Analizator dźwięku - Audio analyzer

Analizator dźwięku jest test i przyrząd pomiarowy stosowany do ilościowego określenia obiektywnie jakość dźwięku z urządzeń elektronicznych i elektro-akustycznych. Miary jakości dźwięku obejmują szeroki zakres parametrów, w tym poziom , wzmocnienie , szum , zniekształcenia harmoniczne i intermodulacyjne , charakterystykę częstotliwościową , względną fazę sygnałów, przesłuch międzykanałowy i inne. Ponadto wielu producentów ma wymagania dotyczące zachowania i łączności urządzeń audio, które wymagają określonych testów i potwierdzeń.

Analiza dźwięku wymaga, aby badane urządzenie otrzymało sygnał bodźca o znanej charakterystyce, z którym sygnał wyjściowy (odpowiedź) może być porównany przez analizator w celu określenia różnic wyrażonych w poszczególnych pomiarach. Sygnał ten może być generowany lub kontrolowany przez sam analizator lub może pochodzić z innego źródła (np. z zapisu), o ile określone są właściwości odnoszące się do pożądanego pomiaru.

Jako sprzęt testowy i pomiarowy, analizatory audio muszą zapewniać wydajność znacznie przewyższającą typowe testowane urządzenia (DUT). Wysokiej jakości analizatory dźwięku muszą wykazywać znikomo niski poziom szumów, zniekształceń i zakłóceń, aby można je było uznać za wartościowe, i muszą to robić konsekwentnie i niezawodnie, aby inżynierowie i projektanci mogli im zaufać. Na przykład, podczas gdy komercyjny odtwarzacz CD może osiągnąć całkowity współczynnik zniekształceń harmonicznych plus szum (THD+N) około -98 dB przy 1 kHz, wysokiej jakości analizator dźwięku może wykazywać THD+N na poziomie -121 dB (jest to określoną typową wydajność Audio Precision APx555).

Analizatory dźwięku są wykorzystywane zarówno w rozwoju, jak i produkcji produktów. Inżynier projektu uzna to za bardzo przydatne przy zrozumieniu i udoskonaleniu wydajności produktu, podczas gdy inżynier produkcji będzie chciał przeprowadzić testy, aby szybko potwierdzić, że jednostki spełniają specyfikacje. Bardzo często analizatory audio są zoptymalizowane pod kątem jednego z tych dwóch przypadków.

Obecnie popularne modele analizatorów dźwięku to: APx585 i APx555 (firmy Audio Precision), dScope M1 i Series III (firmy Spectral Measurement, dawniej Prism Sound), U8903A (firmy Agilent) oraz analizatory UPP i UPV (firmy Rohde & Schwarz).

Audio Precision APx525, aktualny analizator dźwięku
HP 8903B, analizator dźwięku z połowy lat 80.

Historia

Jednym z najwcześniejszych wiarygodnych źródeł wykorzystywanych do testów audio był pierwszy produkt firmy Hewlett-Packard w 1939 roku, oscylator audio HP200A . Sprytna i niedroga konstrukcja HP200A umożliwiła testerom generowanie fal sinusoidalnych o bardzo wysokiej jakości i niskim poziomie zniekształceń, które można wykorzystać do testów. Następnie w 1941 roku firma wprowadziła na rynek analizatory zniekształceń HP320A i HP320B.

Te wczesne analizatory były w stanie określić jedynie całkowite zniekształcenia harmoniczne i szum w połączeniu i działały poprzez zastosowanie filtra o stromym wycięciu, aby usunąć podstawową częstotliwość sygnału bodźca z wyjścia testowanego urządzenia. Pozostały sygnał został zmierzony jako napięcie AC, co pozwoliło na ręczne obliczenie całkowitego szumu i zniekształceń do minimum 0,1%.

Kolejne produkty firm HP, Wandell & Goltermann, Radford, Marconi, Sound Technology i Amber kontynuowały udoskonalanie możliwości pomiarowych od lat 50. do 70., ale model użytkowania pozostał względnie stały; generatory sygnałów i analizatory były oddzielnymi urządzeniami, a testowanie polegało na starannym dostrojeniu każdego z nich przez osobę o wysokich umiejętnościach technicznych. Zmieniło się to w 1980 roku wraz z wprowadzeniem Tektronix AA501 Distortion Analyzer, który zautomatyzował procesy ustawiania poziomów, strojenia częstotliwości i zerowania. W tym samym czasie firma Hewlett-Packard wprowadziła popularny model HP8903B, który łączy w jednym urządzeniu wysokiej jakości generator sygnału i analizator.

W połowie lat osiemdziesiątych Tektronix zaprzestał produkcji sprzętu do testowania dźwięku, aw 1984 roku członkowie zespołu, który opracował AA501 założyli Audio Precision. Pierwszym produktem Audio Precision był System One, który połączył zintegrowany generator i analizator z podłączonym komputerem, aby w pełni zautomatyzować procedury testowe i zapewnić znacznie wyższy stopień mocy obliczeniowej niż proste mikroprocesory używane w tym czasie w innych produktach. Nowatorskie zastosowanie komputera PC pozwoliło na wysoki stopień niestandardowej automatyzacji i umożliwiło radykalnie odmienną wizualną prezentację wyników.

Połączenie technologii PC z analizatorami dźwięku zostało przyjęte przez innych, w tym Prism Sound (dScope), Rohde and Schwarz (UPL) oraz Stanford Research (SR1). Wraz ze wzrostem mocy dostępnych komputerów PC same pomiary migrowały z wykonywanych wewnętrznie przez analizatory dźwięku do aplikacji działających na podłączonych komputerach, wykonujących obliczenia FFT (szybka transformata Fouriera), znacznie zwiększając elastyczność i rozdzielczość wielu wyników.

Oprócz analogowych analizatory dźwięku są obecnie często w stanie generować i mierzyć sygnały dźwiękowe w kilku różnych typach cyfrowych wejść/wyjść. Na przykład Rohde and Schwarz UPP oferuje opcje AES/EBU , S/PDIF , I²S i HDMI ; Analizatory Audio Precision APx500 obsługują AES/EBU, S/PDIF, I²S, HDMI, PDM (Pulse Density Modulation) oraz radio Bluetooth i są w pełni oparte na DSP .

Schemat blokowy i działanie

Nowoczesny analizator dźwięku składa się z:

  • Generator audio, który dostarcza bodźce, zarówno analogowe, jak i cyfrowe, do badanego urządzenia.
  • Stopnie wejściowe audio, które otrzymują odpowiedź z testowanego urządzenia, zarówno analogową, jak i cyfrową, i konwertują ją na odpowiednie sygnały (analogowe lub cyfrowe) do analizy
  • Analizator sygnału, który filtruje odpowiedź i oblicza wyniki pomiarów, zwykle podłączony lub wbudowany komputer PC w nowoczesnych rozwiązaniach
  • Forma wyjścia do użytkownika (wyświetlacz, raport itp.)

W teście w pętli zamkniętej silnik analizy steruje generatorem dźwięku, jednocześnie mierząc wyjście testowanego urządzenia, jak pokazano poniżej:

Schemat blokowy testowania w pętli zamkniętej z analizatorem dźwięku

Analizator sygnału może zapewnić sterowanie zarówno generatorem audio, jak i stopniami wejściowymi audio, zapewniając spełnienie warunków testowych. Pozwala to również na określenie dokładnych relacji czasowych między bodźcem a reakcją testowanego urządzenia.

Schemat blokowy testowania w pętli otwartej z analizatorem dźwięku

W teście z otwartą pętlą analizator sygnału nie ma kontroli nad źródłem dźwięku sterującym testowanym urządzeniem, a zatem użytkownik musi zadbać o to, aby źródło dostarczało sygnał o odpowiedniej charakterystyce. Testy z otwartą pętlą są przydatne do pomiaru testowanych urządzeń, które nie mają bezpośredniego wejścia sygnału, takich jak odtwarzacz CD lub MP3.

Urządzenia elektroakustyczne

Urządzenia elektroakustyczne, takie jak głośniki i mikrofony, stwarzają szczególne problemy do analizy, ponieważ muszą odbierać lub przesyłać sygnały drogą powietrzną. W takich przypadkach urządzenie testowane w przedstawionym powyżej modelu należy zastąpić kompletnym systemem elektromechanicznym, np. wzmacniaczem mocy do napędzania głośnika, głośnikiem, mikrofonem pomiarowym i przedwzmacniaczem mikrofonowym. Rzeczywiste testowane urządzenie może być mierzone tylko wtedy, gdy inne urządzenia w tym systemie są w pełni scharakteryzowane, tak że udziały tych urządzeń można odjąć od odpowiedzi. Wiele nowoczesnych analizatorów dźwięku zawiera sekwencje pomiarowe, które automatyzują tę procedurę, a ostatnie osiągnięcia koncentrowały się na pomiarach quasi-bezechowych. Techniki te pozwalają na scharakteryzowanie głośników w nieidealnym (hałaśliwym) środowisku, bez potrzeby stosowania komory bezechowej , co sprawia, że ​​idealnie nadają się do zastosowania w produkcji wielkoseryjnej. Większość pomiarów quasi-bezechowych opiera się na odpowiedzi impulsowej utworzonej z fali sinusoidalnej, której częstotliwość jest przesuwana w skali logarytmicznej, z funkcją okna zastosowaną w celu usunięcia wszelkich odbić akustycznych. Metoda log-swept sine zwiększa stosunek sygnału do szumu, a także umożliwia pomiar poszczególnych harmonicznych zniekształceń aż do częstotliwości Nyquista , co wcześniej było niemożliwe w przypadku starszych technik analizy, takich jak MLS (Maximum Length Sequence).

Generator dźwięku

Generator dźwięku odpowiedni do użytku w testach i pomiarach musi spełniać kilka kryteriów, które dotyczą zarówno bodźca analogowego, jak i cyfrowego:

  • Możliwość generowania różnych typów przebiegów
    • Sinus
    • Kwadrat
    • Multitone (grupa jednoczesnych fal sinusoidalnych)
    • Sweep (przejdź w sposób ciągły z jednej określonej częstotliwości na drugą)
    • Standardowe przebiegi intermodulacyjne (SMPTE, DIN, DFD i DIM)
    • Przebiegi arbitralne
  • Niezwykle niski poziom zniekształceń szczątkowych i szumów
  • Wystarczający zakres amplitudy
  • Wystarczający zakres częstotliwości
  • Niezwykle wysoka dokładność amplitudy
  • Niezwykle wysoka dokładność częstotliwości
  • Regulowana i dokładna impedancja źródła
  • Opcje wyjścia zbalansowanego/niezbalansowanego (analogowe)
  • Sprzężenie AC i DC

Dodatkowo generator pozwoli na określenie dokładnego zakresu częstotliwości i amplitudy bodźca prezentowanego do DUT. Ma to kluczowe znaczenie przy dopasowywaniu warunków testowych do charakterystyki testowanego urządzenia.

Analizator sygnału

Przed wprowadzeniem zintegrowanych analizatorów dźwięku, generatory dźwięku i analizatory dźwięku były oddzielnymi elementami wyposażenia. W tym artykule analizator sygnału odnosi się do elementu nowoczesnego analizatora dźwięku, który realizuje rzeczywiste pomiary.

Niezależnie od tego, czy jest realizowany w obwodach analogowych, cyfrowym przetwarzaniu sygnałów (DSP) czy FFT, silnik analizatora musi zapewniać implementacje o wysokiej precyzji:

Ponieważ większość nowoczesnych przyrządów jest oparta na technologii cyfrowej, analiza sygnału jest często przeprowadzana przy użyciu obliczeń opartych na FFT, co pozwala na obliczenie wielu wyników w jednym przebiegu testu.

Wyniki tych pomiarów są przetwarzane przez analizator na czytelne dane przy użyciu różnych standardowych jednostek i formatów, takich jak wolty , dB , dBu , SPL , omy , względna wartość procentowa itp., w zależności od konkretnego zgłaszanego pomiaru. Wyniki pochodne uzyskuje się przez połączenie kilku wyników pierwotnych w wynik obliczony.

Pomiary i wyniki

Analizatory dźwięku są w stanie mierzyć wiele rodzajów parametrów. Podstawowe pomiary to:

  • Poziom i wzmocnienie : Poziom opisuje wielkość sygnału i może być wyrażony w wartościach bezwzględnych lub względnych. Typowymi jednostkami bezwzględnymi mogą być wolty , waty , dBV i dBu , podczas gdy pomiary względne są najczęściej wyrażane w dB . Poziom może być również uwarunkowany jako pomiar szczytowy lubpomiar RMS . Wzmocnienie to stosunek poziomu sygnału na wyjściu testowanego urządzenia podzielony przez poziom sygnału na wejściu, zwykle wyrażony w dB.
  • Odpowiedź częstotliwościowa : mierzy poziom wyjściowy testowanego urządzenia jako funkcję częstotliwości. Poziom jest wyrażany w tych samych jednostkach co powyżej, zwykle dBV i dBu.
  • Całkowite zniekształcenie harmoniczne plus szum (THD+N) : Produkty zniekształceń harmonicznych to wielokrotności częstotliwości bodźców, podczas gdy szum to energia, która nie jest matematycznie powiązana z sygnałem wejściowym. Jako wynik sygnału, THD+N można uznać za całą zawartość sygnału w odpowiedzi DUT, która nie jest zawarta w bodźcu.
  • Signal-to-Noise Ratio (SNR) : stosunek pożądanego sygnału do niepożądanego szumu pochodzącego z testowanego urządzenia, wyrażony w dB.
  • Przesłuch : niepożądana obecność sygnału z jednego kanału audio, która pojawia się w innych kanałach audio testowanego urządzenia. Ponieważ jest to stosunek, wyraża się go w dB.
  • Faza : zależność w czasie między dwoma sygnałami o identycznej częstotliwości, wyrażona jako ułamek okresu sygnału. Jest to zwykle wyrażane w stopniach, przy czym jeden pełny cykl sygnału sinusoidalnego wynosi 360 stopni.
  • Zniekształcenie intermodulacyjne (IMD) : Zniekształcenie będące wynikiem nieliniowego mieszania dwóch lub więcej sygnałów, zazwyczaj dwóch fal sinusoidalnych o różnych częstotliwościach lub sumy fali sinusoidalnej i prostokątnej. Oprócz produktów zniekształceń w wielokrotnościach harmonicznych częstotliwości, produkty występują również w wielokrotnościach sum i różnic częstotliwości oryginalnych.
  • Wyświetlanie w dziedzinie czasu : odpowiednik wyświetlania sygnału na oscyloskopie, pokazujący chwilową amplitudę w funkcji czasu.

Zobacz też

Bibliografia