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

[Alto]

Если цифры совпадают, никаких ошибок в матаппарате методики Евгения нет. И все.

Вы отталкиваетесь от предпосылки, что уровень гармонических искажений жестко связан с уровнем сигнала, но искажения в усилителе могут иметь стационарный уровень. Например при наличии в выходном каскаде искажений типа ступенька их амплитуда не будет сильно зависеть от уровня сигнала, кмк.

[Игорь Гапонов]

Точное определение о чем я говорю - стохастическая нелинейность.
Для других: стохастическая - это не случайная, но настолько сложная, что Дирак курит бамбук.

Нет, это на три-четыре девятки детерминированная нелинейность (поэтому бамбук курите опять вы, а Дирак продолжает наслаждаться тенью линейных систем). Пример стохастической - структурный (из-за доменов) и контактный (из-за нестабильности расстояния до зазора) шумы в магнитной записи. То о чём Чумаков обсуждалось здесь навеге и я в той ветке пояснил, почему нельзя считать продукты в его методе "случайными".
.

[Johny]

Offтопик:

стохастическая - это не случайная, но настолько сложная

"...Стохастичность (др.-греч. στόχος) означает случайность." См. словарь.

[bukvarev]

Подайте, пожалуйста, на вход два синуса.

С этого, собственно, и начинались основные вопросы скепктиков: "как результаты коррелируют со стандартными".
Два синуса я не подавал, но подавал один, и сравнивал с THD, чтобы проверить себя: https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post2189551
Позже в комплект тестовых файлов был добавлен синус. Результаты совпадают, было бы удивительно, если бы было по-другому.
Но на реальном сигнале для того же усилителя, тест дает худшие цифры, чем на синусе. В том и дело.

Поэтому есть как минимум один важный вывод: на синусе (сумме синусов) "стохастичность" искажений в усилителе проявляется значительно меньше, чем на сигнале, состоящем из некоторой суммы нестационарных процессов (по меньшей мере, процессов, у которых во времени мощность изменяется случайным образом).


Еще раз повторюсь. Метода работает, но исследования я приостановил лишь потому, что проблема фазовой неточности измерительной системы вносила большую погрешность в измерения усилителей ввиду их малых искажений. Хотя для работы с микрофоном точности хватало. Поэтому потихоньку думаю над другой системой.

Могу пока сказать одно. На данном этапе я понял точно, что попытка также реализации "метода Баксандалла" путем сравнения входного и выходного сигналов (их вычитания или скалярного произведения) даже с использованием гальваноразвязки не позволит выловить часть из "того самого", что всех будоражит уже несколько десятков лет.

Также есть очень актуальные проблемы уменьшения влияния усреднения на результат (не выплеснуть ребенка с водой) и добавление возможности сделать нечувствительность (программируемую чувствительность) к "статическим" нелинейным искажениям.

[Malinovsky D]

Два синуса я не подавал, но подавал один, и сравнивал с THD, чтобы проверить себя: https://forum.vegalab.ru/showthread.p...=1#post2189551

Ок, спасибо!

Offтопик:
Эх, Евгений, поздно вы здесь появились.
Игорь уже успел рассердиться. И как следует...

---------- Сообщение добавлено 22:54 ---------- Предыдущее сообщение было 22:53 ----------

Вы отталкиваетесь от предпосылки, что уровень гармонических искажений жестко связан с уровнем сигнала,

Почему вы так решили? Я этого нигде не писал.

Например при наличии в выходном каскаде искажений типа ступенька их амплитуда не будет сильно зависеть от уровня сигнала, кмк.

Про ступеньку слышал.

[wert]

Также есть очень актуальные проблемы уменьшения влияния усреднения на результат (не выплеснуть ребенка с водой) и нечувствительность (программируемая чувствительность) к "статическим" нелинейным искажениям.

Неоднократно показывал,
как ламповые усилители, имеющие статическую нелинейность Кг до 1 %
имеют динамическую нелинейность тысячные доли процента.
И наоборот,
транзисторные глубокоосники при Кг тысячные доли процента, имеют динамическую нелинейность до процента.
Да, проблема давно существует в разделении статической и динамической нелинейности,
но такие проблемы имеют множество решений, в частности реализованные в измерительной аппаратуре.
Для таких измерений нужны фазочувствительные методы оценки искажений,
которые имеют чувствительность в том числе и к динамическим линейным искажениям.

[Alto]

Почему вы так решили? Я этого нигде не писал.

Я к тому, что 19+20кгц интерферируют в итоге получается что-то вроде амплитудно модулированного сигнала со 100% глубиной модуляции. А измеритель считает процент гармоник и при минимуме амплитуды, по этому в результате их получается больше, чем на чистом синусе максимальной амплитуды. Кмк.

[Игорь Гапонов]

Вы отталкиваетесь от предпосылки, что уровень гармонических искажений жестко связан с уровнем сигнала, но искажения в усилителе могут иметь стационарный уровень. Например при наличии в выходном каскаде искажений типа ступенька их амплитуда не будет сильно зависеть от уровня сигнала, кмк.

Есть проще пример - "девайс даёт сумму чистых нечётных степеней входного сигнала больших единицы" (куб простейший случай). Если входной сигнал синус, то доля высших гармоник относительно "первой гармоники" не зависит от уровня синуса (для куба Кг3 ровно одна треть ). Однако, выходной сигнал - полностью нелинейный продукт на самом деле, т.к. "первая степень" (линейная компанента) отсутствует в функции девайса.

[bukvarev]

Неоднократно показывал,
как ламповые усилители, имеющие статическую нелинейность Кг до 1 %
имеют динамическую нелинейность тысячные доли процента.
И наоборот,
транзисторные глубокоосники при Кг тысячные доли процента, имеют динамическую нелинейность до процента.

Сергей, эта ваша "динамическая нелинейность" не имеет отношения к тому, о чем я пишу. От слова совсем.

[Dieselboy]

Волнует то, что на хреновых УМ наши пищики играют детально, но скучно, а на хороших - волшебно. Мне нужно понять, что нужно сделать для "волшебно"?

Из личных опытов - просто усь, с обычной ООС - играет скучно и не интересно. Усь же с ООС и ПОС - играет живо и по-настоящему. Что будете делать?

Дело-то не в динамиках, а в сигнале, который проходит обработку. В дешёвых усилителях её нет, а в хороших есть - вероятно, она сделана в неявном виде для самого разработчика, аналоговая обработка за счёт линейностей или нелинейностей усилителя.

И чем можно хороший УМ отличить от плохого с помощью измерений? Где кроется секрет?

Пока что я полагаю, это можно сделать по виду переходного процесса, вот так должно выглядеть серое скучное, но детальное звучание:



а вот так уже интересней, чуточку живей и объёмней:

[Malinovsky D]

[OFF]

Из личных опытов - просто усь, с обычной ООС - играет скучно и не интересно. Усь же с ООС и ПОС - играет живо и по-настоящему. Что будете делать?

Попробую оба выставить на продажу с длительной прослушкой без "прогонов" по ушам клиента. Победит тот УМ, за который будут готовы заплатить.
Как ни жаль, это самый объективный критерий.

Себе в систему без колебаний поставлю тот, что играет интереснее.

"правильнее" или "интереснее" в аудио всплывает постоянно. В АС - так вообще капец.
Поэтому есть некоторый опыт решения этой дилеммы.

Я к тому, что вкус у людей отличается. Порой диаметрально. Поэтому стараюсь не навязывать свои вкусы другим.

[Игорь Гапонов]

...

Метода работает, но исследования я приостановил лишь потому, что проблема фазовой неточности измерительной системы вносила большую погрешность в измерения усилителей ввиду их малых искажений.

Думаю это скорее искажения масштаба времени в ипостаси "неконтролируемые отклонения от синхронности", хотя "искажения масштаба частот" (твоя "фазовая неточность") в принципе тоже самое, но в другом домене. Обрати внимание и там и там это таки нелинейность, но нелинейность имеющая причину в аргументе, а не в функции.

P.S. Для наблюдателей. Замечание относится к измерительной установке, а не к объектам измерений.

[bukvarev]

Обрати внимание и там и там это таки нелинейность, но нелинейность имеющая причину в аргументе, а не в функции.

Да, но ее все равно нужно изничтожить.
Вычитать в итоге нужно, но не залезая никуда, кроме выхода аппарата. Как мы делаем ушами

Еще один парадокс состоит в том, что для того, чтобы инструментально выловить искажения, требуется прецизионная аппаратура в то время, как мы анализируем результат шумным и неточным анализатором, у которого постоянно работает нелинейное АРУ с хрустом костей, если прислушаться. Но ведь все слышат малейшие отклонения от оригинала и никто не хочет слышать собственные кости

[Dieselboy]

Коллега, при всем уважении, мне сложно поддерживать беседу с вами, поскольку сейчас вы написали такую жесть, которая свидетельствует о вашем глубоком незнании предмета. Причем в районе основ.

Можно услышать опровержение, на основе каких сил мембрана ДГ возвращается в нейтральное положение на примере того же синуса 1 частоты? Полагая, что фронты сигнала (первая 1/4 каждой полуволны) "выдвигает" мембрану, а что происходит в следующие 1/4 (тылы полуволн)?

Поэтому сорри...

Так не годится, если уж вы от своих оппонентов требуете изложения основ, то и от вас не грех попросить того же.

[Игорь Гапонов]

Еще один парадокс состоит в том, что для того, чтобы выловить искажения, требуется прецизионная аппаратура в то время, как мы анализируем результат шумным и неточным анализатором, у которого постоянно работает нелинейное АРУ с хрустом костей, если прислушаться. Но ведь все слышат малейшие отклонения от оригинала и никто не хочет слышать собственные кости

Да парадокс кончается, если забыть набившее оскомину, что ухо спектроанализатор и работает как декодер пал-секам . Ну, да адаптация рулит. Но она же избирательная и практически не нарушает полезного слухового разрешения. Загадка из загадок. Короче, я, об этом ты знаешь, довольно давно оставил попытки заставлять измерения или девайсы уподобиться уху. Реальнее (по срокам отведённым нам Господом нашим) приблизиться к свойствам среды распространения=среде обитания, а не к организмам её населяющим.

[Alto]

Могу пока сказать одно. На данном этапе я понял точно, что попытка также реализации "метода Баксандалла" путем сравнения входного и выходного сигналов (их вычитания или скалярного произведения) даже с использованием гальваноразвязки не позволит выловить часть из "того самого", что всех будоражит уже несколько десятков лет.

Может попробовать что-то вроде пары mn311 включенных дифференциально? Но лучше конечно сразу формировать программно скорректированный сигнал сравнения. Слышал, что при звукозаписи на ПК приходится крутить задержку и фчх сигнала, возможно подойдет что-то из готовых решений.

[bukvarev]

Короче, я, и ты знаешь, довольно давно оставил попытки заставлять измерения или девайсы уподобиться уху.

Я тоже, поскольку в моей практике ни нелинейная модель АРУ, ни модель детектора улитки не дали результата. Причины лежат во вторичной обработке информации. А "ковырять" нейромодель контрпродуктивно.
Проще сделать "чистый" усилитель. А если народ скажет, что он слишком стерильный, чутка подрулить, чтобы все стало хорошо

[audiomun]

Пока что я полагаю, это можно сделать по виду переходного процесса
а вот так уже интересней, чуточку живей и объёмней:

https://forum.vegalab.ru/attachment....5&d=1630060072

Разочарую - именно подобные ПХ были у большинства УМЗЧ времён 60-80 гг. , из отечественных усилителей апериодическая ПХ была только у считавшегося тогда лучшим(что выглядит весьма странно, да ??) по звучанию, УКУ Бриг-001 ...

[bukvarev]

Может попробовать что-то вроде пары mn311 включенных дифференциально?

Vertical Driver LSI for Video Camera CCD Area Image Sensor?
Не понял, как их включить и какая цель. Сравнить входной и выходной сигнал?

[Nabludatel]

Лично меня интересует что делается на плёнке студийного магнитофона на уровне -30 -40дБ.
Это ~50-70кГц.
Эти обертоны тоже надо передать точно и без искажений, без них не складываются фронт и огибающая сигнала.
Значит уже нам надо 700Кгц-овое устройство, как минимум.

Бред.
1 Плёнкой сейчас пользуются только отъявленные ортодоксы.
2 50-70 кГц на студийных майфунах никто и никогда не обещал, это выдумки. Поднимите хар.-ки.
3 На хрен не надо этот ультразвук записывать, передавать и воспроизводить.
4 Некоторые таким макаром до "необходимой" частоты сэмплирования в 2,5 мГц договорились...а сами в силу возраста выше 13 кГц не могут слышать, им сэмплирования в 30 кГц с запасом хватит.