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

[E.Sokol]

у хороших карт спектральная плотность мощности фазовых шумов достаточно быстро спадает при удалении от центральной частоты, а сама частота делится (что пропорционально сужает эффективную полосу фазовых шумов), поэтому эффект в основном проявляется в виде "юбки" на очень низких уровнях (вблизи основания спектрального компонента).

Может быть, мы о разных вещах говорим? В идеале, не должно быть вообще ничего, кроме единичного импульса на спектре:

(шумы тут добавлены для наглядности и реалистичности)

[bukvarev]

Может быть, мы о разных вещах говорим? В идеале, не должно быть вообще ничего, кроме единичного импульса на спектре:

Нет, об одном и том же.

Уровни очень низкие. Реальная запись "ЦАП-АЦП".

[E.Sokol]

Реальная запись "ЦАП-АЦП".

почти -120 дБ на (почти)1кГц - это неплохо. А как насчёт 20 кГц?

[bukvarev]

почти -120 дБ на (почти)1кГц - это неплохо. А как насчёт 20 кГц?

У меня под рукой подходящей записи нет, а специально я не измерял. Максимум - 15 КГц, но с уровнем ниже:

А в чем, собственно, вопрос? Эта карта не имеет каких-то выдающихся параметров. Десятые доли Герц рассмотреть на спектре очень трудно. Нужен квадратурный приемник с очень качественным опорным генератором и амплитудный детектор. Тогда можно будет увидеть "нутро" частотной "палки".

[Валет]

А как насчёт 20 кГц?

Для достоверного измерения Кг необходимо регистрировать выходной сигнал в диапазоне частот в несколько МГц и учитывать весовой коэффициент гармоник. Иначе низкие цифры измеренных искажений будут опровергаться сравнительным прослушиванием, как это имеет место для ZD-50.
ИМХО.

[A.B.ANTONOV]

Для достоверного измерения Кг необходимо регистрировать выходной сигнал в диапазоне частот в несколько МГц и учитывать весовой коэффициент гармоник.

И как распределяются весовые коэффициенты?

[Валет]

И как распределяются весовые коэффициенты?

Вопрос открытый. Мне попадались оценки весового вклада нелинейности амплитудной характеристики усилителя от пропорционального порядку нелинейности до пропорционального квадрату порядка. Но в любом случае гармонический состав искажений хотя бы очень грубо надо указывать.
ИМХО.

[Johny]

Иначе низкие цифры измеренных искажений будут опровергаться сравнительным прослушиванием, как это имеет место для ZD-50.

Пож-та, с этого места поподробней про ZD-50. С чем сравнивали? Каков результат?

[A.B.ANTONOV]

Но в любом случае гармонический состав искажений хотя бы очень грубо надо указывать.

Даже если гармоники выходят за пределы звукового диапазона? Вплоть до 1 мГц?

[Mexap]

Иначе низкие цифры измеренных искажений будут опровергаться сравнительным прослушиванием, как это имеет место для ZD-50.

Валет, вы лично слышали ZD50? Своими ушами? Только честно.

[Валет]

поподробней про ZD-50. С чем сравнивали? Каков результат?

Сам я не сравнивал и вообще ZD-50 не слышал. Но в сети на разных форумах есть отчеты о сравнениях с его участием, и он не занимал призовых мест.
Вот, например, мнение о ZD-50.

Соперниками профетмастеру на этом форуме могут быть только ZD-50 и зуев, пока работает в классе А.

ZD-50 точно не конкурент.

Кроме того, Профетмастер написал в первых впечатлениях от моего уся, что мой «звучит лучше, чем ZD-50, который недавно был у него, причем значительно». Это было написано в одной из снесенных веткок о прослушивании наших усей.

Даже если гармоники выходят за пределы звукового диапазона?

В ZD-50 звучание портят нелинейности амплитудной х-ки усилителя, производящие гармоники в сотки кГц от синусоиды 20кГц.
Даже если гармоники выходят за 1 МГц, они все равно являются инструментом, индикатором, позволяющим оценить нелинейности амплитудной х-ки, а эти нелинейности искажают звуковые частоты.

[Mexap]

Кроме того, Профетмастер написал в первых впечатлениях от моего уся, что мой «звучит лучше, чем ZD-50, который недавно был у него, причем значительно». Это было написано в одной из снесенных веткок о прослушивании наших усей.

Лично мы с Евгением не вполне согласны с отзывом Олега. ;) Мы слышали несколько иное.

Сам я не сравнивал и вообще ZD-50 не слышал.

А писать ерунду, видимо, это не мешает никак?

[Валет]

Лично мы с Евгением не вполне согласны с отзывом Олега. ;) Мы слышали несколько иное.

Ничего удивительного, каждый слышит по-своему. Жаль только, что вы вспомнили об этом только сейчас, а не тогда вместе с Олегом. Заставляет подозревать ошибки памяти.

[Mexap]

Ничего удивительного, каждый слышит по-своему. Жаль только, что вы вспомнили об этом только сейчас, а не тогда вместе с Олегом. Заставляет подозревать ошибки памяти.

Какая опять прекрасная фантазия! Я Олегу сказал, что я слышу сильно иначе, чем он сам считает. Я не услышал(для себя) превосходства его усилителя, скорее даже наоборот, и думаю Олег подтвердит мои слова. Мне усилитель Олега показался однозначно ярче и громче(уровень выставляли приборно), с менее прорисованной стереокартиной(3d), грязнее. О чем я ему немедленно и доложил. ;) А Евгений сам за себя напишет.

зы: вообще, надо сказать, что после Системы Макарова накануне, лично мне было трудно анализировать систему Олега. Уж очень "специфическая" акустика стоит у Олега. Чтобы опять небыло домыслов - об этом я ему тоже говорил. Практически теми же словами. ;)

зыы: также я попросил поставить в систему хозяина свой ЦАП Proceed DAP, чтобы иметь хоть одну точку опоры(оценки), ибо Адком хозяина оказался за гранью моих пониманий.

зыыы: ремарка для фантазёра Валета - Олегу тоже об этом сообщил, что с Адкомом не сдружился сразу.
Ремарка для Олега - гостеприимству хозяев - просто нет хвалы, время пролетело незаметно! прекрасно пообщались. но система мне "не зашла", совсем, и я, вроде, в этом был честен. не скрывал.
вот например: люблю я звук akg k401, и не люблю звук beyerdynamic dt770pro 250. обе модели в личном пользовании, если что. так вот, ну чтож поделать? на вкус и цвет. и оба этих монитора в чем-то сильно проигрывают наушникам balanced armature от etymotic, которые тоже есть в личном пользовании. и все наушники безоговорочно уступают для меня в приоритете прослушиванию в(хороших) акустических системах. вкусы. и никаких фантазий, заметьте, голая практика.

В ZD-50 звучание портят нелинейности амплитудной х-ки усилителя, производящие гармоники в сотки кГц от синусоиды 20кГц.
Даже если гармоники выходят за 1 МГц, они все равно являются инструментом, индикатором, позволяющим оценить нелинейности амплитудной х-ки, а эти нелинейности искажают звуковые частоты.

помнится на одном ресурсе, в картинках, уже показали вам, что у вашего усилителя коммутационные искажения эм... скажем мягко, несколько выше, чем у реально промеренного экземпляра ZD-50. И по приборным, опять же, замерам, ваши фантазии-прикидки о ZD-50, эм... несколько преувеличены.
нет, ну я понимаю, сам лично послушал-промерил-покрутил-убедился, ага, это о(в)но. Но нет же! только свои личные фантазии и отзывы с чужих слов. но тогда откуда сколько энтузиазма?!! Сам не слышал, но осуждаю(с).
Вот надоело уже, реально. Может хватит?

[bukvarev]

Правильно выполненный ZD-50 очень хорош по звуку. Далеко не всем нравятся точные и чистые усилители, это - дело вкусов, о которых не спорят.

Лично мне необходимость использования высокочастотных измерений гармоник звукового усилителя совершенно неочевидна. Аргументы, которые приводятся сторонниками таких измерений, сводится к возможности возникновения продуктов комбинации ультразвуковых компонентов, разностные частоты которых могут попасть в звуковой диапазон. Для усилителя с хорошей глубокой ОООС в звуковом диапазоне это не страшно, как и "коммутационные искажения".
Акустические системы - там да, могут быть вопросы. Но мне не попадалось документов, описывающих испытания акустической системы многотональным ультразвуковым сигналом, с оценкой уровня искажений в звуковой полосе.

Соответственно, в этом направлении никаких исследований пока делать не планирую.

[E.Sokol]

Для достоверного измерения Кг необходимо регистрировать выходной сигнал в диапазоне частот в несколько МГц и учитывать весовой коэффициент гармоник.

А разве в аудио-усилителях не применяют ФНЧ для вырезания ультразвуковых частот? Как страшно жить.

---------- Сообщение добавлено 08:07 ---------- Предыдущее сообщение было 07:57 ----------

А в чем, собственно, вопрос?

Вопрос в том, что как вы сами уже упоминали - измерение THD на одной частоте никак не может охарактеризовать весь тракт в целом. Очевидно, что чем выше частота, чем больше влияние джиттера (и возможно, ещё чего-то) - поэтому на 20 кГц картинка вряд ли будет такой же красивой.

---------- Сообщение добавлено 10:18 ---------- Предыдущее сообщение было 08:07 ----------

ты можешь сам оценить погрешность вносимую комплексом источник/регистратор в "Гильберте", введя их ошибки в исходную мат.модель по типу https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post2122221 .

Меня в этой модели смутил один момент, а именно:

S(t)=L{s(t)}+N{s(t)}+a(t) , (1)
где
S(t) — сигнал на выходе тракта/канала, или реакция объекта на сигнал s(t);
t- переменная времени;
L{*} – линейный оператор тракта/канала, или оператор линейных искажений объекта;
N{*} – нелинейный оператор тракта/канала, или оператор нелинейных искажений объекта;
a(t) – аддитивные шумы и помехи тракта/канала/объекта, сопровождающие сигнал s(t).

Почему это нелинейные искажения приплюсовываются? Это только аддитивный шум может плюсоваться. По моим представлениям, корректная модель должна выглядеть как-то так:

S(t) = L₂{N{L₁{s(t)}}}+a(t)

или, в терминах свёртки

S(t) = L₂(t)∗N{L₁(t)∗s(t)}+a(t)

L₁ и L₂ - это линейные искажения до и после нелинейных - их нельзя объединять.

[Валет]

Далеко не всем нравятся точные и чистые усилители, это - дело вкусов, о которых не спорят.

Полностью согласен, о вкусах не спорят.

Лично мне необходимость использования высокочастотных измерений гармоник звукового усилителя совершенно неочевидна.

Философия Hi-End’a вообще не предлагает каких-либо измерений, достаточно оценок в соответствии со своим вкусом. Обсуждать их, а тем более ломать копья по этому поводу бессмысленно.

Но проводя измерения ,т.е. находясь в рамках Hi-Fi, в соответствии с ГОСТами необходимо регистрировать все значимые искажения (даже если они не всем очевидны). Игнорирование ВЧ гармоник при измерении Кг означает игнорирование соответствующих им нелинейностей передаточной функции усилителя и искажений реального звукового сигнала, вызванного ими.

А разве в аудио-усилителях не применяют ФНЧ для вырезания ультразвуковых частот? Как страшно жить.

Применяют, но они не влияют на интермодуляционные компоненты нелинейных искажений в полосе ЗЧ. А ультразвуковые и так не слышны.

[begemot61]

Ничего удивительного, каждый слышит по-своему

С этим трудно спорить, особенно если считать эталоном Ы90 или нетленные изделия г-на Клячина на 2ГД40

---------- Сообщение добавлено 22:37 ---------- Предыдущее сообщение было 22:34 ----------

В ZD-50 звучание портят нелинейности амплитудной х-ки усилителя, производящие гармоники в сотки кГц от синусоиды 20кГц

Вот только в Вашем творении они в несколько раз больше чем в ZD50. Что Вам было продемонстрированно несколько раз.

[E.Sokol]

Игнорирование ВЧ гармоник при измерении Кг

Никто их не игнорирует. Гармоники спадают по определённому закону, в зависимости от её номера. Зная значения нескольких первых гармоник, можно оценить и значения всех остальных - даже если нет возможности их непосредственно измерить. Значения уровней гармоник могут быть промодулированы, но общая тенденция - чем больше номер, тем сильнее спад - всегда соблюдается.

[Валет]

Гармоники спадают по определённому закону, в зависимости от её номера. Зная значения нескольких первых гармоник, можно оценить и значения всех остальных - даже если нет возможности их непосредственно измерить. Значения уровней гармоник могут быть промодулированы, но общая тенденция - чем больше номер, тем сильнее спад - всегда соблюдается.

Совершеннейшая чушь! Нет никакого закона.