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

[Pilulkin]

Но мы прекрасно слышим, что усилители звучат по-разному. Парадокс, правда? Ответ на этот вопрос найти не так просто. У меня ушло несколько лет, чтобы понять, как на него ответить."

Скажу вам по секрету,что одноимённые усилители,выпущенные производителем с разницей в год,,будут звучать\воспроизводить по-разному в качественной системе...
Попробуйте догадаться - почему?
P.S.Несколько лет тратить не стоит,еже ли что....

[Валет]

векторная погрешность - это разница между реальным выходным напряжением усилителя и идеальным

Надо понимать, что эта разница не по модулю, а с учетом фазового сдвига, раз погрешность векторная?
Такую разницу между реальным выходным напряжением усилителя и идеальным легко можно оценить простейшими расчетами. Так для усилителя, имеющего АЧХ с завалом 0,1 дБ на частоте 20 кГц (такой усилитель должен иметь полосу пропускания, измеряемую мегагерцами), она составит 15% от выходного напряжения. Это то, что будет слышно на residual signal speaker в схеме на fig.4 из поста 2315. Для такого уся даже Кг=1% практически не повлияет на цифру общей векторной погрешности, тем более с учетом их векторного сложения. Это означает, что для реальных усилителей векторная погрешность это просто заумный способ измерения АЧХ.
ИМХО

У нас три усилителя: один имеет 1–2% искажений, другой — 0,1% искажений, третий — тысячные доли процента. Все это мы слушаем через акустическую систему, которая имеет 5% искажений. Теоретически мы не должны слышать разницу — только почерк акустической системы. Но мы прекрасно слышим, что усилители звучат по-разному. Парадокс, правда?

Никакого парадокса здесь нет. Это уже обсуждалось на Вегалабе. Заметность искажений зависит не только от их величины от спектрального состава. Так искажения усилителя кл.А с искажениями 0,1% мало кто услышит, но если эти искажения коммутационные, то их слышно очень хорошо. Интегральная цифра искажений не характеризует качество усиления. Так что в вашем примере три усилителя просто имеют разные спектры искажений.

[Teoretic]

Во время переходных процессов их не измеришь!

Это твоя основная ошибка. Причем она не мешает тебе их измерять!

[Petr-1951]

Это твоя основная ошибка. Причем она не мешает тебе их измерять!

я не измеряю линейные искажения, разберись наконец что это такое. Линейные искажения - это отклонение фазы и отклонение амплитуды в установившемся режиме на гармоническом сигнале, при этом не возникают дополнительные спектральные составляющие, чего не скажешь о переходных процессах. Посмотри опус Рогова и увидишь жуткие искажения первых периодов даже на RC-цепочках, он даже пытался привести их спектры измеренные разными способами. Это не имеет никакого отношения к компенсационному методу измерения искажений: метод Кулиш, метод Сапожкова, методы Баксандалла и Акулиничева (дополнительно см. AES-100)

[Валет]

я не измеряю линейные искажения, разберись наконец что это такое. Линейные искажения - это отклонение фазы и отклонение амплитуды в установившемся режиме на гармоническом сигнале, при этом не возникают дополнительные спектральные составляющие, чего не скажешь о переходных процессах. Посмотри опус Рогова и увидишь жуткие искажения первых периодов даже на RC-цепочках

Жуткие искажения первых периодов даже на RC-цепочках это линейные искажения. Нелинейные искажения не возникают в линейных цепях. Векторный метод измерения искажений УМЗЧ имеет настолько бОльшую чувствительность к линейным искажениям, чем к нелинейным, что практически только на линейные искажения он и реагирует. Так что вы измеряете практически линейные искажения.

[Teoretic]

Линейные искажения - это отклонение фазы и отклонение амплитуды в установившемся режиме на гармоническом сигнале, при этом не возникают дополнительные спектральные составляющие,

В этой фразе все неверно.
Не только фаза и амплитуда гармонического сигнала, не только установившийся режим, никогда не возникают дополнительные спектральные составляющие.

Я тебе уже говорил: линейные искажения - это искажения любого сигнала при прохождении через линейную цепь.
Всё.

[Petr-1951]

В этой фразе все неверно.
Не только фаза и амплитуда гармонического сигнала, не только установившийся режим, никогда не возникают дополнительные спектральные составляющие.
Я тебе уже говорил: линейные искажения - это искажения любого сигнала при прохождении через линейную цепь.
Всё.

Я измеряю искажения моделей усилителей, который состоят из сплошных нелинейных элементов (моделей транзисторов) компенсационным методом, что касается измерения линейных цепей - это к Рогову.
Повторяю для непонятливых (в том числе для Валета): компенсационный метод измерения измеряет все виды искажений в натуральном виде, в том числе и искажения памяти (memory distortion, см. AES-100).
Что касается векторного метода измерения - то это метод Хафлера который очень прост на практике и не требует никаких измерительных приборов, достаточно вольтметра(лучше осциллографа) или просто наушников. Причем можно использовать любые сигналы, в том числе и музыкальные.
При этом метод Хафлера также не измеряет линейные искажения. Разберитесь наконец в чем смысл этих измерений. Как вы представляете себе измерение линейных искажений музыкального сигнала (о каком отклонении фазы или амплитуды может идти речь)

[Teoretic]

Я измеряю искажения моделей усилителей, который состоят из сплошных нелинейных элементов (моделей транзисторов) компенсационным методом

Вряд ли ты хотел сказать, что усилители, которые ты измеряешь, имеют нелинейные искажения в десятые доли, а то и в единицы процентов. Нет?
Это означает, что линейные искажения доминируют. И компенсация линейных искажений линией задержки что слону дробина. Их непросто компенсировать даже для синуса, не говоря уже о сложных сигналах.

---------- Сообщение добавлено 23:52 ---------- Предыдущее сообщение было 23:47 ----------

Разберитесь наконец в чем смысл этих измерений.

Смысл твоих измерений я тебе и объясняю.

[hippo64]

Летал над морем синус фи,
Абциссой в векторном скаляре
И лишь Петров нам в урагане
Светил надеждою в пути.

[ААПП]

в векторном скаляре
.

в векторном угаре

[Petr-1951]

Teoretic, ты утверждаешь что для измерения линейных искажений достаточно АФЧХ
Вот пример АФЧХ, рассчитай плиз форму первых четырех периодов сигнала частотой 30 кГц.
Я даже привел на графике значения линейных искажений как по фазе, так и по амплитуде
p.s.
хотя ты и считаешь себя теоретиком, но похоже не знаешь что АФЧХ снимается в установившемся режиме, и линейные искажения которые мы видим на графике относятся к установившемуся режиму. Действительно, в этом режиме уже нет дополнительных спектральных составляющих в сигнале (из определения линейных искажений).
Вот результат измерения спектра
ну а что же творится во время переходного процесса? посмотрим первые 4 периода

как видим первый период укорочен (мгновенная частота явно выше, о чем и предупреждает Финк, за счет этого и опережение по фазе последующих периодов) и сильно искажен, второй период также сильно искажен, только к 4-му периоду мы уже не в состоянии увидеть искажения невооруженным глазом.
а что со спектром на 4-м периоде?
так что линейные искажения не искажают исходный сигнал (не обогащают дополнительными гармониками) только в установившемся режиме. Попытался измерить на 100-м периоде, там также еще достаточно высокие искажения.

[E.Sokol]

Petr-1951, раз уж вам интересно оперировать такими понятиями, как "первый полупериод", то и брать для анализа нужно финитные во времени сигналы, а не синусоиду, которая бесконечна во времени. И два - Micro-Cap это инструмент для моделирования схем всё-таки, а не для математических изысканий. Попробуйте освоить хотя бы Mathcad что ли.

Ещё раз - вы измеряете спектр не синусоиды. Вы измеряете спектр синусоиды помноженной на функцию Хэвисайда, придуманной именно для анализа и моделирования устройств с кнопками "вкл." и "выкл". А это уже совсем другой сигнал, и спектр его будет зависеть от фазы синусоиды в момент включения. Спектру вообще по барабану, "установившийся режим" на устройстве или нет, он рассматривает сигнал от минус бесконечности до плюс бесконечности, а гармоники, которые вы видите - это результат умножения на оконную функцию. Это же база, самая основа - умножение во времени эквивалентно свёртке спектров и наоборот, на этом вся теория (и практика) радио построена.

[Teoretic]

линейные искажения не искажают исходный сигнал (не обогащают дополнительными гармониками) только в установившемся режиме.

Вот откуда ты это взял? Сам догадался? Это совершенно неверно.
В линейной цепи не возникают дополнительные гармоники. Никогда.

По поводу твоей "заковыристой" задачки. Конечно, зная АФЧХ, можно рассчитать переходной процесс.
Надо понимать, что расчеты предполагают обратное преобразование Фурье и потом вычисление интеграла свертки. И ты хочешь сделать это по графику(!).
Понятно, что результат будет весьма приблизительным.
Примерно такой:



Ага, сообразил. Ты уже дал ответ. Что ж, соответствие удовлетворительное.

---------- Сообщение добавлено 08:43 ---------- Предыдущее сообщение было 08:33 ----------

Micro-Cap это инструмент для моделирования схем всё-таки, а не для математических изысканий.

Тем не менее... Мат.аппарат в нем на уровне. Считает и показывает он весьма неплохо.
Только показывает он не то, что ты хотел, а то, что ты задал. Не всем это понятно.

[bukvarev]

10 периодов частоты 1 кГц.
Начало импульса - "нелинейное искажение первого периода", далее - "фазовая модуляция", и в финале - "искажения памяти".
С таким усилителем звук "испортится", или нет?

[E.Sokol]

расчеты предполагают обратное преобразование Фурье и потом вычисление интеграла свертки.

Вот для этого и полезно дружить с мат.пакетами) Хотя по идее симуляторы сами должны уметь импульсные характеристики рисовать. Глядя на которые намного легче понимать, как АФЧХ соотносится с искажением сигнала во времени.

Например, режекторный фильтр на 1 кГц

И результат свёртки с конкретным сигналом:

[свернуть]

[ААПП]

С таким усилителем звук "испортится", или нет?

Таких усилителей не найти, они все такие:

[Meta|_]

ты зациклился на линейных искажениях. Где ты видишь что я их измеряю? Ткни пальцем где измеряю отклонение фазы и амплитуды в установившемся режиме. Во время переходных процессов их не измеришь!

Таки линейные легко и рутинно измеряются на любом сигнале. С нелинейными - сложнее, и о возможном способе это сделать (изначально была) эта тема.

[ААПП]

Можно, конечно, измерять сложнее, а можно ещё сложнее, но поскольку нелинейность усилителя от способа измерений не зависит, то проще измерять по-простому и это успешно делается.
Но смысл сложного измерения не в самом измерении, а в получении красивых цифр от своего усилителя и чтобы эти цифры нельзя было сопоставить с цифрами от общепринятых способов измерения других усилителей.

[bukvarev]

Единственный известный мне промышленный усилитель, в котором приведены цифры измерений по оригинальной методике - усилитель "Филигрейн" Михаила Чумакова. Там приведены RIMD по результатам исследований "Стохастическая нелинейность электроакустического тракта и ее влияние на субъективное качество звуковоспроизведения".
Все остальные производители либо приводят стандартные результаты измерений (THD+N, IMD, DIM-100, спектры), и т.д., либо не приводят вообще.
Также некоторые предлагают провести субъективное прослушивание своих продуктов на выставках и в шоу-румах, чтобы слушатель сам принимал решение.

Сабжевая же ветка содержит лабораторные исследования, которые авторы осуществляли исключительно по причине любопытства, и не представляет коммерческой ценности.

[-UST-]

и не представляет коммерческой ценности.

Ну уж. Вы утверждаете, что по Вашей методике можно выявить нелинейности выше порога заметности, не регистрируемые стандартными общепринятыми способами. Это сразу ставит остальных производителей на второе место, мягко говоря.

Кстати, есть отличный рассказ "Линия жизни" Р. Хайнлайна. Наверняка Вы читали.