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]

Да там банальная линеаризация
производится..

Лично я - не знаю (во всяком случае в своих ламповых и около расчётах в ручную пользуюсь методом Берга- линеаризацией ВАХ - постоянно). Думаю, что здесь на ветке имеет значение внятно изложенный метод измерения нелинейных продуктов (искажений). А не декларация о "другом пути" вообще или ссылка на универсальный программный продукт или его пункт с пояснениями по типу "не представляет труда" и т.д. .

[hydr]

Да там банальная линеаризация
производится. Извините, скучно.

Offтопик:
Согласен. АвтоРегрессивная модель -ничего сложного. Сигмоиды Гроссберга примитивны. Модель Хамерштейна-Винера проще паренной репы. Ну а то чего в нечеткой логике наваяли Махмуд Мамдани и Таканори Сугено, вообще детский сад.
Там еще всякой фигни понапридуманно, но скучно перечислять.

С уважением hydr.

[A.B.ANTONOV]

Согласен. АвтоРегрессивная модель -ничего сложного. Сигмоиды Гроссберга примитивны. Модель Хамерштейна-Винера проще паренной репы. Ну а то чего в нечеткой логике наваяли Махмуд Мамдани и Таканори Сугено, вообще детский сад.
Там еще всякой фигни понапридуманно, но скучно перечислять.

Не совсем понимаю почему модератор в офф отправил сообщение. Вроде по теме.
Хорошо, все только за, если есть ещё варианты. Ты очень горячо отстаиваешь свою позицию. Ок. Давай предлагай варианты. Я лично готов работать с тобой.
Набросай вариант модели как ты думаешь. Проверим, обсудим. Пиши в личку, не вопрос. Опять же, если есть заинтересованность в теме, наработки, всем на
пользу только будет.

[Игорь Гапонов]

Гидр! Матлаб - бесспорно мощный инструмент. Покажите публике его мощность на примере матлабовской "идентификации" нелинейной функции передачи сигнала какого-нибудь КОНКРЕТНОГО усилителя на реальной нагрузке, хочь компьюторных пукалок за два доллара. На этом основании становится возможным достаточно точный чисто математический прогноз продукта НИ в виде временнОго файла для любого неаварийного входного сигнала (раз функция передачи с достаточной точностью может быть вычислена, то с этой же точностью становится возможным вычисление нелинейного остатка для любого входного сигнала). Вот и хотелось бы увидеть этот временной файл.

[Rova]

ПХ это интеграл дельтаимпульса, а АФЧХ это Фурье дельтаимпульса. То есть это три разных представления линейного поведения системы. Где на АФЧХ можно увидеть нелинейность ? И как ее характеризует ПХ ? Не понимаю..

[hydr]

Такой заинтересованности, что бы ночи не спать нет. Как и нет желания "показывать публике", у нас достаточно персонажей - " и тут выхожу я, весь в ......"
Но кое, что попробую сделать. Записывать переходные процессы у меня есть чем, Матлаб на компе стоит (Хотя наверняка тут есть коллеги на порядок лучше меня знающие этот инструмент. Молчат из скромности.)
Остается проблема получения разнополярных ступенек высокого качества. Нет у меня такого источника. Может кто чего посоветует?

Да, по всей видимости наибольший интерес будет представлять совместная передаточная ф-я усилителя и акустики.

С уважением hydr.

---------- Сообщение добавлено 09:59 ---------- Предыдущее сообщение было 09:55 ----------

Где на АФЧХ можно увидеть нелинейность ?

Неможна. Тут дело в том, что для нелинейных систем выходные амплитуда и фаза зависят не только от частоты но и от амплитуды входного сигнала.

С уважением hydr.

[A.B.ANTONOV]

Остается проблема получения разнополярных ступенек высокого качества. Нет у меня такого источника. Может кто чего посоветует?

Сгенери в матлабе. Опиши подробно какие нужны ступеньки и я их сделаю, раз у тебя нет времени.

[Rova]

Неможна. Тут дело в том, что для нелинейных систем выходные амплитуда и фаза зависят не только от частоты но и от амплитуды входного сигнала.

Понятное дело. Если измерять АФЧХ белым шумом, то в ней будет и вклад гармоник белого шума. Только это нам ничего не дает в плане оценки нелинейности.
В этом плане методика Букварева и ребят хороша. Она не отвлекаясь на линейные проблемы показывает все виды нелинейности и статическую и динамические (амплитудную и фазовую модуляции/интермодуляции) причем на произвольном сигнале (лучше на белом шуме). Единственный минус - все это в куче. Но тут и понятно - отделить одно от другого совсем не банально.

[hydr]

Опиши

U= 2В, время нарастания не более 100нс, Ri менее 10 Ом, разнополярные,

С уважением hydr.

---------- Сообщение добавлено 17:46 ---------- Предыдущее сообщение было 17:37 ----------

В этом плане методика Букварева и ребят хороша.

Так с этим никто не спорит. Но есть сомнения в том, что нелинейности ниже какого то предела существенно на что то влияют.
Разделяю точку зрения тех коллег которые считают, что при допустимой нелинейности, решает качество переходных процессов.

С уважением hydr.

[A.B.ANTONOV]

U= 2В, время нарастания не более 100нс, Ri менее 10 Ом, разнополярные,

Ладно. А какая длительность импульса, паузы есть между разной полярностью?

[hydr]

Секунд пять будет достаточно. Пауза такая же.

С уважением hydr.

[-UST-]

Подскажите пожалуйста, вот это что такое?
Сверху - входной и выходной сигнал, снизу - разностный. Вот эти искажения к каким отнести?

[ИГВИН]

Вот эти искажения к каким отнести?

Сшивка плеч, импульс восстановления.

---------- Сообщение добавлено 10:51 ---------- Предыдущее сообщение было 10:25 ----------

Добавлю.
Для проверки - поиграйте током покоя, при его увеличении импульс должен сглаживаться.

[-UST-]

Сшивка плеч, импульс восстановления.

Нет, сшивка плеч тоже есть, но это мизерный горбик, который на синусе той же амплитуды без увеличения графика и не разглядишь.
Вопрос остается в силе - какой это вид искажений. Обратите внимание - частота 1 кГц, на выходе то же, что и на входе (для уточнения).
Еще - это глубокоосник (больше 60 дБ/20кГц).

[ИГВИН]

Юрий, покажите без ограничения - ведь смотрели же, почему не говорите?
Второе - отключите ОСь, гляньте без неё.
И вы не сказали. что происходит при вариации тока покоя.
Затем, посмотрите на выходе УН - может это не только повторитель.
Схема наверняка не секретная - так где же она?
Любые острые искажения должны настораживать, в этом вы правы.

[-UST-]

Схема, конечно, не секретная. Я извиняюсь, но Вы не поняли меня. Этот вопрос скорее общий, такие искажения присутствуют так или иначе в любой ООС-ной схеме.
Вот файл (на критику можете не тратить время, это для примера), запустите транзиент анализ и посмотрите.

[Игорь Гапонов]

Подскажите пожалуйста, вот это что такое?
Сверху - входной и выходной сигнал, снизу - разностный. Вот эти искажения к каким отнести?

Если хотите узнать порядок (долю) НИ сабжевым методом Букварёва, исключая линейные искажения, Вам следует зарегистрировать реакции усилителя как минимум на два тестсигнала, связанных обратимым линейным преобразованием Гилберта (GT). В Вашем случае GT должно применяться к входному ШИРОКОПОЛОСНОМУ сигналу, похожему на меандр (результат GT может Вас сильно удивить ), а затем к зарегистрированной реакции усилителя на него и т.д. - читайте подробности метода, изложенные выше. По одной пробе судить о качественном составе искажений (т.е. скока там линейных, нелинейных и шумов) крайне затруднительно. Чтобы обойти эти трудности и придумывался сабжевый метод.

[-UST-]

Хорошо, тогда качественно - каких здесь искажений больше: линейных или нелинейных? Или точнее - линейные искажения сигнала для той же схемы без ООС могут быть преобразованы в нелинейные замыканием петли (работой ООС по восстановлению формы сигнала) ?

[Игорь Гапонов]

Хорошо, тогда качественно - каких здесь искажений больше: линейных или нелинейных? Или точнее - линейные искажения сигнала для той же схемы без ООС могут быть преобразованы в нелинейные замыканием петли (работой ООС по восстановлению формы сигнала) ?

Вы оффтопите. Так как Ваши измерения не соответствуют ни теме этой ветки, ни Вашей же цели селекции НИ. Вывод: ответ на Ваш вопрос "каких искажений [в Вашем случае] больше ЛИ или НИ?" остаётся открытым. Но могу таки сказать, что в глубокоосных УМах порядок ЛИ и НИ сравним и повторяю (см. чуток выше) :

По одной пробе судить о качественном составе искажений (т.е. скока там линейных, нелинейных и шумов) крайне затруднительно.

Кроме этого в данной ветке уже немного обсуждались компенсационные методы выделения искажений (метод Баксандала и подобные ему) и их основная трудность - неопределённость компенсации именно из-за ЛИ - для одной мощности сигнала компенсирующие линейные предискажения по критерию минимума мощности разности одни, для другой другие, когда по определению ЛИ они не должны зависеть от мощности сигнала. Поэтому:

Чтобы обойти эти трудности и придумывался сабжевый метод.

Вернее, придумывалась группа таких методов, один из них - сабжевый метод Букварёва. Их достаточно строгое математическое обоснование приведено на первых страницах ветки. А практические примеры измерений "по микрофону" показывают их почти полную нечувствительность к очень большим и сложным ЛИ (например, линейные искажения поля самой комнатой не преграда для данной группы методов).

[-UST-]

Спасибо. За офф извиняюсь. Где спросить, чтобы Вам не мешать - я не знаю. Где почитать тоже, это очень специфическая тема.
Вы не заметили еще один вопрос: могут ли линейные искажения посредством введения ООС быть преобразованы в нелинейные при усилении нестационарного сигнала. Просто ответьте: да/нет/не знаю, этого мне хватит. Допустим, у нас идеальный усилитель с большим Ку и только с линейными искажениями. Вот мы охватываем его ООС - нелинейные искажения появляются при усилении импульсного сигнала или нет (без перегрузки каскадов, само собой)?
Еще раз прошу прощения, что влез, больше писать сюда не буду, все же надеюсь на ответ.