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

[bukvarev]

Вообще-то он должен давать почти 8В амплитуды на такой нагрузке, или что-то было изменено? Если да - покажите схемку.

У меня не нашлось 50 ваттных резисторов на 18 Ом, поэтому взял два по 20 Ом. Остальные несоответствия по деталям и их параметрам описал выше.
В выходные, если поеду на радиорынок, посмотрю нужных деталей.

По положительной полуволне (ессно, под нагрузкой) рано начинался участок искажений, видимо, не хватало усиления КТ908. По отрицательной полуволне - клип в районе -10 В.
Постоянное напряжение на выходе - порядка 25 В, если ничего не путаю. Но сейчас плата сгорела, уже не измерить. Буду чинить, поменяю транзистор на экземпляр с бОльшим усилением.

В режиме А такой каскад дает мизерную девиацию фазы частотных компонент меандра, в режиме В изменение фазы должно быть заметно при изменении уровня меандра.
Попробуйте, может быть Вам удастся увидеть девиацию фазы.

А причем здесь режим В? И что попробовать, посмотреть на изменение фазы компонентов сигнала для этих аппаратов?
Но главное - какие выводы из этого можно будет сделать?

Я придерживаюсь вполне определенного подхода. Вначале нужна конкретная постановка теоретической части, что искать, на каком тестовом сигнале, и гипотеза, как "это найденное" будет связано с искомой целью - измерением качества звучания (не просто "будет связана", а именно как и почему). Проверить на модели, а после уже - лабораторная работа.

До сего момента так и поступали. Вначале оценивали мощность искажений, ее распределение во времени и по частотам ("Гильберт", моделирование с гамматон фильтрами), потом - проверка вполне определенной гипотезы про изменение импульсного отклика и возможную модуляцию ("тест с поднесущими и дырками", и моделирование с примерами), потом - модификация теста для возможности работы в некогерентной системе ("тест с дырками"). Метрологический критерий - пороги слышимости относительно мощных компонентов тестового сигнала (вполне точный критерий).
После - тест Михаила по поиску искажений тонального импульса под нагрузкой (причем эффект проявлялся в "живых" ОООСниках именно под нагрузкой !).

По поводу искажений фазы, я моделировал, что произойдет с идеальным усилителем, у которого есть только статическая нелинейность. Искажения фазы компонентов сигнала в таком случае определяются исключительно мощностью составляющих продуктов искажений, которые попадают на частоты компонентов сигнала. С очень высокой вероятностью, и для MW, и для "Каменного" я получу эти значения. Что мне с ними делать?

Помнится, писал Вам, что с "легкой подачи Rova", в "фазовой плоскости" что-то есть, но нужно очень аккуратно подходить к решению. Так что предлагаю вначале обсудить и поставить задачу теоретически, а после - не вопрос, доберемся и до "фазовых проблем".

PS. Кстати, может кто-нибудь промоделировать в MC или Симе тест Михаила? Покажет ли модель искажения гармоник тонального импульса в ОООСнике? Если не покажет, то значит, есть чисто конструктивные особенности (ну, и упрощенные модели по части тепловых параметров).

---------- Сообщение добавлено 12:48 ---------- Предыдущее сообщение было 12:45 ----------

Применялся "слепой" тест?

Нет, не успели. Сгорел блок питания, и было уже около 23 часов. Делали просто горячее переключение.
Вообще, это был как сон. Все случилось быстро. После сборки макета мне хватило послушать 10 минут, я офигел, и сразу позвонил Андрею. Он пришел, и мы слушали вдвоем где-то с час.
Вокал - Селин Дион, песня Encore un soir из последнего альбома.

[shura1959]

Offтопик:

Как мне показалось, он считается константой. Например, для кремниевых тр-ров: -2,1mV/K.

В зависимости от конкретного p-n-перехода может иметь значения для кремния 1,6-2,7мВ/грдС, емнип.

откуда эта константа получается.

Из уравнения p-n-перехода I=I₀(e^U/F_t-1), где Ft=kT/q.
Наверно лучше обратиться к спец литературе по ФТТ, или физике п/п приборов.

[Semigor]

У меня не нашлось 50 ваттных резисторов на 18 Ом, поэтому взял два по 20 Ом.

Это мелочи.

По положительной полуволне (ессно, под нагрузкой) рано начинался участок искажений, видимо, не хватало усиления КТ908.

У вас там в дарлингтоне общий коэффициент передачи по току больше 10000 - куда больше? Скорее БП под сигналом дурил. Параллельно БП емкость стояла? (10000мкФ хотя бы).

[bukvarev]

Параллельно БП емкость стояла? (10000мкФ хотя бы).

Нет. Про это тоже вчера думал. Все поправлю, поставлю 20 тыс. по питанию.

Offтопик:
ЗЫ. В блоке питания выгорел вспомогательный выпрямитель на плате управления (1n4004). Видимо, был скачок напряжения. Чего еще за собой потащил - пока не знаю. Ну, барахло китайское

[Medan]

Помнится, писал Вам, что с "легкой подачи Rova", в "фазовой плоскости" что-то есть, но нужно очень аккуратно подходить к решению. Так что предлагаю вначале обсудить и поставить задачу теоретически, а после - не вопрос, доберемся и до "фазовых проблем".

Ну, да))

но каким-то образом, происходят фазовые суммирования-вычитания по какому-то постоянному закону свойственному именно для ООС. Звук частично прибавляет тембрально, в самом веху и самом низу, а в основном звуковом диапазоне, происходят фазовые вычитания и звук истощается. Возможно, я как-то понятно описал свои ощущения? Именно фазовые процессы нарушаются. Это конечно утрировано, но это самое подходящее, ощущения, что я могу описать от услышанного. Я хорошо помню разные фазовые «примочки» для музыкантов, делал в молодости)), что-то подобное и тут приисходит. Это хорошо заметно на акустических муз. инструментах, вокале.

"фазовае вычитания" и вообще фаза тут ни при чем..

Согласен. ООС линеаризует и фазу, и амплитуду, и делает сигнал на выходе по форме таким, каким он записан на носитель.

Природа фазовых пока непонятна, но скорее, виноват "курсант фаза" (с) )) Скорее, тепловые процессы, как одно из предположений, но не последнее...)) Ладно,будет день, будет пища ))) Будем посмотреть.и конечно, работать))

[Semigor]

Offтопик:

ЗЫ. В блоке питания выгорел вспомогательный выпрямитель на плате управления (1n4004). Видимо, был скачок напряжения. Чего еще за собой потащил - пока не знаю. Ну, барахло китайское

Так он что, еще и импульсный?!

[bukvarev]

Offтопик:

Так он что, еще и импульсный?!

Нет конечно. Линейный Я ж не изверг какой )))

[vladhv]

Кт 908 взял с усилением по току 70 при Uкэ=16 В, Iк = 4 А. Остались в загашнике еще два транзистора с усилением 100 и 200.

А утечку у них вы не измеряли?

[bukvarev]

А утечку у них вы не измеряли?

Нет.

[Semigor]

Offтопик:

Нет конечно. Линейный Я ж не изверг какой )))

Уфф...

[bondar100]

Offтопик:
shura1959, Nota Bene, теоретизирующий практик, большое спасибо за подсказки - я получил, что хотел. Фулдить заканчиваю.

[Nota Bene]

Offтопик:

Фулдить заканчиваю.

О*K. Просто надо разрабатывать схемы так, чтобы этот фактор не влиял на результат. Термостабильные/термокомпенсированные схемы - как решение проблемы.

[bukvarev]

Природа фазовых пока непонятна, но скорее, виноват "курсант фаза" (с) ))

Приведенные Вами в цитатах противоречивые оценки, возможно, связаны с тем, что практический аспект не всегда можно сразу объяснить на используемом уровне теории.
Например, использование ОООС в "теоретическом" усилителе формальные параметры только улучшает. Но объяснение, почему, например, (условно!), "фаза в конструкции вдруг сошла с ума", наверняка можно найти. Со временем.

[оператор]

Представьте себе:
- нагреваем локально, отдельный транзистор, например, воздухом - наблюдаем, как "курсант фаза" приходит в себя.
- смачиваем спиртом, то же транзистор, несколько раз, охлаждаем, наблюдаем ухудшение.
Делаем так несколько раз, на разных усилителях, находим каскады, наиболее чувствительные к данным манипуляциям.
Делаем выводы.

Принимаем меры по термостатированию и термомтабилизации?
Нет?
Рассуждаем дальше?

[antecom]

Offтопик:
Uni&Vers в свое время предлагал простой способ оценки тепловых искажений транзисторов:
https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=2754&page=6&p=149865&viewfull=1#post149865
Я проверял - метод работает, все как на его картинках.

[bukvarev]

Представьте себе:
- нагреваем локально, отдельный транзистор, например, воздухом - наблюдаем, как "курсант фаза" приходит в себя.
- смачиваем спиртом, то же транзистор, несколько раз, охлаждаем, наблюдаем ухудшение.
Делаем так несколько раз, на разных усилителях, находим каскады, наиболее чувствительные к данным манипуляциям.
Делаем выводы.
Принимаем меры по термостатированию и термомтабилизации?
Нет?
Рассуждаем дальше?

Я все в толк не возьму, откуда уверенность, что виноваты именно тепловые искажения?
Может быть, например, зависимость "частотных" параметров от выходного тока. В ВК, например, там беда с этим.. Такие искажения симулятор должен взять в расчет.
Тепловые - только составная часть.. Катализатор процессов.

[оператор]

Я все в толк не возьму, откуда уверенность, что виноваты именно тепловые искажения?
Может быть, например, зависимость "частотных" параметров от выходного тока. В ВК, например, там беда с этим.. Такие искажения симулятор должен взять в расчет.
Тепловые - только составная часть.. Катализатор процессов.

Нет такой уверенности.
Может быть все, что угодно.
Симулятор такая штука... сильно условная.

По большому счету, если такой факт имеет место - зависимость звучания от температуры.
То, этого достаточно для учета процесса при разработке.

[Валет]

На некоторых записях (например, женский вокал с тихим аккомпанементом) отличия вообще не слышно.

Качество усиления УМЗЧ, а не слышимость-неслышимость искажений, надо проверять, наоборот, при тихом вокале с громким (например, джазовым) аккомпанементом, а сравнивать по степени «замыливания» вокала.
Еще лучше подавать синтезированный сигнал из широкополосного шума с наложенным голосом. Усилитель, в котором разборчивость голоса сохраняется до меньшего его уровня, имеет меньшие искажения. Вне конкуренции при таком сравнении будет, имхо, глубокоосник в классе А.
Естественно, качество АС при этом должно быть на уровне.

[Rondo]

Offтопик:

(что доказано на кошках) в общем-то обрабатывается статистика в полосах

О,ну эти точно знают толк в звуке .

и для MW

А что это за усилитель,MW?

[dekko]

Усилитель, в котором разборчивость голоса сохраняется до меньшего его уровня, имеет меньшие искажения.

ну, в общем - да

Вне конкуренции при таком сравнении будет, имхо, глубокоосник в классе А.

не всегда, но обычно чаще, чем АВ В безОСнике при некотором опыте и интуиции ещё проще ПОДЧЕРКНУТЬ ГОЛОС. За все не скажу, но очень часто.