Знайте аудио: искажение, часть первая

Если вы следите за рецензентами-аудиофилами, вы знаете, что их рецензирование — это очень причудливый способ сказать абсолютно ничего не поддающегося количественному определению предмета, в то же время звуча хорошо осведомленным о воображаемых различиях между устройствами, которые в любом случае имеют превосходное качество. Если вы последуете за нами, мы скажем вам, что единственные обзоры, которые имеют значение, — это реальные измерения качества звука и тесты на слепое прослушивание. Нам не обязательно рассказывать вам, как слушать музыку, но, возможно, в нашей серии статей «Знай аудио» пришло время взглянуть на то, как измеряется качество звука.

Прежде чем тянуться к скамейке, сначала необходимо спросить, что именно мы измеряем. Какие свойства имеют значение в аудиоцепи или, другими словами, что именно делает аудиоустройство хорошим?

Конечно, есть много вещей, которые можно измерить, но наиболее важным в этом контексте, вероятно, является искажение. Вы, наверное, привыкли к искажениям в музыке: классическая гитара звучит как перебираемая струна, рок-гитара звучит… сердито.

Это связано с тем, что рок-гитарист использует педаль эффектов, которая вносит слышимые искажения в довольно чистый гитарный звук. Существует множество различных педалей гитарных эффектов, но некоторые из самых простых просто приводят усилитель в режим ограничения, чтобы получить что-то близкое к прямоугольной волне. Но чтобы понять, что происходит на самом деле, необходимо взглянуть на форму сигнала не во временной области как синусоидальную или прямоугольную волну, а в частотной области как на спектр.

Если бы вы взяли генератор идеальной синусоидальной волны и подключили его к анализатору спектра, вы бы ожидали увидеть один пик, соответствующий частоте синусоидальной волны. Если вы примените искажение к этой синусоидальной волне, анализатор спектра начнет показывать пики на других частотах в зависимости от того, какой тип искажения применяется.

Эту тему мы уже подробно рассматривали здесь, на Hackaday, и предполагаем, что многие из вас знакомы с математическим выводом прямоугольной волны из серии гармонических синусоидальных волн. Искажения в аудиоустройстве измеряются путем рассмотрения этих дополнительных пиков в спектре и выражаются либо в значении дБ, либо в процентах, указывающих их относительную силу по сравнению с исходным сигналом. Для таких гитарных педалей эта цифра будет исчисляться десятками процентов, а для качественного усилителя звука — лишь долями процента. Также обычно можно увидеть значение THD+N, которое указывает на составляющую шума в остальной части спектра, а также увидеть его для одной частоты (обычно 1 кГц).

Измерение искажений — на первый взгляд простой процесс, но на практике создание прибора, способного выполнять эту задачу эффективно, — непростая задача. На тестируемое устройство подается настолько чистая синусоидальная волна, насколько это возможно, и среднеквадратичное напряжение на его выходе измеряется как непосредственно от нее, так и через режекторный фильтр, который удаляет основную частоту синусоидальной волны. Идея состоит в том, что отфильтрованный сигнал возвращает только ту часть выходного сигнала, которая вызвана искажением, и, таким образом, его можно сравнить с полным значением, чтобы получить это относительное значение.

Таким образом, разработчику прибора предстоит преодолеть несколько серьезных препятствий, поскольку не только их генератор и фильтр должны быть настолько близкими к совершенству, насколько это возможно, но и остальная часть их аналоговой сигнальной цепи не должна вносить вклад в измеряемые искажения. Это еще больше усложняется тем, что обычному прибору требуются эти характеристики в широком диапазоне частот; Если одночастотный фильтр представляет собой проблему, то переменный фильтр — гораздо сложнее. Современный аудиоанализатор обычно представляет собой управляемую компьютером комбинацию цифровых и аналоговых приборов, в которой генератор и измерения заменены высококачественными ЦАП и АЦП, а фильтр сохраняет аналоговую схему.

Первым продуктом HP был HP200A, высококачественный аудиогенератор, в схеме которого, как известно, использовалась лампа накаливания в качестве нелинейного элемента в качестве средства стабилизации амплитуды и, таким образом, уменьшения искажений выходного сигнала. Эта идея лежит в основе последующих шагов по уменьшению искажений генератора с помощью улучшенной обратной связи и схем АРУ.