Аудио анализатор

Аудиоанализатор качества — это испытательный и измерительный прибор, используемый для объективной количественной оценки звука электронных и электроакустических устройств. Показатели качества звука охватывают широкий спектр параметров, включая уровень , усиление , шум , гармонические и интермодуляционные искажения , частотную характеристику , относительную фазу сигналов, межканальные перекрестные помехи и многое другое. Кроме того, у многих производителей есть требования к поведению и подключению аудиоустройств, требующие специальных тестов и подтверждений.

Аудиоанализ требует, чтобы тестируемое устройство получило стимулирующий сигнал с известными характеристиками, с которым анализатор может сравнить выходной сигнал (ответ) для определения различий, выраженных в конкретных измерениях. Этот сигнал может генерироваться или контролироваться самим анализатором или может поступать из другого источника (например, записи), если определены характеристики, относящиеся к желаемому измерению.

В качестве испытательного и измерительного оборудования аудиоанализаторы должны обеспечивать производительность, значительно превосходящую производительность типичных тестируемых устройств (DUT). Высококачественные аудиоанализаторы должны демонстрировать исчезающе низкие уровни шума, искажений и помех, чтобы считаться стоящими, и должны делать это последовательно и надежно, чтобы им доверяли инженеры и дизайнеры. Например, в то время как коммерческий проигрыватель компакт-дисков может достичь коэффициента общего гармонического искажения плюс шум (THD+N) примерно -98 дБ на частоте 1 кГц, высококачественный аудиоанализатор может демонстрировать THD+N всего лишь -121 дБ (это указанные типичные характеристики Audio Precision APx555).

Аудиоанализаторы используются как при разработке, так и при производстве продукции. Инженер-конструктор найдет это очень полезным при понимании и совершенствовании характеристик продукта, а инженер-технолог захочет провести испытания, чтобы быстро подтвердить, что устройства соответствуют спецификациям. Очень часто аудиоанализаторы оптимизируются для одного из этих двух случаев.

В настоящее время популярные модели аудиоанализаторов включают: APx585 и APx555 (от Audio Precision), dScope M1 и Series III (от Spectral Measurement, ранее Prism Sound), U8903A (от Agilent), а также анализаторы UPP и UPV (от Rohde & Schwarz).

История

Одним из первых надежных источников, использовавшихся для аудиотестирования, был первый продукт, выпущенный Hewlett-Packard в 1939 году, — HP200A аудиогенератор . Умная и недорогая конструкция HP200A позволила тестировщикам генерировать синусоидальные волны очень высокого качества с низким уровнем искажений, которые можно было использовать для тестирования. За этим последовало появление анализаторов искажений HP320A и HP320B в 1941 году.

Эти ранние анализаторы могли определять только совокупные гармонические искажения и шум вместе и работали, используя крутой режекторный фильтр для удаления основной частоты стимульного сигнала с выхода ИУ. Оставшийся сигнал измерялся как напряжение переменного тока, что позволяло вручную рассчитать общий шум и искажения с точностью до минимума примерно 0,1%.

Последующие продукты HP, Wandell & Goltermann, Radford, Marconi, Sound Technology и Amber продолжали совершенствовать измерительные возможности с 1950-х по 1970-е годы, но модель использования оставалась относительно постоянной; Генераторы и анализаторы сигналов представляли собой отдельные части оборудования, и тестирование предполагало тщательную настройку каждого из них человеком с высокими техническими навыками. Ситуация изменилась в 1980 году с появлением анализатора искажений Tektronix AA501, который автоматизировал процессы установки уровней, настройки частоты и обнуления. В это же время компания Hewlett-Packard представила популярный HP8903B, который объединил в одном устройстве высококачественный генератор сигналов и анализатор.

К середине восьмидесятых годов Tektronix прекратила производство оборудования для тестирования звука, а в 1984 году члены команды, разработавшей AA501, основали компанию Audio Precision. Первым продуктом Audio Precision был System One, который сочетал в себе встроенный генератор и анализатор с подключенным ПК для полной автоматизации процедур тестирования и обеспечения гораздо более высокой степени вычислительной мощности, чем простые микропроцессоры, использовавшиеся в то время в других продуктах. Новое использование ПК позволило обеспечить высокую степень индивидуальной автоматизации и радикально изменить визуальное представление результатов.

Комбинация технологии ПК с аудиоанализаторами была принята другими, включая Prism Sound (dScope), Rohde and Schwarz (UPL) и Stanford Research (SR1). По мере увеличения мощности доступных ПК сами измерения перешли от внутреннего выполнения аудиоанализаторов к приложениям, выполняемым на подключенных ПК и выполняющим вычисления БПФ (быстрое преобразование Фурье), что значительно повысило гибкость и разрешение многих результатов.

Помимо аналоговых, сегодня аудиоанализаторы часто способны генерировать и измерять аудиосигналы через несколько различных типов цифрового ввода-вывода. Например, Rohde and Schwarz UPP предлагает AES/EBU , S/PDIF , I²S и HDMI варианты ; Анализаторы серии Audio Precision APx500 поддерживают AES/EBU, S/PDIF, I²S, HDMI, PDM (плотно-импульсная модуляция) и радио Bluetooth и полностью основаны на DSP .

Блок-схема и работа

Современный аудиоанализатор состоит из:

Аудиогенератор, который подает на ИУ аналоговые и цифровые сигналы.
Входные каскады аудио, которые получают ответ от тестируемого устройства, как аналоговый, так и цифровой, и преобразуют его в соответствующие сигналы (аналоговые или цифровые) для анализа.
Анализатор сигналов, фильтрующий отклик и вычисляющий результаты измерений, в современных решениях обычно подключенный или встроенный ПК.
Форма вывода пользователю (отображение, отчет и т.п.)

При тестировании с обратной связью механизм анализа управляет аудиогенератором и одновременно измеряет выходной сигнал тестируемого устройства, как показано ниже:

Анализатор сигналов может обеспечивать управление как аудиогенератором, так и каскадами аудиовхода, гарантируя соблюдение условий тестирования. Это также позволяет определить точные временные зависимости между стимулом и реакцией ИУ.

При тестировании с разомкнутым контуром анализатор сигналов не контролирует источник звука, управляющий тестируемым устройством, и поэтому пользователь должен позаботиться о том, чтобы источник подавал сигнал с соответствующими характеристиками. Тесты с разомкнутым контуром полезны для измерения тестируемых устройств, не имеющих прямого входного сигнала, таких как проигрыватель компакт-дисков или MP3.

Электроакустические устройства

Электроакустические устройства, такие как громкоговорители и микрофоны, представляют особые проблемы для анализа, поскольку они должны принимать или передавать сигналы по воздуху. В этих случаях ИУ в модели, показанной выше, необходимо заменить полной электромеханической системой, например, усилителем мощности для управления громкоговорителем, громкоговорителем, измерительным микрофоном и микрофонным предусилителем. Фактическое тестируемое устройство может быть измерено только тогда, когда другие устройства в этой системе полностью охарактеризованы, так что вклад этих устройств можно вычесть из отклика. Многие современные аудиоанализаторы содержат последовательности измерений, которые автоматизируют эту процедуру, а в последнее время основное внимание уделяется квазианэховым измерениям. Эти методы позволяют охарактеризовать громкоговорители в неидеальной (шумной) среде без необходимости использования безэховой камеры , что делает их идеально подходящими для использования на крупносерийных производственных линиях. Большинство квазианэховых измерений основаны на импульсная характеристика, создаваемая синусоидальной волной, частота которой изменяется в логарифмическом масштабе, с применением оконной функции для устранения любых акустических отражений. Метод логарифмической развертки синуса увеличивает соотношение сигнал/шум , а также позволяет измерять отдельные гармоники искажений вплоть до частоты Найквиста , что ранее было невозможно при использовании более старых методов анализа, таких как MLS (последовательность максимальной длины).

Аудио генератор

Аудиогенератор, подходящий для использования в тестировании и измерениях, должен соответствовать нескольким критериям, применимым как к аналоговым, так и к цифровым стимулам:

Возможность генерировать различные типы сигналов
- Его
- Квадрат
- Мультитон (группа одновременных синусоидальных волн)
- Развертка (непрерывное перемещение от одной указанной частоты к другой)
- Стандартные сигналы интермодуляции (SMPTE, DIN, DFD и DIM)
- Произвольные сигналы
Чрезвычайно низкие остаточные искажения и шум.
Достаточный диапазон амплитуды
Достаточный диапазон частот
Чрезвычайно высокая точность амплитуды
Чрезвычайно высокая точность частоты
Регулируемый и точный импеданс источника
Варианты балансного/несбалансированного выхода (аналоговый)
Соединение переменного и постоянного тока

Кроме того, генератор позволит определить точный диапазон частот и амплитуду стимула, подаваемого на ИУ. Это имеет решающее значение при согласовании условий испытаний с характеристиками ИУ.

Анализатор сигналов

До появления интегрированных аудиоанализаторов аудиогенераторы и аудиоанализаторы были отдельными частями оборудования. В этой статье под анализатором сигналов понимается элемент современного аудиоанализатора, который осуществляет фактические измерения.

Независимо от того, реализован ли он в аналоговых схемах, цифровой обработке сигналов (DSP) или БПФ, механизм анализатора должен обеспечивать высокоточную реализацию:

переменного/постоянного тока Вольтметр (пиковое и среднеквадратичное значение)
Фильтры верхних и частот , нижних а также взвешивающие фильтры
Полосовые и режекторные фильтры
Частотомер

Поскольку большинство современных приборов имеют цифровую основу, анализ сигналов часто выполняется с использованием вычислений на основе БПФ, что позволяет рассчитать множество результатов за один проход теста.

Результаты этих измерений обрабатываются анализатором в читаемые данные с использованием различных стандартных единиц и форматов, таких как вольты , дБ , дБу , уровень звукового давления , омы , относительные проценты и т. д., в зависимости от конкретного измерения, о котором сообщается. Производные результаты достигаются путем объединения нескольких первичных результатов в расчетный результат.

Измерения и результаты

Аудиоанализаторы способны измерять многие типы параметров. Основные измерения:

Уровень и усиление : Уровень описывает величину сигнала и может быть выражен в абсолютном или относительном выражении. Обычными абсолютными единицами измерения могут быть вольты , ватты , дБВ и дБн , тогда как относительные измерения чаще всего выражаются в дБ . Уровень также может быть обусловлен пиковым измерением или среднеквадратичным измерением . Усиление — это отношение уровня сигнала на выходе ИУ к уровню сигнала на входе, обычно выражаемое в дБ.
Частотная характеристика : измеряет выходной уровень тестируемого устройства как функцию частоты. Уровень выражается в тех же единицах, что и выше, обычно в дБВ и дБу.
Суммарные гармонические искажения плюс шум (THD+N) : Продукты гармонических искажений кратны частотам стимула, тогда как шум представляет собой энергию, математически не связанную с входным сигналом. В результате сигнала THD+N можно рассматривать как все содержимое сигнала в ответе ИУ, которое не содержится в стимуле.
Отношение сигнал/шум (SNR) : отношение полезного сигнала к нежелательному шуму, исходящему от ИУ, выраженное в дБ.
Перекрестные помехи : нежелательное присутствие сигнала из одного аудиоканала в том виде, в котором он появляется в других аудиоканалах ИУ. Поскольку это соотношение, оно выражается в дБ.
Фаза : соотношение во времени между двумя сигналами одинаковой частоты, выраженное в долях периода сигнала. Обычно это выражается в градусах, при этом один полный цикл синусоидального сигнала составляет 360 градусов.
Интермодуляционные искажения (IMD) : искажения, возникающие в результате нелинейного смешивания двух или более сигналов, обычно двух синусоидальных волн на разных частотах или суммы синусоидальных и прямоугольных волн. Помимо продуктов искажений на гармонических частотах, кратных частотам, также встречаются продукты на частотах, кратных суммам и разностям исходных частот.
Отображение во временной области : эквивалентно отображению сигнала на осциллографе, показывающее мгновенную амплитуду как функцию времени.

См. также

Ссылки