Измерение качества звуковых трактов

Использование персонального компьютера для анализа параметров аналоговых низкочастотных трактов основано на применении аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП). Современные АЦП и ЦАП позволяют преобразовывать звуковые сигналы с частотой дискретизации 32 кГц - 96 кГц с разрешением, эквивалентным 16 - 24 двоичным разрядам. При разработке соответствующего программного обеспечения оказывается возможным формировать и воспроизводить через ЦАП гармонические, полигармонические и другие измерительные сигналы. Принятые от АЦП данные могут быть обработаны методами спектрального и временного анализа, после чего будут определены параметры сигналов и рассчитаны параметры тракта прохождения сигнала с выхода ЦАП на вход АЦП.

Наиболее доступными на сегодня устройствами ввода-вывода звуковых сигналов являются карты типа Sound Blaster. Однако, как показывают исследования достаточно хороших по субьективному качеству звучания моделей Gravis Ultra Sound, Creativ Sound Blaster, Apex и др., большинство из них пока не обладает характеристиками, необходимыми для построения качественных измерительных устройств. Несовершенными являются параметры входов-выходов, собственные шумы, нелинейные искажения, неравномерность АЧХ и др. Рекламируемые же характеристики, как правило, являютя либо потенциальными, но не реализованными характеристиками встроенных микросхем специализированных кодеков АЦП-ЦАП, либо относятся только к режиму воспроизведения MIDI-файлов. Кроме того, лишь недавно появились карты с возможностью одновременного ввода и вывода сигналов (полный дуплекс) и с процессором цифровой обработки сигналов. Эти функции ориентированы, в основном, на применение в телеконференциях по сети Интернет и для реализации набора стандартных алгоритмов обработки сигналов (фильтрация, сжатие и др.). В задачах измерения, как правило, требуется применение более сложных алгоритмов ввода-вывода и анализа сигналов.

Другой альтернативой являются промышленные специализированные компьютерные модули - т.н. устройства связи с обьектом (УСО), часть которых может выполнять точные измерения и предварительную обработку сигнала по загружаемому пользователем алгоритму. Такие устройства значительно больше приспособлены для задач измерения, поскольку содержат автономные преобразователи напряжений питания, дифференциальные и гальванически развязанные входы-выходы, имеют гибкие возможности программирования на встроенном процессоре. Недостатком известных устройств (фирм Advantech, Octagon System, L-CARD) является их избыточная универсальность и ориентированность на автоматизацию производственных процессов. По этой причине УСО, как правило, являются многоканальными, ориентированными на измерения постоянных напряжений и токов, а более быстродействующие не содержат фильтров от наложения спектров, и необходимых схем коммутации входов-выходов, не нормируютcя специфические для звуковых трактов параметры. Стоимость модулей УСО с учетом потребности в специализированном программном обеспечении и необходимости дооснащения дополнительными входными и выходными устройствами практически соизмерима со стоимостью собственной разработки.

С учетом проведенного анализа разработана структурная схема анализатора параметров звуковых трактов АПЗТ (рис.1), применяемого и для измерения качества звуковых каналов и трактов . Во входной части она содержит два стереоканала А и В. На дифференциальном входе каждого канала имеются управляемые сопротивления для сопряжения с различными трактами студийной и бытовой аппаратуры. Могут быть запрограмированы следующие значения входных сопротивлений 100 кОм, 600 Ом, 200 Ом, 150 Ом. Входной аналоговый коммутатор кроме входного сигнала позволяет коммутировать также выходной сигнал ЦАП, источник опорного напряжения (ИОН) и шину “нуля”, что необходимо для самокалибровки коэффициентов передачи и самокоррекции АЧХ и ФЧХ измерительного канала. Программируемый усилитель преобразовывает дифференциальный входной сигнал в недифференциальный и программно устанавливает входные диапазоны напряжений уровнями от минус 30 дБ до +18 дБ с шагом 6 дБ (0 дБ соответствует 0.775 В среднеквадратического значения). Программируемый фильтр формирует полосу рабочих частот 20 Гц - 20 кГц, а также увеличивает возможности АЦП по измерению нелинейных искажений меньше 0.001 % (за счет переключения в режим подавления сигнала основной частоты). Дельта-сигма АЦП типа AD1877 фирмы Analog Devices преобразует аналоговый сигналы по каналам А и В с точность 16 двоичных разрядов и частотой дискретизации 44,1 кГц.

Последовательный выходной код АЦП поступает на процессор ЦОС, где в соответствии с алгоритмом измерений происходит его предварительная обработка, накопление в буферном ОЗУ и передача на системную плату персонального компьютера по шина ISA. Процессор ЦОС также позволяет непрерывно выдавать в цифровом виде измерительный сигнал на ЦАП с 4-х или 8-кратной передискретизацией. Управление аналоговой частью осуществляется кодами, посылаемыми через процессор ЦОС в регистр управления.

Выходная часть устройства содержит 18-разрядный основной сигнальный ЦАП типа AD1868 и умножающий ЦАП на основе микросхемы AD7111 фирмы Analog Devices. Последовательное включение ЦАП позволяет плавно, с шагом 0.1 дБ регулировать уровень выходного сигнала в диапазоне от минус 74 до +12 дБ. Программируемый ФНЧ при полосе пропускания 20 кГц позволяет ограничить спектр шумов, а при полосе пропускания 1 кГц - обеспечить сверхнизкий уровень нелинейных искажений ЦАП. Выходной аналоговый коммутатор передает на выход сигнал ЦАП непосредственно, либо после фильтрации, а также позволяет независимо управлять включением выходных каналов А и В. Выходные устройства А и В содержат в своем составе формирователи дифференциального сигнала и буферные усилители для работы на низкоомную нагрузку. Имеется также возможность изменять собственное выходное сопротивление 0 Ом / 600 Ом и измерять сопротивления нагрузки.

Конструктивно АПЗТ выполнен в виде законченных модулей кодека (аналоговая часть, АЦП, ЦАП), процессора ЦОС и жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) с контроллером. Модули встраиваются в доработанный системный блок компьютера класса Pentium и образуют законченную переносную измерительную систему. На 5-дюймовом модуле кодека установлены универсальные разьемы фирмы Neutrik для подключения измеряемых трактов. ЖКИ с подсветкой имеет возможность складывания при транспортировании. Работа АПЗТ возможна как в автономном переносном варианте, так и при подключении внешних монитора и принтера. Практически имеется полный персональный компьютер с дополнительными измерительными модулями, которые превращают его в универсальную измерительную. систему.


Рис. 1. Общая структурная схема АПЗТ

Выполненный в виде переносного прибора АПЗТ-02, по сути, представляет собой измерительно-информационную систему, способную при измерении низкочастотных параметров заменить собой больше десятка традиционных измерительных приборов: генератор гармонических и специальных сигналов, вольтметры среднеквадратический, селективный, шумомеры интегральный и псофометрический, измерители нелинейных искажений, искажений разностного тона и интермодуляции, спектроанализатор, измерители амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), группового времени запаздывания (ГВЗ) , фазометр, частотомер, девиометр, гониометр и др. Столь широкий набор измеряемых параметров стал возможным благодаря програмным методам формирования и обработки сигналов. Напомним, что в анализаторе измерительный сигнал формируется с помощью ЦАП, подается на вход измеряемого звукового тракта, выходной сигнал тракта принимается на АЦП, обрабатывается в специализированном сигнальном процессоре и в системном процессоре персонального компьютера. Результаты измерений выводятся на жидкокристаллический индикатор, а графики - на стандартный монитор, имеется возможность сохранения и распечатки результатов.

Основным методом обработки сигнала является быстрое преобразование Фурье (БПФ) , позволяющее получить спектр сигнала, прошедшего через измеряемый тракт. Все искажения формы исходного, сформированного с помощью ЦАП сигнала, определяются по его амплитудно-фазовому спектру. Для получения достаточной разрешающей способности по частоте используется БПФ на 16384 отсчетов, что при частоте дискретизации 44,1 кГц соответствует однократной временной выборке 0.372 с и разрешающей способности 2.69 Гц. Входные сигналы с частотой, некратной указанной, приводят к так называемому “размытию” спектра между соседними гармониками. Для исключения “размытия”, выборка входного сигнала перед подачей на БПФ умножается на весовую функцию окна, имеющую скаты по краям, что уменьшает краевые эффекты несинхронизации. Применяются окна Хеннинга и Блэкмана-Херриса. Окно Хеннинга, например, имеет вид:

W(i)=0.5-0.5*cos(2p*i/n), i=0...n, где n - число отсчетов БПФ.

При умножении сигнала на окно, в спектре, аналогично амплитудной модуляции, появляются боковые гармоники - две для окна Хеннинга и шесть для окна Блэкмана-Херриса. Восстановление амплитуды сигнала производится суммированием основной и боковых гармоник. При этом, учитывая, что результатом БПФ является массив комплексных чисел x(i)+j*y(i), амплитуда каждой гармоники находится как модуль A(i)= Ц(x(i)2+y(i)2)), а фаза - как j(i)=arctg (y(i) / x(i)).

Если, например, сформировать и выдать через ЦАП гармонический тестовый сигнал S(i)=A0*sin(2p*f0*i/n), и пропустить его через измеряемый звуковой тракт, то в спектре выходного сигнала помимоосновной гармоники с частотой f0, будут присутствовать продукты нелинейных искажений тракта - гармоники с частотами 2* f0,3* f0 и т.д. Коэффициент гармоник находится как отношение среднеквадратической суммы продуктов искажений к амплитуде основного сигнала: Kг = Ц(A(2* f0)2+A(3* f0)2+...) / A(f0). Разность фаз между каналами стереопары также может быть определена на этом же сигнале, поскольку выборка сигнала производится одновременно по обоим каналам.

Для измерения АЧХ и ГВЗ в анализаторе используется полигармонический тестовый сигнал:

k
S(i)= е Aj*sin(2p*fj*i/n), j=1
где k- число одновременно задаваемых гармоник.

В выходном спектре такого сигнала, после прохождения его через измеряемый звуковой тракт, амплитуды гармоник будут пропорциональны значению АЧХ тракта. Одновременно определяется и фазочастотная характеристика.

Измерение интегральных (невзвешенных) и псофометрических (взвешенных) шумов выполняется во временной области путем определения квазипикового значения сигнала на интервале длительностью до 10 с. Взвешивание подразумевает цифровую фильтрацию с характеристикой, аппроксимирующей кривую чувствительности человеческого слуха (рекомендации 468-4 МККР и Р.53 МКТТ).

Методы измерения других характеристик звуковых трактов также основываются на цифровой обработке сигнала, которая моделирует функции соответствующих аналоговых измерительных приборов в стандартизированных схемах измерений. Для более сложных методов измерений (частота, девиация, ГВЗ и др.) разработаны оригинальные алгоритмы, которые, как и все другие, совместно с измерительным каналом проходят метрологическую аттестацию по методикам, принятым для измерительно-информационных систем. С целью достижения высокой точности измерений в анализаторе предусмотрена автокалибровка и самокоррекция результатов измерений с учетом собственных систематических погрешностей. Выполняется самокоррекция коэффициентов передачи, АЧХ и ФЧХ измерительного канала.

По набору измеряемых величин, их диапазонам и точности измерений, разработанный анализатор параметров звуковых трактов АПЗТ-02 полностью перекрывает требования ГОСТ 11515 “Каналы и тракты звукового вещания. Основные параметры качества. Методы измерений”, а также ГОСТ 12107 и ГОСТ 21185 по студийным магнитофонам и измерителям уровня, соответствует ряду международных стандартов.

Характеристики входов-выходов АПЗТ-02:

Основные, измеряемые с помощью АПЗТ-02, характеристики и их диапазоны:

  (+38-0432) 43-76-51,  50-51-58,  факс 50- 51-60,  моб. офис 097-497-8884,  директор +38-067-714-96-19,  технический директор +38-067-905-38-98
e-mail : aual@list.ru,  aual91@gmail.com,  aual@svitonline.com