Немного теории искажений

[Scop]

Не секрет, что существующие показатели нелинейных искажений с очень большой натяжкой могут характеризовать субъективное качество воспроизведения. Из-за этого искажения различают на искажения громкоговорителей и усилителей, ламповые и транзисторные, искажения активных и пассивных элементов и т.д. и т.п. И в каждом из этих разделов есть свое деление на хорошо/плохо, можно/нельзя, слышно/не слышно.
После некоторых раздумий возникло предположение разделить имеющуюся в звуковом тракте нелинейность на два класса:
1. Детерминированная нелинейность, которая существует в тракте независимо от наличия /отсутствия сигнала – например, нелинейность жесткости подвесов, ВАХ усилительных приборов, трансформаторов, кривая намагничивания магнитной ленты и т.п. Т.е. эта составляющая нелинейности однозначно задана, имеет стабильный вид в течение длительного времени.
2. Стохастическая (случайная) нелинейность, которая возникает непредсказуемо и, как правило, определяется наличием сигнала. Примеры такой случайной нелинейности – тепловые эффекты в полупроводниках (микро- и макро- разогрев), выходной каскад с нелинейным выходным сопротивлением, работающий на реальную АС (у такого каскада искажения определяются током, а ток в АС не очень коррелирован с напряжением на ней). Есть и другие примеры – джиттер, влияние серво-системы.

Наука (Теория информации) по поводу этого предположения сказала следующее (вольный перевод): С точки зрения передачи информации нет такого закона природы, по которому нельзя скомпенсировать детерминированную нелинейность и получить ВСЮ информацию, переданную по тракту с такой нелинейностью. (Там есть ограничения, но применительно к аудио несущественно).
Напротив, стохастическая нелинейность принципиально не может быть учтена ни технически, ни физиологически (ухом, и т.п.) и приводит к потерям информации в звуковом тракте. Вот эта самая стохастическая нелинейность и определяет объективную разницу в звучании.

В общем, под таким прицелом поисследовал я выходные каскады разных УМЗЧ, прослезился, написал статью "Стохастическая нелинейность электроакустического тракта и ее влияние на субъективное качество звуковоспроизведения" и положил у себя на сайте здесь.
Статья уже принята к публикации в редакции журнала. Когда выйдет –добавлю библиографичесую ссылку. Кстати, тема вполне диссертабельна

Собственно, чего пишу здесь – в статье есть простенькая методика измерения обратной интермодуляции (RIMD). Очень рекомендую использовать. У меня получилась поразительная точность соответствия слышимого и наблюдаемого: на слух чуть заметное ухудшение(улучшение) сопровождается изменением коэффициента ОИМ уже в полтора-два раза!

С уважением.

Статья опубликована 08.4.2010. Библиографическая ссылка:

Чумаков М.И. "Стохастическая нелинейность электроакустического тракта и ее влияние
на субъективное качество звуковоспроизведения"
Электронный журнал "Исследовано в России", 022, стр. 283-292, 2010 г.
http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2010/022.pdf

[Alex Nikitin]

Спасибо, Михаил, хорошая статья. Во многом совпадает с тем, как я (вполне эмпирически, впрочем) подхожу к связи звучания и измерений УМЗЧ. Я, правда, ориентируюсь на то, что и заметность "стохастических" искажений может быть достаточно разной в зависимости от их характера и происхождения. RIMD это действительно полезная методика, хотя именно в этом отношении у меня возникли некоторые вопросы - но я их сначала обдумаю хорошенько и не буду торопиться с дальнейшими комментариями.

Алексей

[fakel]

Напротив, стохастическая нелинейность принципиально не может быть учтена ни технически, ни физиологически (ухом, и т.п.) и приводит к потерям информации в звуковом тракте. Вот эта самая стохастическая нелинейность и определяет объективную разницу в звучании.

А как же метод накопления? Если нелинейность случайная, то, пропуская один и тот же сигнал через тракт n раз (n->~) и суммируя все полученное на выходе, будем иметь неискаженный сигнал. Если же искажения останутся, значит нелинейность детерминированная и можно создать нелинейность ей обратную

[anli]

чего пишу здесь

Михаил, привет! Я думал, ты совсем забурился в про-железки и забыл про Вегу-матушку. Ан нет. Рад видеть!

//--


Думаю, что будет уместно рассказать новичкам, что у Михаила золотые ухи. В теме, в которой вслепую тестировались всяческие спектры и тепловые искажения (а я был крупье), Михаил "поразил мишень" с уникальным, невероятным результатом - сто из ста.

[Scop]

Спасибо, Алексей!
Тут действительно, есть над чем задуматься - начиная от классификации конкретных видов искажений и заканчивая временными соотношениями сигналов/искажений и их заметностью.

А как же метод накопления? Если нелинейность случайная, то, пропуская один и тот же сигнал через тракт n раз (n->~) и суммируя все полученное на выходе, будем иметь неискаженный сигнал. Если же искажения останутся, значит нелинейность детерминированная и можно создать нелинейность ей обратную

Тут два нюанса: первый - если мы пропускаем один и тот-же сигнал N раз, то мы фактически в N раз снижаем скорость передачи информации. А это дает совсем другую достоверность ее приема. Стохастические искажения (также как и шум) снижают пропускную способность канала не позволяя ДОСТОВЕРНО принять информацию со скоростью, превышающей некоторый ПРЕДЕЛ СКОРОСТИ (по Шеннону).
Второй - это самое обратное преобразование для компенсации детерминированной нелинейности выполняет наше серое вещество между ушами в реальном времени. Не уверен, что повышению достоверности поможет такой противоестественный для человечьего слуха метод.

[fakel]

Offтопик:
Попса, видимо, только им и пользуется

[Scop]

Михаил, привет! Я думал, ты совсем забурился в про-железки и забыл про Вегу-матушку. Ан нет. Рад видеть!

Привет, Андрей!
Также рад видеть!
Вот правильно говорят - обещанного три года ждут. Как раз три года назад мы пытали эти искажения (тепловые). Все в мозгу не укладывалось - как 10% тепловая модуляция рабочей точки каскада с 0,1% искажений может быть так слышна. И вот как оказалось!

А насчет ушей - вот отстроишь свои усилители по RIMDу - у тебя будут не хуже.

[Nota Bene]

Примеры такой случайной нелинейности – тепловые эффекты в полупроводниках (микро- и макро- разогрев), выходной каскад с нелинейным выходным сопротивлением, работающий на реальную АС (у такого каскада искажения определяются током, а ток в АС не очень коррелирован с напряжением на ней). Есть и другие примеры – джиттер, влияние серво-системы.

Примерно в том же ключе: размышлял я как-то о всяких нелинейностях - напрашивается мысль, что важен даже не сам уровень гармоник, а его неизменность (эргодичность) во времени (на нестационарном сигнале)... Ухо быстро привыкает к такому тракту, подсознательно вычитая const (считая такой тракт особенностью проводящей среды). Фактически надо стремиться к параметрической стабильности тракта.

[AudioKiller]

Очень интересно. Михаил, если можно - пара вопросов:
1. Почему ты считаешь тепловые искажения транзисторов стохастическими? ИМХО это все же детерминированные, если конечно окружающая температура стабильна, но это так в установившемся (по теплу) режиме.
2. (Жаль, что из pdf-файла не позволено копировать) На рис.2 нелинейности узлов моделированы источниками U-дельта-u и U-дельта-i. Просто вот вводятся такие нелинейности, и все тут. А потом вдруг говорится, что эта нелинейность именно стохастическая. Почему? Когда эти элементы вводились, ничего не говорилось об этом. А если изначально их ввести как детерминированные?
3. В продолжение вопроса №2. А почему результаты измерения RIMD говорят именно о стохастической нелинейности? Откуда это видно? Я так понимаю, что и при детерминированной нелинейности будет то же самое.

---------- Добавлено в 19:48 ---------- Предыдущее сообщение в 19:45 ----------

И еще. Про адаптацию уха к случайным сигналам. Известен такой "эффект вечеринки", когда в большом окружающем шуме (на вечеринке) не слышно чужого разговора. Но если специально прислушаться - то разборчивость "проявляется" настолько, что начинаешь разбирать, о чем говорят. Хотя это говорит только о великолепной приспособляемости слуха...

[Aquarius]

(Жаль, что из pdf-файла не позволено копировать)

Offтопик:
А в чем проблема выкусить через PrtScr?.. Правь, на здоровье!

[AudioKiller]

А в чем проблема выкусить через PrtScr

Offтопик:
Я имел ввиду скопировать текст, чтобы по конкретной фразе задать вопрос

[anli]

Offтопик:

Чумаков Н.М.

Scop-а зовут Чумаков Михаил.

[Aquarius]

Offтопик:

Scop-а зовут Чумаков Михаил.

Вот и познакомился...

[Lemmy]

а реальную схему усилителя можно увидеть или ноу хау?

[Scop]

Очень интересно. Михаил, если можно - пара вопросов:
1. Почему ты считаешь тепловые искажения транзисторов стохастическими? ИМХО это все же детерминированные, если конечно окружающая температура стабильна, но это так в установившемся (по теплу) режиме.
2. (Жаль, что из pdf-файла не позволено копировать) На рис.2 нелинейности узлов моделированы источниками U-дельта-u и U-дельта-i. Просто вот вводятся такие нелинейности, и все тут. А потом вдруг говорится, что эта нелинейность именно стохастическая. Почему? Когда эти элементы вводились, ничего не говорилось об этом. А если изначально их ввести как детерминированные?
3. В продолжение вопроса №2. А почему результаты измерения RIMD говорят именно о стохастической нелинейности? Откуда это видно? Я так понимаю, что и при детерминированной нелинейности будет то же самое

Начну с вопроса №2:
Как обычно в таких случаях говорят – ограниченный объем статьи не позволил дать подробные пояснения. . Эти дельты введены в самом общем виде и изначально неизвестно детерминированные они, или стохастические. Абзацем раньше говорится, что сложная электромеханическая нагрузка (АС) имеет в общем случае произвольное соотношение между мгновенным напряжением на ней и током через нее. В среднем это соотношение оценивается как модуль и фаза полного сопротивления (опять же на какой-то частоте). Но в целом, например, «горбик» Udelta i на стыке плеч двухтактного повторителя возникает в моменты времени, определяются ТОКОМ нагрузки. А в эти же моменты времени НАПРЯЖЕНИЕ на нагрузке может быть практически ЛЮБЫМ. Вот и получается, что передаточная характеристика по напряжению (рис 1а) получается с нелинейностью, «гуляющей» и по времени и по положению на АХ.
Как верно заметил Nota Bene такая нелинейность уже не является особенностью проводящей среды и должна рассматриваться как непредсказуемая (стохастическая). И стохастической ее делает непредсказуемая зависимость между током и напряжением.
А вот если нагрузить такую модель на резистор – нелинейность и напряжения и тока будут жестко связаны законом Ома и никакой стохастичности не будет. Жаль только, что мы не можем этого услышать.
Отсюда и ответ на третий вопрос: когда запускаем RIMD по описанной методике, то мы тем самым моделируем ситуацию, когда ток и напряжение не связаны между собой и возникающие при этом составляющие спектра обусловлены именно отсутствием этой связи.
По первому вопросу: тепловые дрейфы даже мощных транзисторов оказываются достаточно быстрыми вплоть до миллисекунд. Например, тепловая модель транзистора IRLR7807Z в корпусе D-Pak имеет три постоянных времени 0,27 мс, 0,6 мс и 4,2 мс . Изменения режима транзистора в зависимости от усиливаемого сигнала модулируют его рабочую точку и, соответственно, нелинейность. Повторюсь, детерминированная нелинейность - которая существует в тракте независимо от наличия /отсутствия сигнала, а тепловая модуляция – зависит от сигнала.
И эти тепловые искажения (известные, просчитываемые, моделируемые) на которых Андрей (anli) ставил опыты на людях - таки для уха были искажениями!

[Alex Nikitin]

Фактически надо стремиться к параметрической стабильности тракта.

Да, разумеется, я об этом вроде говорил неоднократно - что важна не столько собственно нелинейность передаточной характеристики, сколько её неизменность во времени.

стохастической ее делает непредсказуемая зависимость между током и напряжением.

Меня этот момент тоже несколько напрягает - почему RIMD связаны в статье именно со стохастическими искажениями. В первую очередь таким образом измеряется зависимость нелинейности выходного сопротивления усилителя от уровня сигнала. Она вполне может быть большой и в то же время стационарной во времени, то есть по сути детерминированной. Или я что-то упускаю?

Алексей

[AudioKiller]

Scop, Все же ИМХО тепловые искажения детерминированы, поскольку отвечают главному критерию детерминированности - существует однозначное обратное преобразование. Насчет U-дельта-i понял, там действительно так и есть.
Но главное, что вызывает сомнение это вот что: наличие однозначного обратного преобразования - это ИМХО единственное условие детерминированности, а наличие или отсутствие сигнала здесь непричем (т.к. даже "обычная" нелинейность никак себя не проявляет в отсутствии сигнала, она-то и смысл приобретает, если сигнал есть). Это если сигнал не случайный. Для случайного сигнала обратного преобразования нет по определению и тут все совпадает.

[anli]

Offтопик:

Андрей (anli) ставил опыты на людях

Ну ты сказанул. anli - прям доктор Зло

В первую очередь таким образом измеряется зависимость нелинейности выходного сопротивления усилителя от уровня сигнала. Она вполне может быть большой и в то же время стационарной во времени, то есть по сути детерминированной. Или я что-то упускаю?

Да, я как раз тоже именно это кручу в мозгах.

---------- Добавлено в 21:44 ---------- Предыдущее сообщение в 21:40 ----------

Все же ИМХО тепловые искажения детерминированы, поскольку отвечают главному критерию детерминированности - существует однозначное обратное преобразование.

Думаю, из-за различия временнЫх порядков (сам сигнал и его огибающая) для ушей ТИ оказываются стохастическими.

[Костя Мусатов]

Михаил, спасибо! Интересная статья, но есть моменты, которые меня сильно напрягают.
Для начала. Делается заключение, что искажения усилителя стохастические, коли IMD и RIMD одинаковы.
Я не могу с этим согласиться. Делается стандартный тест: идеальный вычитатель, нелинейный элемент, идеальный усилитель и введена обратная связь. Это модель усилителя с исключительно детерминированной нелинейностью. У него IMD и RIMD совпадают.

.SUBCKT AMP2 1 2 3
+PARAMS: K=1000 NL=0.1
E 3 0 VALUE={K*(V(1,2)+NL*V(1,2)*V(1,2))}
.ENDS

[Scop]

Меня этот момент тоже несколько напрягает - почему RIMD связаны в статье именно со стохастическими искажениями. В первую очередь таким образом измеряется зависимость нелинейности выходного сопротивления усилителя от уровня сигнала. Она вполне может быть большой и в то же время стационарной во времени, то есть по сути детерминированной. Или я что-то упускаю?

Здесь действительно тонкий момент, требующий более подробных пояснений.
В статье упомянут «информационный параметр», в частности, для ИНУН это напряжение, подаваемое на громкоговоритель. Суть этого параметра состоит в том, что мы считаем, что громкоговоритель преобразует этот информационный параметр в звуковую волну (естественно, с какой-то нелинейностью, предположительно, детерминированной, что свойственно этим элементам тракта). При этом детерминированной полагаем нелинейность преобразования напряжение/скорость(смещение, ускорение) акустической волны. Подобным образом для ИТУНа можно положить преобразование ток/скорость (смещение, ускорение) акустической волны. Это, конечно, граничные случаи, но они достаточно адекватны при хорошем «разносе» сопротивлений источника и АС.

Так вот если для этих случаев усилитель обеспечивает независимость нелинейности ИНФОРМАЦИОННОГО ПАРАМЕТРА от сигнала, то эта нелинейность информационного параметра (напряжения, или тока) будет детерминированной. Другими словами, наличие/изменение тока нагрузки не должно изменять нелинейность АХ усилителя (ИНУН) по напряжению, а наличие/изменение напряжения на нагрузке не должно изменять нелинейность АХ ИТУН по току. А вот если нелинейность напряжения (информационного параметра для ИНУН) будет модулироваться из-за протекающего тока – это стохастическая составляющая.
На самом деле напряжение и ток в электродинамических АС связаны мало того, что практически случайно (для широкополосного сигнала), так еще и нелинейно. Например, 0,5 % гармоник в токе через АС при 0,001% гармоник в подаваемом на нее напряжении – вполне обычное дело. Здесь спасает электрическое демпфирование – при демпинг-факторе 100 эти 0,5 % превращаются в 0,005%.
Возвращаясь к RIMDу – этот тест как раз и дает ответ на вопрос – зависит ли нелинейность передачи напряжения усилителем от тока нагрузки?