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

[Orion33]

Я про вторую картинку. Вы можете легко получить такой же результат в цифре, т.е. исключая какой-либо аналоговый тракт, просто выбрав ращмер окнаё в который не укладывается целое число периодов сигнала.

[bukvarev]

Для смещения частоты требуется линейный набег фазы со временем, а не постоянное смещение. В усилителе нет ничего, что могло бы привести к смещению частоты.
Момент взятия окна при его размере, кратном периоду сигнала, на амплитудный спектр не влияет. При некратном размере окна появятся дополнительные компоненты, и искажение "лепестка" сигнала из-за того, что он неточно попадает на спектральные отсчеты. Все это лечится увеличением размера окна преобразования и использованием весовых окон.
В исходном файле легко выбрать частоты так, что их периоды будут кратны степени двойки, но при реальной записи, количество отсчетов изменится из-за несовпадения частот опорных генераторов, и все равно придется использовать весовое окно.
Использовать одну карту нежелательно, т. к. появится земляная петля. Можно попробовать синхронизировать приемную звуковуху по оптике.

ЗЫ. Могу обработать тестовые файлы так, что частота будет занимать лишь один спектральный отсчет. Для такой обработки Спектрал Лаб не подойдет. Только вручную в Матлабе,. Там можно выбирать любой размер окна, а также не использовать весовую обработку.

[A.B.ANTONOV]

Евгений, сделал с окном максимальным и Кайзером, прогнал твой файл и 1 кГц. Звуковухи джулия и реалтек. УНЧ к джулии по входу
аналога подключен, вход УНЧ оптика с джулии. Питание УНЧ импульсный БП 19 В от ноутбука.

[bukvarev]

Евгений, сделал с окном максимальным и Кайзером, прогнал твой файл и 1 кГц.

Похоже, что Реалтек искажает. А твой аппарат - весьма точный.

Меня пост Андрея натолкнул на мысль, что не нужно пытаться сделать некратные частоты ("по Мусатову"), а наоборот, сделать в тесте больше частот, но с периодом 20 Гц. Тогда можно будет взять маленькое окно Фурье, и не использовать весовую обработку.
Так как у меня пока нет в наличии новых записей, я обработал старые записи своего усилителя, под нагрузкой и без нее. Брал Фурье на 479994 точки (определил подбором, это - период записанного многочастотного сигнала) без весовухи.
Вот такие картинки получились (красная - под нагрузкой, синяя - без нее).

Возможно, что присутствуют неточности. Но на НЧ ширина "палки" составила 1 отсчет. Это обнадеживает.
Думаю, пока с выводами торопиться не стоит. Хочу сделать другой тест и малое окно анализа, и измерить заранее плохой по звуку аппарат.
Если усилитель искажает, то он обязан "наследить", другого быть не может.

[A.B.ANTONOV]

Похоже, что Реалтек искажает. А твой аппарат - весьма точный.

Реалтэк это же просто в материнке звуковуха.
Погонял разные комбинации мультитона и нашёл вариант где максимальные отличия унч и джулии. И всё таки это в вч области.

[Teoretic]

По ссылке - файлы, исходные и искаженные с уровнем -60 дБ и -80 дБ

Евгений, может, я что-то упустил, но можно ли уточнить алгоритм, как именно были получены эти искаженные файлы (формулу показать, что ли)?

[bukvarev]

Евгений, я напишу обоснование. Идея состоит в предположении, что при усилении звукового сигнала изменяется вид импульсного отклика усилителя. Соответственно, если представить отклик в виде суперпозиции "стационарного отклика" и сигнала отличия, то формула свертки раскладывается на два компонента, один из которых дает афчх усилителя, а другой - паразитную модуляцию. Это так просто, что ты сам легко напишешь выражение. Я постараюсь сегодня-завтра выложить файл с формулой.

Саш, у меня идея на миллион Нужно сделать сигнал, в котором часть частотных компонентов стационарные, а другая часть - нет. Анализировать то, что будет со стационарной половиной сигнала!! Нужно тест написать.

[A.B.ANTONOV]

Саш, у меня идея на миллион Нужно сделать сигнал, в котором часть частотных компонентов стационарные, а другая часть - нет. Анализировать то, что будет со стационврной половиной сигнала!! Нужно тест написать.

Хмм... Интересно.
Допустим стационарный сигнал это мультитон. А вот не стационарный какой сгенерить?

---------- Сообщение добавлено 21:14 ---------- Предыдущее сообщение было 21:04 ----------

Мне привиделся несколько иной тест. Скажем есть ряд Summ(sin(N*F0*wt)). N меняется по синусоидальному закону. F0 начальная частота мультитона.
Получается как бы гармошка мультитона по синусоидальному закону то расширяется, то сужается. Частота изменения N скажем 10 Гц. Если система
искажает сигнал, то в результате на спектре должен появится пик 10 Гц.

[bukvarev]

Берем каждую вторую частоту мультитона, складываем в сумму, модулируем узкополосным шумом, типа атаки/затухания, с разными длительностями. Главное, чтобы полоса модулирующего сигнала была не широкой, чтобы на стационарные частоты не залезть. А потом все складываем в один файл. Стационарную часть, понятно, делаем потише. В результате, усилитель будет постоянно находиться в нестационарном режиме, а смотреть будем только часть "избранных" частот. Я сегодня попозже напишу такой тест.

Ты предлагаешь стационарный сигнал, хотя тоже можно попробовать.

Во! Вообще шик. Берем песню, режектируем в ней несколько частотных областей и втыкаем в эти дырки тестовые поднесущие, чтобы с синтетикой не баловаться..

[A.B.ANTONOV]

Ты предлагаешь стационарный сигнал, хотя тоже можно попробовать.

Ну это смотря на каком периоде смотреть.

[bukvarev]

Вот, написал программу, которая делает в звуковом файле частотные "дыры" шириной 60 Гц и вставляет тест - тоны.
Участок спектра выглядит так.

Частоты взял из ряда простых чисел, умножив их на частоту минимального интервала анализа 50 мс (20 Гц):
140, 460, 860, 1340, 3580, 7060, 11140, 14860 Гц. С повышением частоты уровень тонов спадает.

[A.B.ANTONOV]

Евгений, посмотри картинки. Конечно это не то, что ты хотел, но всё же показательно.

---------- Сообщение добавлено 23:22 ---------- Предыдущее сообщение было 23:21 ----------

Участок спектра выглядит так.

Кидай файл, прогоню через звуковухи.

[bukvarev]

Евгений, посмотри картинки. Конечно это не то, что ты хотел, но всё же показательно.

Ага. Не слабо так шумовая полка в окошке поднялась у Реалтека.

Кидай файл, прогоню через звуковухи.

Отнес телефон на чердак, заливаю файлы в облако. Тут в деревне у меня процесс не скорый Как только, как ссылку дам ))

[A.B.ANTONOV]

Отнес телефон на чердак,

Как мне это знакомо.

---------- Сообщение добавлено 00:09 ---------- Предыдущее сообщение было 00:06 ----------

Слушай, а может просто сгенерить бегущую дырку? Так она высветит чего там с шумовой полкой творится.

[bukvarev]

Слушай, а может просто сгенерить бегущую дырку? Так она высветит чего там с шумовой полкой творится.

А как синхронизироваться?

Вот ссылка:https://drive.google.com/drive/folde...b_?usp=sharing

[A.B.ANTONOV]

А как синхронизироваться?

Просто раз в 2-3 сек смещать дырку и всё.

Поигрался с реалтеком. Какую то странную штуку обнаружил. Полка в дырке от регулятора громкости зависит, точнее от регулятора
в проигрывателе. А вот от общего регулятора громкости в микшере мало что меняется. А вот джулия нормально себя ведёт при любых
изменениях, хоть в проигрывателе, хоть в микшере. Как это вообще можно объяснить?

Прогнал твой файл. Собственно там та же зависимость наблюдается. Полка в дырке только пляшет под музыку.

[bukvarev]

Как это вообще можно объяснить?

Блин, спроси чего полегче
Кстати, обрати внимание, что динам. диапазон в "дырке" у реалтека небольшой, 40..50 дБ. Наверняка слышно.

И еще. Мои файлы - на 48 кГц, а у тебя записывается 44100. Ресемплер системный сидит в тракте. Настрой все на 48 кГц. Может, в этом дело тоже.

Я тут сделал еще один файл, в котором "дырки" получены фильтром Чебышева 1-го типа. В этом файле даже на малом интервале "дырка" должна сохраняться.
По старой ссылке залит еще файл "_test_nonstationar_48_test_No_Mercy_long_48000_IIR.wav".
https://drive.google.com/drive/folde...b_?usp=sharing

И еще, выложи, пожалуйста свои записи в облако, чтобы я мог их прогнать у себя в Матлабе при разных размерах окна.

[Orion33]

Ну вы, блин, тестеры... А вы знаете, что в семерке встроенный ресемплер, который работает всегда? Мимо него только АСИО ходить умеет. MPHC АСИО не поддерживает. Иметь джульку и слушать через него - странное решение.

[A.B.ANTONOV]

Иметь джульку и слушать через него - странное решение.

Так никто же так и не слушает. Для слушания есть фубар и асио. Касаемо данных тестов, то ресемплинга нет, поскольку звуковуха и софт на одну
частоту как правило настраиваю. Да, в последнем тесте промахнулся и не посмотрел, что файл на 48 был. Но картинка после правильной настройки
особо не изменилась. Не переживай, не вчера родились.

И еще, выложи, пожалуйста свои записи в облако, чтобы я мог их прогнать у себя в Матлабе при разных размерах окна.

На мыло кинул.

[bukvarev]

На мыло кинул.

Вот картинки с мыла. На разных частотах, показаны парами, из СпектраПлюс и из Матлаба (без весовой обработки).
Шума в окнах много, настолько, что в СпектраПлюс от типа весового окна мало что зависит.
А в Матлабе поднесущие тонюсенькие, занимают один-три спектральных отсчета.
Но динам диапазон и характер спектрального шума вблизи несущих очень похож.
Неужели это - то, о чем я думаю?