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

[Сергей Гапоненко]

Я не фанат ламп (профессиональный физик в области полупроводников) и категорический противник ламповых и лампово-подобных улучшайзеров.

Я тоже хочу разобраться. Просил Евгения сделать релиз, в стиле статьи , подытоживая то, что сделано.
Здесь уже эмоции опережают мысли.
К сожалению, и Евгений не лишен эмоций.
Поэтому напомню одесский анекдот: "Так Вам с шашечками или ехать?". Т.е.: Нам нужен метод объективных измерений, коррелирующий со слуховыми впечатлениями или МЫ ЖДЕМ результат его применения , подтверждающий исповедуемую мной, Евгением, Игорем, Андреем, Сергеем, ... доктрину? И перебиваем Евгения, не давая ему возможности спокойно подытожить и проанализировать рез-т!
Мы же не технологии элементной базы обсуждаем (сегодня, кстати, лампы выпускаются и многие стоят дешевле хороших ОУ), не топологии (ООСНЫЕ-БЕЗООСНЫЕ) , а методы объективной оценки по-разному ЗВУЧАЩИХ аппаратов. В этой ситуации и отклонения в сторону АС уводят от темы не меньше , чем разговоры про ООС.
Может, притихнем на недельку и попросим Евгения релиз написать?

[bukvarev]

Пока я не готов написать цельный материал, поскольку исследования в самом разгаре.
Например, сейчас с Андреем проводим лабораторную работу по исследованию влияния стабилизированного питания на звук .

[Semigor]

Пока я не готов написать цельный материал, поскольку исследования в самом разгаре.
Например, сейчас с Андреем проводим лабораторную работу по исследованию влияния стабилизированного питания на звук .

Тут лабораторкой не обойтись. Субъективно стаб может и улучшать и гадить, сильно зависит от того, что за стаб.
Хорошо бы взять для исследований всем известную схему, дающую устойчиво положительный результат, например LT108x.

[Сергей Гапоненко]

Offтопик:
Удивился, что за ересь пишет Гапонов. Не мог он этого написать. Прочитал внимательно - Гапоненко!

Это не ересь. Энергия электрона в полупроводнике порядка 1-10 эВ, что соответствует длине волны де Бройля примерно до 1 нм. , т.е. соизмерима с расстоянием между атомами. Это является физической основой наноэлектроники. Электрон в реальном кристалле движется как свет в тумане или как звук неоднородной вате. В металле, например, длина свободного пробега примерно 50 нм. Энергия электрона в вакуумном триоде раз в ...дцать выше. Что соответствует длине волны де Бройля в корень квадратный из ..дцать меньше. Эту много меньшую (по сравнению с электроном в полупроводнике) длину волны надо сравнивать с расстоянием между атомами в вакууме. Чувствуете разницу? Электрон в вакуумном триоде похож на мяч на волейбольной площадке. Длина волны много-много меньше длины свободного пробега.
Это не профанация. Уравнение Гельмгольца в оптике и акустике совпадает по форме с уравнением Шредингера в квантовой механике. например, прозрачность мутного слоя в оптике также обратно пропорциональна толщине как проводимость проводника обратно пропорциональна его длине. И так же запрещенные зоны в периодической среде образуются для звука и для света, как и для электронов. Прогуглите канал культура гапоненко, посмотрите мою лекцию, если интересно. Sorry for offtopic.

[Hennady]

Субъективно стаб может и улучшать и гадить, сильно зависит от того, что за стаб.
Хорошо бы взять для исследований всем известную схему, дающую устойчиво положительный результат,

ИМХО стаб это всегда положительный результат в большей или меньшей степени... если учитывается зависимость в конкретной реализации....

---------- Сообщение добавлено 19:36 ---------- Предыдущее сообщение было 19:32 ----------

Например, сейчас с Андреем проводим лабораторную работу

очередной синопсис?

[begemot61]

«посторонние» дискуссии возникают потому, что люди действительно заинтригованы неизвестностью

В чём сопсно неизвестность? Возьмите нормальный глубокосник а не кривой Маршалл и будет Вам известность. Неазависимо от того каким методом его измерять.

[bukvarev]

очередной синопсис?

Сравнивали два канала одного усилителя (стаб и нестаб. питание ВК) на предмет разницы в НЧ. "НА горячую". Также сравнивали цифровой усилитель с аналоговым, тоже по характеру звучания НЧ.
По меньшей мере, для себя предварительные выводы, как и где "гадит", и в чем состоит различие "низа", даваемого стабилизированным источником от нестабилизированного, сделали. А также попробовали эту разницу в значительной мере нивелировать конструктивными решениями.
Правда под конец дня уже устали, слух "замылился". Но тем не менее, день прошел успешно, и мне дальше есть, чего поделать с MW.

[Hennady]

Сравнивали два канала одного усилителя (стаб и нестаб. питание ВК) на предмет разницы в НЧ. "НА горячую".

только "гадят", как выразился Семигор, в несколько иной частотной области ))), причем о том как "гадит" в звуке не стабилизированное питание, как то умалчивается )))

и в чем состоит различие "низа", даваемого стабилизированным источником от нестабилизированного, сделали.

и трансформаторы питания были одинаковые? и что за емкостя в питании после диодного моста в обоих случаях?
какие выходные ИП сопротивления рассматривались?
что с реакцией на импульс? какая индуктивность ВК ?....

По меньшей мере, для себя предварительные выводы,

например?

А также попробовали эту разницу в значительной мере нивелировать конструктивными решениями.

......

---------- Сообщение добавлено 20:15 ---------- Предыдущее сообщение было 20:04 ----------

Правда под конец дня уже устали,

я вообще удивлен откуда вы "силы берете" сравнивать в принципе не сравниваемые реализации....
и любопытно, с каких пор не стабилизированное питание стало эталонным? и какое оно имеет отношение к качественному звуковоспроизведению?....

[bukvarev]

например?

А Вам-то это зачем? Помнится, Вы писали, что сами все знаете.

Теперь и мы тоже знаем. Где что гадит, и на каких частотах.

[Hennady]

Теперь и мы тоже знаем.

просто "знать" мало, "знать как" - намного интереснее...

[bukvarev]

"знать как" - намного интереснее...

Я понимаю, что Вам очень интересно это узнать..
Но мы оставим подобную информацию только для себя.

[IDDQD]

Эта тема меня побудила собрат несколько топологий транзисторных ОСных УН с Кг на уровне тысячных...

Зачем же осных, можно и безосных с такими же параметрами. (Работа первых двух транзисторов описана здесь. Ну а как работает ЭП со следящим питанием нагруженный на ИТ вы и без меня знаете...)

P.S. Надеюсь вам захочется собрать этот УН и рассказать нам как он звучит... Вполне себе ламповый спектр, по словам автора, звук точный...

[bukvarev]

Все же, если вернуться к вопросу о возможных причинах "деградации" звука в усилителях с ОООС, то одним из факторов может являться вклад в выходной сигнал участка "входная земля-мекка". Дальше буду писать в общем-то, хорошо известные вещи.

Действительно, этот участок является одним из самых критичных к разводке.
Если рассмотреть усилитель с единственной общей ОООС, то ОООС выполняет операцию сравнения напряжений "вход-входная земля" и "выход-входная земля".
А на акустическую систему сигнал снимается с участка "выход-мекка". Иными словами, ОООС стабилизирует суммарное напряжение "входная земля-мекка" и "выход-мекка".

Несмотря на то, что значительный и нелинейный ток нагрузки на участке "входная земля-мекка" не протекает, напряжение на нем в реальных конструкциях не равно нулю.
В правильно спроектированной конструкции по этому участку течет лишь ток делителя ОООС - для неинвертирующей схемы, и входной ток - для инвертирующей:

Меня заинтересовали реальные уровни и параметры напряжения на этом участке у УНЧ (на рисунке выше показан инструментальный усилитель с усилением 40 дБ, который снимает сигнал с участка "сигнальная земля - мекка").

Сегодня с Андреем провели небольшой эксперимент по измерению сигнала на участке "входная земля - мекка".
В качестве подопытного был взят усилитель на TDA7294, собранный по типовой схеме на небольшой двухсторонней плате.

Участок "сигнальная земля - мекка" был разделен на три части, и проведены измерения напряжения в каждом случае.
На фото показан "длинный" участок.
Усилитель питался от стабилизированного линейного источника питания. В цепи питания на плате установлены два LO ESR электролита 1000 мкФ.
В качестве нагрузки использовалась АС с импедансом 8 Ом.

По ссылке: https://drive.google.com/drive/folde...4Y?usp=sharing
находятся wav файлы и фото.

В целом, при пиковом выходном напряжении на АС 7 В амплитудного, максимальный сигнал на "длинном" участке составил "минус" 80 дБ.
При уменьшении расстояния между точками на плате, уровень сигнала тоже уменьшался, а его искажения возрастали.
Средний участок - уровень сигнала меньше, чем в "длинном" на 8 дБ ("минус" 88 дБ от выходного напряжения):



Короткий участок - уровень сигнала меньше, чем в "длинном" на 25 дБ ("минус" 105 дБ от выходного напряжения):


На наш взгляд, это много, учитывая (повторюсь), что ОООС стабилизирует сумму этого сигнала и сигнала на клеммах АС. В конкретном случае, омическое сопротивление всего рассматриваемого участка печатной платы - единицы миллиом.
Звук, снятый с короткого участка очень похож на "транзисторное звучание" (файлы можно послушать по ссылке https://drive.google.com/drive/folde...4Y?usp=sharing).

Если даже на такой маленькой плате (правда, сделанной не по "феньшую"), имеется значительный сигнал, боюсь представить, что может твориться на платах некоторых промышленных аппаратов, или у УНЧ с платой, как палуба авианосца..

Теперь - немного о безОООСниках. "БезОООСники" - устройства многокаскадные. В них ток регулирования по большому кругу через электролиты питания выходного каскада не течет. В явном виде, такого чувствительного места в конструкции, как мекка глубокоОООСника, нет.
Ламповики - отдельная песня. Малые токи и трансформаторная развязка.

Этот эксперимент - как пример того, что одна цепь регулирования с большим петлевым, являясь математически оптимальным решением, в практической реализации имеет свои особенности. И насколько сильно конструкция влияет на результат .

Мы с Андреем думаем, что достаточно полезным измерением для ОООСника может оказаться запись сигнала на участке между входной землей и "земляной" выходной клеммой УНЧ, либо на участке "земля делителя ОООС - мекка", если есть возможность аккуратно снять такой сигнал.

[variator]

Offтопик:
bukvarev, а "твердокаменный" макет разобран?

[dekko]

И насколько сильно конструкция влияет на результат

и не говори..... совсем не лишнее подтверждение тому, что даже "волшебную схему" можно легко испортить кусочком провода припаянным "не в то место"

[sia_2]

Так оно и есть. Но объяснять это большинству конструкторов, не говоря о радиолюбителях - довольно сложно.

[bondar100]

А соединение двух таких усилителей в мост может снижать искажения цепи обратной связи? Ведь мекка (как и вся земля) станет слаботочной (как в ламповиках).

---------- Сообщение добавлено 09:17 ---------- Предыдущее сообщение было 08:31 ----------

При уменьшении расстояния между точками на плате, уровень сигнала тоже уменьшался, а его искажения возрастали.

Часто такой характер имеют систематические ошибки эксперимента.
Ведь если такая зависимость монотонна, то получается, что максимальные искажения будут при стремлении расстоянии между точками к нулю. Либо же тут сложная зависимость от выбора точек.
Вы можете поделиться, какие референсные эксперименты вы проводили чтобы выявить систематическую ошибку? Например, это могло быть снятие сигнала с этого же участка фольги, но при отключенном усилителе ТДА?

[mellowman]

Никак не пойму, неужели искажения, снятые с фольги платы, заметны на фоне искажений "инструментального усилителя"?

Инструментальный усилитель искажает в % от усиливаемого им сигнала, т.е. "искажений фольги" (что на самом деле конечно не искажения фольги )

[ОРорин]

Теперь - немного о безОООСниках. "БезОООСники" - устройства многокаскадные. В них ток регулирования по большому кругу через электролиты питания выходного каскада не течет. В явном виде, такого чувствительного места в конструкции, как мекка глубокоОООСника, нет.

У безОООС имеется другая проблема - длина и ширина проводников общего провода до электролитов питания УН будет сказываться на звуке. С ОООС это еще как-то исправляется.

[dekko]

длина и ширина проводников

а так же материал и цвет изоляции проводов