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

[Валет]

Фактически это эквивалентно появлению четных искажений, но на синусоиде этого не увидишь.

Совершенно бездоказательно. Эта разница не может, имхо, приводить к появлению четных искажений, если скорость нарастания фронтов на меандре больше максимальной скорости изменения сигнала. Где-нибудь рассматривалась изменение передаточной функции усилителя или ее нелинейность в зависимости от направления изменения сигнала? Может быть, Вам что-то известно?

PS. На синусоиде этого не увидишь, а где увидишь?

[bukvarev]

Валет, заминайте уже с троллингом. Если Вам так скучно, организуйте свою тему, и пугайте там народ cвоими любимыми "коммутационными" искажениями и способами их измерений.
Лучше бы чего по делу написали, а то сами не можете идей предложить, и других лишаете возможности подумать.

[Валет]

Валет, заминайте уже с троллингом.

Все ясно. Раз нет разумного ответа, значит, иди нах. Вместо того, чтобы прекратить бездоказательную болтовню.

[hydr]

Где-нибудь рассматривалась изменение передаточной функции усилителя или ее нелинейность в зависимости от направления изменения сигнала?

Передаточной функции все равно, на то она и передаточная.

С уважением hydr.

[Валет]

Передаточной функции все равно, на то она и передаточная.

Об этом и речь.

[Сухоруков Сергей]

Передаточной функции все равно, на то она и передаточная.

Это для линейной системы.

[Orion33]

Offтопик:

Все ясно. Раз нет разумного ответа, значит, иди нах. Вместо того, чтобы прекратить бездоказательную болтовню.

Самокритично.

[Johny]

Это для линейной системы.

Что это такое "линейная система"?
Y = kX. Очень линейно! Совсем без искажений!

[hydr]

Это для линейной системы.

Для любой.

С уважением hydr.

[Игорь Гапонов]

Что это такое "линейная система"?
Y = kX. Очень линейно! Совсем без искажений!

Система, описываемая ЛЮБЫМИ линейными операторами и их сочетаниями.

(также и для Валета).

1. Любое отличие от целевой функции системы есть искажение.
2. Искажения бывают детерминированными (в технике измерений их называют систематическими) и случайными (стохастическими).
3. Любые искажения описываются комбинацией трёх классов искажений: линейные искажения (ЛИ), нелинейные искажения (НИ), случайные искажения (СИ).
4. Первые два класса искажений "в чистом виде" (без искажений другого класса) являются детерминированными. Выделение ЛИ и НИ связано как с практическим подходом, так и господством линейных моделей физических процессов из-за свойств реальных сред и пространств (например, воздух при н.у. имеет диапазон сверхнизкой нелинейности акустических процессов порядка 200дБ, его "середина" совпадает с комфортным человеческим слушанием).

Испешели 4 Валет:

Если фронты (центрально)симметричного импульса искажаются не симметрично (не центральносимметрично), то вероятность наличия гистерезиса в системе приближается к единице. Гистерезисные амлитудно-амплитудные характеристики в общем случае нелинейны.

[Johny]

Offтопик:
Свет разума проникает повсюду, не оставляя места для всего неясного, темного, смутного.
Глубина мысли потрясает!

Но, "...про измерение искажений..." ни слова.

[Игорь Гапонов]

///
Но, "...про измерение искажений..." ни слова.

Т.е. самостоятельность дотумкать читателю, что регистрация отличия или его следствия и есть измерение, не позволяет устойчивый стереотип зрителя с попкорном?

[Johny]

регистрация отличия ... и есть измерение

Offтопик:
Глубина мысли нарастает!

[Rondo]

Offтопик:
Так,не торопите события-что измерения,если еще с определениями надо разобраться.Нет,в принципе понятно,но... . Впереди похоже еще долгий путь к тому,как это все с достаточной степенью достоверности увязать с тем,что мы ушами слышим.Это же наверно главное таки...Хотя,я уже не уверен

[оператор]

В любом случае и практически и теоретически - усиление с не симметрией это свидетельство нелинейности.
К чему приводит такая нелинейность - вопрос открытый.

Понятно, что будет окрас четными или гармонизация на быстрых сигналах.
Вероятно, что эта не симметрия будет влиять на все.
И на ООС, и на выходное сопротивление, и тд.

[bukvarev]

В любом случае и практически и теоретически - усиление с не симметрией это свидетельство нелинейности.
К чему приводит такая нелинейность - вопрос открытый.

Моделировать это не очень удобно. Но именно такой несимметрией в динамике обладает двухтактный ЭП, так что со временем можно будет измерить.

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Я добавил в архив еще несколько тестовых файлов. Сделал вариант просто с "дырками", без поднесущих. Кто будет пробовать экспериментальные записи, пожалуйста, запишите по возможности все файлы из архива, полной длины (это очень важно), даже файлы с 1 кГц.

Сделал полосовые фильтры, и вывел сигнал содержимого "дырок", усиленный на 70 дБ (пока взял за порог заметности эту величину) в правый канал файла, а исходный сигнал - в левый.
Если смотреть в аудиоредакторе спектр этого файла с небольшим размером окна (спектрограмму), то можно видеть, в какие моменты времени шумы и искажения превышают полезный сигнал.
Например, стало видно, что мой комплект "ЦАП-АЦП" при работе ЦАПа на 300 Ом, на тестовом файле дает постоянное превышение шумами/искажениями сигнала в полосах выше 5 КГц, и иногда - на более низких частотах.

[оператор]

Наверное, четную гармонизацию можно легко увидеть.
Посмотреть спектр меандра сравнить входной и выходной.
А, еще интересно вообще - сравнить спектры меандров в широкой полосе входной и выходной.
Посмотреть на уровень нечетных гармоник.

Где можно взять файл с дырками?

[wert]

Наверное, четную гармонизацию можно легко увидеть.
Посмотреть спектр меандра сравнить входной и выходной.

Четная гармоника добавится в выходном сигнале и при динамическом смещении и при поджатии вершины меандра или неравномерном усилении в минусовой и в плюсовой области.
Так что изменение скорости спада меандра Вы можете и не зафиксировать скорее всего по четной гармонике, другие причины могут быть на порядок значимы.

[Сергей Гапоненко]

Добрый день!

Я тоже пытаюсь разобраться в методе Евгения Букварева и его коллег.

Думаю, что главная изюминка метода - в использовании музыкального сигнала для тестов.
Ортогональность функций -просто одни из способов надежно зафиксировать связь между сигналами на входе, чтобы потом отследить , сохранилась ли эта связь на выходе из тестируемого тракта.

Сам по себе метод сравнения двух импульсов на выходе с известной связью между ними на входе - это патент Семенова.
См ссылку. http://www.findpatent.ru/patent/226/2263929.html
Семенов Э.В. (Томский ун-т) Патент RU 2263929
Семенов Способ исследования нелинейности преобразования сигналов объектом.
О нем пишут и авторы рассматриваемого метода.

Мне кажется, проще коррелировать два (а почему, собственно, два? Можно и больше) сигнала простым увеличением амплитуды на входе , а потом делить их друг на друга после прохождения через тестируемый тракт.
Можно брать сигналы разной формы, умножать N раз на постоянные коэффициенты и сравнивать затем N+1 выходных сигналов. Они должны отличаться на те же коэффициенты, что и входные. Исходным может служить музыкальный фрагмент - здесь идея Евгения Букварева с коллегами абсолютно выигрышна. А вот ортогональность, как мне представляется, не столь существенна. Ортогональное преобразование сложной функции и обратное преобразование могут привнести сложности и артефакты (не только в наше понимание но и в измерение). Во всяком случае на нынешнем этапе апробации идеи.

[ИГВИН]

еще интересно вообще - сравнить спектры меандров в широкой полосе входной и выходной.
Посмотреть на уровень нечетных гармоник.

Там сплошной нЕчет. Легко ли будет уловить их разницу?