ровно из двух частей. Разностный тон и т.н. юбка.

В любом случае IMD измеряются на стационарном сигнале, что исключает сравнение динамических свойств УМ. Т.е. априори IMD не может быть исчерпывающим показателем качества звучания. Я вроде как дважды это написал. Куда уж нагляднее пример!

[sia_2]

Примеры упираются в качество оцифровок. Субъективно разница заметна, и повторяемо, а на оцифровке - отличия явно ниже порогов слышимости. Это старая проблема.
Кроме того, есть ещё один момент. Небольшие искажения часто не воспринимаются как что-то нежелательное, скорее дают окрас. Так вот этот окрас - вполне может нравиться больше, чем его отсутствие. В свое время один из дизайнов, на который возлагала большие надежды одна немецкая фирма, не вызвал интереса именно из-за отсутствия "своего шарма", и при экспресс-прослушивании был менее выигрышным, чем более "грязный" вариант. Кончилось это тем, что дизайнер ушел из компании, но вынужден заниматься блютусными затычками и читерским DSP для них.

[hippo64]

Я вроде как дважды это написал. Куда уж нагляднее пример!

Offтопик:
Володь, коллега - самурай, цель для него ничто, путь всё. Только он неправильный самурай, ходить не хочет в пути. Ему сопровождающие почитатели нужны.Да и возникают эти обсуждения по пять раз в месяц, чукчи писатели, а не читатели.

[Carter]

что говорит о низкой глубине оос на вч

А если у того, другого Open Loop Gain выше?

[bukvarev]

Есть весьма неплохой тест по интермодам, который "квазистационарный".
Нужно подготовить звуковой файл длиной несколько десятков секунд, в левом канале которого частота медленно линейно увеличивается с, например, 14900 до 15100 Гц, а в правом - наоборот, уменьшается с 15100 до 14900 Гц. В середине такого файла частоты проходят через точку 15 кГц и на короткое время становятся равными. В результате частота биений плавно изменяется с 200 Гц, проходит через 0, и в конце теста опять достигает 200 Гц.
После сложить сигналы каналов звуковой карты на резисторах, пропустить через усилитель, а с нагрузки подать на АЦП через ФНЧ с частотой среза в пару кГц. Сигнал, само собой, записать. При анализе записи можно увидеть интермодуляцию усилителя при изменении частоты биений.

Вот пример, как это может выглядеть в аппарате с не очень высокими параметрами.
Верхний канал - вид тестового сигнала, нижний канал - после фильтрации и усиления.


А вот, например, более крупно участок с "пичками" в момент нуля частоты биений:


"Квазистационарность" состоит в том, что частота биений постоянно меняется, и элементы усилителя каждый раз проходят через одинаковое состояние через различные промежутки времени. Есть шанс, что можно попробовать выловить тепловые и другие медленно изменяющиеся параметры. Например, изменение DC на выходе при динамическом воздействии. Ну и, само собой, "подробно разглядеть" самую незаметную часть юбки под микроскопом.

[Ageres]

В любом случае IMD измеряются на стационарном сигнале, что исключает сравнение динамических свойств УМ. Т.е. априори IMD не может быть исчерпывающим показателем качества звучания. Я вроде как дважды это написал. Куда уж нагляднее пример!

Это всё разговоры в пользу бедных. Конкретных примеров стало быть не будет. Принято.

[VladimirV]

Это всё разговоры в пользу бедных.

Т.е. по существу - возразить нечего?
Тогда требование примеров очень напоминает:
https://www.youtube.com/watch?v=hv65s8sMHxk

[Ageres]

Т.е. по существу - возразить нечего?
Тогда требование примеров очень напоминает:
https://www.youtube.com/watch?v=hv65s8sMHxk

Зачем же мне некие возражения выдвигать? Вернее даже не так, чему возражать то? Набору общих фраз?
Примеров нет, схем- нет. Что тут скажешь, у некоторых получается.

[alexcp]

@VladimirV - говорить про "большую" или "малую" глубину ООС не совсем корректно, потому что непонятно, как эта глубина меняется с частотой. На примере ИМД: уровень продуктов интермодуляции зависит от "глубины ООС" (петелевого усиления, Loop Gain) на частоте конкретного продукта. К примеру, если измеряем ИМД 19+20кГц, то высота "палки" 1кГц на спектре зависит от петлевого усиления на 1кГц, на 18кГц - от петлевого усиления на 18кГц, и так далее.

Если петлевое усиление снижается с частотой, как в стандартном трехкаскадном усилителе с миллеровской коррекцией, то звук можно улучшить по давно известному рецепту:

1. Добавляем резисторы в эмиттеры входного дифкаскада или заменяем биполярный ДК на полевой. Петлевое усиление падает, но дифкаскад становится существенно более линейным и теперь допускает бОльший дифференциальный сигнал на входе. Глубина ООС меньше, звучит лучше.
2. Нагружаем УН резистором. Петлевое усиление падает, зато становится равномерно низким (а искажения - равномерно высокими) во всем рабочем диапазоне частот. Звучит такой "высокий первый полюс" лучше, чем "низкий", когда петлевое усиление высокое лишь на НЧ, а с частотой падает.
3. ВК переводим в класс А, потому что иначе c малой глубиной ООС он "не звучит", искажения слишком велики. По желанию, выбрасываем общую петлю ОС вообще и задаем усиление только эмиттерными/истоковыми резисторами дифкаскада и нагрузкой УН. Нет ООС - звучит еще лучше.

Правда, так приготовленный усилитель субъективно уступает усилителю, у которого высокое петлевое усиление ("глубокая ООС" и низкие искажения) во всем рабочем диапазоне частот.

К сожалению, пока мало кто имеет опыт реального прослушивания глубокоосных усилителей и способен выдать конкретный пример типа "сравнивал усилитель 1 (схема) с усилителем 2 (схема), измерения ИМД такие-то, впечатления от прослушивания такие-то".

[Teoretic]

именно ООС при большой и/или неровной ГВЗ (например, при дубовой коррекции в погоне за глубиной ООС) приводит к слышимым искажениям, несмотря на любое уменьшение амплитуды гармоник.

Здесь искать надо как раз "динамические искажения": перегрузка входного/промежуточных каскадов сигналом (внеполосной помехой); возбуды, в том числе на пиках или переходах через ноль, плохой выход из клипа. ОС тут "виновата" лишь в том, что неправильно приготовлена.
А ГВЗ динамиков, являясь всего лишь производной от частотно-фазовой характеристики должна выглядеть просто кошмарно. И ничего, как-то слушаем и радуемся.

[Carter]

К сожалению, пока мало кто имеет опыт реального прослушивания глубокоосных усилителей и способен выдать конкретный пример типа "сравнивал усилитель 1 (схема) с усилителем 2 (схема), измерения ИМД такие-то, впечатления от прослушивания такие-то".

ИМХО, ещё нужен отдельный сетап, высокого качества, со звучанием котрого хорошо знакома группа оценивающих энтузиазистов и более-менее единодушна во мнении, ну и конечно всем извесный музыкальный материал, нюансы которого будут выслушиваться.