Об измерениях шумов и искажений Литература » Статьи

Об измерениях шумов и искажений (Поговорим о том, как можно измерить шумы и искажения)


КАК МЫ ИЗМЕРЯЕМ ?


Наверное, не будет большим преувеличением сказать, что главные параметры, на которые мы обращаем внимание при выборе аппаратуры - это уровни шумов и искажений. Почему?

Возможно - потому, что практически любые другие - динамические, частотные и др., при наличии желания и некоторой квалификации можно без особых затруднений изменить в любую нужную Вам сторону, а эти - практически неизменяемы. То есть, изменить-то можно, но это потребует полной переделки всего изделия, и маловероятно, что в реальности будет когда-либо осуществляться.

Таким образом, эти два параметра - "объективная реальность, данная нам в ощущениях", и с ними - жить и работать. Как же их измерить, и - что еще важнее - правильно истолковать результат?

ИЗМЕРЕНИЕ ШУМОВ


Как ранее уже писалось, для правильного измерения шумов необходим прежде всего квадратичный вольтметр. Обычные вольтметры - тестеры, и т.д., в том числе и цифровые - для этих целей непригодны. Почему?

Да потому, что все они измеряют другие значения - средневыпрямленное, пиковое, и т.д., и т.п. При этом часто на шкале может быть даже написано "RMS", но это не соответствует истине, т.к. это шкала только проградуирована в этих значениях, а реально измеряется то, что написано выше. Такими приборами можно точно измерять только синусоидальный сигнал:для "синуса" между различными его значениями (средним, пиковым, эффективным) существуют строго определенные соотношения, и поправки на них уже внесены в конструкцию этих приборов. Благодаря этому, при измерении синусоидального сигнала результаты получаются достоверными, но при измерении шумов - увы!..

Для того, чтобы помочь Вам немного разобраться в этом многообразии различных значений одного и того же сигнала, внизу приведены три формулы, по которым они вычисляются:

Об измерениях шумов и искажений (Поговорим о том, как можно измерить шумы и искажения)
Среднее значение сигнала, оно же - постоянная составляющая (DC)


Об измерениях шумов и искажений (Поговорим о том, как можно измерить шумы и искажения)
Средневыпрямленное значение сигнала


Об измерениях шумов и искажений (Поговорим о том, как можно измерить шумы и искажения)
Среднеквадратичное значение сигнала, оно же - эффективное


Так что, если Вы хотите получить при измерении шума достоверные результаты - то прежде всего убедитесь, что применяемый Вами для этих целей вольтметр - истинно квадратичный, а не его "суррогатный братец".

Итак, Вы взяли подходящий прибор, подключили его к выходу исследуемого Вами устройства и - можно уже измерять? Можно, но лучше - не нужно. Чего же еще не хватает? Несколько неочевидной вещи - осциллографа. Казалось бы - зачем? Вроде как собрались шум померить, а не посмотреть? Да, это так. Но...

Шумы в реальной студийной аппаратуре весьма малы, и составляют (в худших случаях!) доли милливольт. В силу их малости, даже самое незначительное присутствие других сигналов может сильнейшим образом повлиять на результаты измерений, исказив их "до полной неузнаваемости". Поэтому, чтобы точно знать, что измеряем мы уровень именно шумов, а не чего-то еще неизвестного, желательно (а скорее - необходимо) дополнительно осуществлять визуальный контроль исследуемого сигнала. (Кстати, это полезно всегда - дабы знать, что именно измеряется, а то - такого можно "намерять"!)

В сигнале - теоретически - всегда может присутствовать "много чего", например - фон, ультразвуковые наводки от цифровых цепей и т.д. и т.п. И чтобы не ошибиться - лучше этот сигнал еще и "посмотреть".

Подключать осциллограф нужно не к выходу исследуемого прибора, а к специальному выходу вольтметра. Практически в любом "нормальном" вольтметре есть специальное гнездо - "ВЫХОД". На него подается уже усиленный внутри вольтметра сигнал, и, подавая на осциллограф сигнал именно отсюда, Вы "убиваете двух зайцев".

Так как уровень исходного напряжения шумов очень мал - то, подав его на осциллограф напрямую, можно - скорее всего - вообще ничего не увидеть, т.к. чувствительность большинства осциллографов недостаточна для анализа слабых сигналов. Кроме этого, если Вы подключите осциллограф ко входу вольтметра - то сам осциллограф, вполне вероятно, сможет навести помехи на входные цепи вольтметра, и тогда - прощай, объективность измерений!

Ну - теперь, когда мы подключили к выходу исследуемого устройства вольтметр, а к его выходу - осциллограф, мы готовы к проведению измерений? Почти, но не совсем. (Не спешите!)

Дело в том, что современные "устройства обработки звуковых сигналов" (в широком смысле) - собраны, как правило, на весьма скоростных, высокочастотных элементах - транзисторах и микросхемах. Спектр их шумов может простираться очень далеко за пределы звукового диапазона, а так как вольтметр меряет "все", то его показания могут вследствие этого существенно отличаться от воспринимаемых "на слух", в звуковом диапазоне, величин. Как быть?

Да очень просто - включить в цепь измерительный фильтр, ограничивающий полосу частот, подаваемых на вольтметр, сигналами звукового диапазона, от 20Гц до 20кГц.

В некоторых моделях лабораторных вольтметров такие фильтры уже встроены в конструкцию прибора, а если у Вас такого фильтра нет - не беда, его несложно сделать и самому. Запомните - этот фильтр должен ограничивать ТОЛЬКО полосу частот, подаваемых на детектор (выпрямитель) вольтметра! И ничего более!

Вот теперь, имея все необходимое - вольтметр, фильтр звукового диапазона, осциллограф - можно смело приступать к измерениям.

Рассмотрим для начала параметр, вызывающий наибольшие затруднения - входной шум микрофонного усилителя. Если у Вас в описании пульта указано, что эта величина составляет, к примеру, -130дБ, то означает ли это, что отношение сигнал/шум будет составлять такую же точно величину? Нет, конечно.

В профессиональной аппаратуре вообще не очень часто указывается соотношение сигнал/шум, т.к. эта величина - неконкретна, и зависит от условий реальной работы. Это можно пояснить следующим примером: представьте, что некоторое устройство имеет выходной шум в 1 милливольт. Каково будет отношение сигнал/шум? Вы скажете - это будет зависеть от величины полезного сигнала!

Правильно. Если сигнал будет 1 вольт, то отношение сигнал/шум=60дБ, а если 10 вольт, то отношение сигнал/шум=80дБ.

Так и в случае с пультом - можно снимать выходной сигнал величиной 10 вольт, а можно - 250 милливольт. Естественно, что отношение сигнал/шум будет в этих случаях различно. Вот как раз чтобы избежать возможных разночтений, и указывается не отношение сигнал/шум а ФИЗИЧЕСКАЯ, "абсолютная" величина выходных шумов, только выраженная не в вольтах, а - для удобства ее использования на практике - в децибелах.

Посмотрите на спецификацию своего пульта - там вы увидите множество значений уровней шумов для многих случаев - когда мастер-фэйдер закрыт, открыт, одна ячейка открыта или несколько, и т.д. и т.п. Все это - именно реальные физические величины, а не отношение сигнал/шум!

Однако - вернемся к микрофонному входу. В описании указано: "EIN=-130dB". Как это понимать и измерять? "EIN" - это Equivalent Input Noise ("Эквивалентный Входной Шум"), то есть уровень шума устройства, приведенный ко входу. Для его измерения достаточно узнать коэффициент усиления и величину шумов на выходе устройства, а затем - вторую величину разделить на первую, и результат - выразить в децибелах.

Пример. Для измерения EIN необходимо сделать следующее: подключить(обязательно!) на вход вместо микрофона его эквивалент (постоянный резистор, номиналом 150 или 200 Ом - его величина обычно указывается в документации. Чаще всего - 150 Ом.), и установить регулятор GAIN на максимум. Измерить выходное напряжение шумов. Затем - отключить наш эквивалент микрофона, и подать на вход небольшой сигнал - к примеру, 1мВ. Измерить величину выходного сигнала. Разделив ее на величину входного, получим коэффициент усиления устройства. Допустим, вход - 1мВ, выход - 1В. 1В/1мВ=1000 раз, или 60дБ.

Если при измерении шума ранее было получено, к примеру, 0,25мВ (-70дБ), то для нашего устройства EIN=(-70дБ)-(60дБ)=-130дБ.

Казалось бы, для чего такая "громоздкая" и "малопонятная"(на первый взгляд) величина? А вот и нет, очень даже удобная! Вы получили РЕАЛЬНУЮ величину шумов на входе Вашего устройства. И теперь, при необходимости, очень легко узнать величину отношения сигнал/шум для любого сигнала. Для этого достаточно из полученной величины EIN вычесть уровень подаваемого на вход сигнала - и готово!

Пример. Допустим, Вы подаете на вход сигнал величиной 0,775мВ (-60дБ).

Сигнал/шум=EIN(дБ)-Uвх(дБ)=(-130дБ)-(-60дБ)=-70дБ. Все! Для данного входного сигнала, с этим предусилителем, отношения сигнал/шум большего, чем -70дБ, не получить. Хоть стреляйся!

Здесь необходимо сделать одно замечание. Дело в том, что нешумящих источников - не бывает! Шумит все, в том числе и резисторы. Тепловые шумы резистора номиналом 150 Ом составляют величину 0,22мкВ(или -131дБ). Плюс собственные шумы входного каскада... Поэтому, если у Вас вдруг получится, к примеру, -135дБ, то - проверьте приборы и все, что можно. Аналогично - некоторые, не совсем добросовестные фирмы указывают EIN=-134 дБ. НЕ бывает! (Если, конечно, после букв "дБ" не стоит буква "А").

Так мы постепенно подошли к применению так называемого "псофометрического фильтра"

Ох! Мало было осциллографа и одного фильтра! Новая напасть! Да, дай только этим инженерам волю... Что же это такое и для чего нужно? А вот для чего.

Как известно, чувствительность слуха к разным частотам - неодинакова, и поэтому два шума с одинаковой "приборной" величиной, измеренной в широкой полосе, могут "на слух" восприниматься совершенно по-разному. Чтобы учесть особенности именно слухового восприятия, в цепь измерения, кроме уже описанных устройств, дополнительно включается специальный фильтр, чья АЧХ соответствует чувствительности нашего уха к слабым сигналам. (В последнее время этот фильтр часто называют "взвешивающим".)

Существует множество таких фильтров, с АЧХ соответствующими свойствам слуха при различных громкостях - A,B,C,D. Но реально, для измерения шума, применяется только один - "А". Если измерения проводились с использованием этого фильтра, то в результате пишется не просто "дБ", но - "дБА", т.е. наличие обозначения "дБА" означает, что в результаты измерений внесена поправка, учитывающая особенности слухового восприятия. Эти данные более точно соответствуют тому, что мы слышим.

Различие между "просто дБ" и "дБА" зависит от спектра шума, и в общем случае - непредсказуемо, однако значение в "дБА" всегда меньше. Например, если у Вас напряжение шумов, измеренное в широкой полосе будет -80дБ, то при измерении с фильтром "А" это значение может быть и -85дБА.

В настоящее время существуют и еще некоторые другие виды АЧХ "взвешивающих" фильтров, а также методики измерения с использованием других вольтметров (пиковых), однако они пока не получили столь широкого распространения, как описанный выше, и поэтому здесь не рассматриваются.

Измерение шумов остальных устройств принципиальных отличий от описанного выше не имеет, и, как правило, особых затруднений не вызывает. Да и чаще всего это гораздо проще - например, для усилителей (и многого другого) вовсе не надо результаты никуда пересчитывать, "приводить ко входу" и т.д.

Только надо не забывать о подключении ко входу испытуемого устройства эквивалента источника сигнала, так как на "висящий в воздухе" вход может навестись все, что угодно. Замыкать же вход "на землю" не следует - это и методологически неверно, да и в силу возможных особенностей разводки "земляных" проводников в конкретном устройстве в этом случае вполне возможно возрастание уровня шумов, да и фона - тоже. (В практике автора, во всяком случае, такое бывало неоднократно.)

И не забывайте об обязательном контроле измеряемых величин визуально, по осциллографу!

ИЗМЕРЕНИЕ ИСКАЖЕНИЙ


В аппаратуре возникает множество различных видов искажений, однако наибольшее распространение получила оценка одного их вида - гармонических искажений, или попросту - коэффициента гармоник Кг. (Ранее, а иногда еще и сейчас, называемого коэффициентом нелинейных искажений. Синонимы - "клир-фактор", или просто - "клир").

Долгие годы этот показатель считался вполне достаточным для оценки качества аппаратуры, и во многом это верно и сейчас. Конечно, существует много и других параметров, характеризующих нелинейность систем - таких, как интермодуляционные искажения(IMD), переходные интермодуляционные искажения (TIMD) и другие, а также способов их измерений. Однако все они достаточно сложны в аппаратурной реализации, и в силу этого не имеют широкого распространения в повседневной практике.

Для измерения этих величин необходим прежде всего высококачественный узкополосный анализатор спектра, с большим динамическим диапазоном. (Нельзя сказать, что этот, весьма дорогостоящий, прибор имеется в каждом доме...) Плюс несколько (два-три) специальных генератора, крайне редко встречающихся. Уже надоело? Но и это ведь еще не все! Еще - масса трудоемких и кропотливых измерений... Да плюс потом - расчеты... Нет, наверное, лучше не надо! Очень уж сложно и мудрено...

А - чем лучше Кг? Да тем, что проще! Хотя на самом деле - его измерение не имеет очень уж больших отличий от вышеописанных, но... Благодаря некоторым, вполне допустимым упрощениям, стало возможным создать приборы для автоматического измерения Кг, и вследствие этого процедура измерений доступна практически всем.

Отечественная промышленность выпускала много приборов для этих целей, от совсем ручных до полных автоматов, с цифровым измерением (Не ищите, вымерли! Как мамонты... И, кстати, по аналогичным причинам.) Но - не будем морочить голову, и вспомним об одном из самых доступных - С6-11. Это, конечно, не совсем полный автомат, но - вполне достаточно для практических целей.

"Да падет позор на мои седины!..." (Старик Хоттабыч, кажется...) Самое главное забыли! Что это вообще такое, Кг? Что, собственно, измерять собираемся-то?

В силу неидеальности элементов тракта, в выходном сигнале ЛЮБОГО устройства появляются какие-то элементы, которые отсутствовали во входном. Именно эти лишние составляющие и являются собственно искажениями. (Если Вам начнут нести всякую ахинею про фазовые искажения, про частотные искажения - НЕ ВЕРЬТЕ! Это все - околонаучные спекуляции, рассчитанные на неграмотных простачков. Строго говоря, искажениями может быть названо только то, что в дальнейшем не может быть исправлено НИЧЕМ. Изменения в сигнале, вызванные неравномерностью АЧХ устройства (или его ФЧХ), могут быть устранены с помощью эквалайзера или фазовращателя, а вот появившиеся новые составляющие - не убрать ничем. Уж коли перегруженный до ограничения усилитель обрезал верхушки синусоид входного сигнала - то попрощайтесь с ними навсегда! Что упало - то пропало.)

Однако - хватит "лирических отступлений". Вернемся к теме. Что же такое Кг? Кг - это отношение суммы ВСЕХ гармоник сигнала к уровню его основного тона. При определении коэффициента гармоник учитываются только те новые составляющие в выходном сигнале, частота которых в целое число раз выше частоты входного сигнала. Эти составляющие являются гармониками входного сигнала (для 1кГц : 2кГц - это вторая гармоника, 3кГц - третья, 4кГц - четвертая, и так далее...), поэтому и называется именно так - коэффициент гармоник. Понятно, что при подаче на вход широкополосного сигнала спектр возникающих гармоник будет также очень широк, и не определить будет, где - "вершки", а где - "корешки". Как быть?

Вы скажете : надо подать на вход всего один сигнал, тогда и разобраться будет проще. Правильно! Для этих целей подойдет любой звуковой генератор, у которого Кг заведомо намного меньше, чем у исследуемого устройства. Наверное, лучший отечественный генератор для этих целей - Г3-118, его собственный Кг=0,002%, что вполне достаточно для большинства практических применений.

Сама процедура измерений очень проста - достаточно на вход испытуемого устройства подать сигнал от генератора, а на выход подключить ИНИ (Измеритель Нелинейных Искажений, в обиходе - часто просто "Инишник") - и готово, ИНИ сам покажет Кг. Проще, кажется, некуда. Да, но... Опять забыли осциллограф!

На всех, без исключения, ИНИ обязательно есть гнездо выход. Для чего? Как и раньше - чтобы "видеть, что меряем". Дело в том, что в силу упомянутых ранее упрощений ИНИ меряет не только гармоники, но - ВСЁ, что есть в выходном сигнале, кроме - естественно - сигнала основной частоты. Таким образом, на результатах измерений могут сказаться любые помехи, имеющиеся в сигнале - фон, шум, и т.д. и т.п. (Если кто-то думает, что "у них" по другому - увы, заблуждение!

В описаниях почти везде пишется "THD+Noise", это и есть результат измерения обычным ИНИ, который - реально - измеряет отношение амплитуды сигнала основной частоты ко всему остальному). Связано это с самим принципом его работы - ИНИ с помощью имеющегося в нем фильтра полностью подавляет сигнал основной частоты, и меряет все то, что осталось после фильтрации. На его выходное гнездо как раз и подается все то, что осталось, то есть - продукты искажений.

Казалось бы - плохо, неудобно? Ан, нет! Благодаря именно такому построению ИНИ, мы и имеем означенное гнездо - "выход", подключив к которому осциллограф можно посмотреть - а что наш испытуемый "внес" в сигнал своего? какую именно "гадость" добавил?

Ну вот, новая напасть! Это-то зачем? Измерил Кг - и дело с концом! Да, в принципе - так. Но - надо же знать, что именно измерил наш ИНИ. А что, если вдруг возник фон, и ИНИ именно его принял за гармоники? Или шумы? Ведь слуховой контроль при этих измерениях, как правило, отсутствует. Вот осциллограф нам и покажет, что мы измеряли. Кстати - шумов, как правило, можно не бояться. Ведь никто, наверное, не купит усилитель с отношением сигнал/шум в 80дБ? А уровень помех в -80дБ соответствует Кг=0,01%. (Почему? Да потому, что 1% - это одна сотая часть, или -40дБ. 0,1% - это -60дБ, 0,01% - это -80дБ. Кстати, иногда Кг именно так и указывается, в децибелах. Не смущайтесь, встретив такую запись - это то же самое, только иначе записанное.) А что еще полезного можно узнать, рассматривая выходной сигнал ИНИ?

Оказывается, многое. Не секрет, что ламповая и транзисторная, микросхемная аппаратура звучат во многом по-разному, при прочих равных условиях. Это в значительной степени объясняется именно различным спектром гармоник.

В то время, как в лампах создаваемые ими гармоники имеют сравнительно большую величину, но узкий спектр - как правило, 2-я и 3-я гармоники, а остальные пренебрежимо малы, в транзисторах - наоборот. Спектр их гармоник может быть очень широк - до 20-й и даже более, и хотя все они имеют малую величину - слышимость их гораздо больше. Суммарный же Кг вполне может и там и там быть одинаков - сумма "немногих, но больших" в одном случае, и "многих, но малых" - в другом.

Выходной сигнал ИНИ, поданный на осциллограф, как раз и поможет Вам оценить спектр гармоник. Если на экране картинка, более-менее похожая на синусоиду - значит, спектр гармоник достаточно узкий, и скорее всего Ваш аппарат будет звучать достаточно чисто. Если же картинка имеет множество изломов, острых углов, и больше напоминает старую, ржавую пилу - то спектр гармоник очень широк, и скорее всего - хорошего звука ждать не приходится.

Кстати - часто приходится сталкиваться с неизвестно откуда взявшимся мнением - якобы измерение Кг на высоких частотах не имеет смысла, т.к. гармоники, мол, все равно за пределами звукового диапазона, и поэтому на качество звука не влияют. Глубочайшее заблуждение! Да, гармоники - за диапазоном слышимости. Да, на качество звука синуса не влияют. Но... Видел ли кто хоть раз в жизни человека, который накупил бы кучу дорогостоящей аппаратуры, дабы наслаждаться восхитительным звучанием сигнал-генератора? Вот то-то и оно, слушаем ведь не синус!

А коль не синус - то приходится считаться с объективной реальностью того факта, что сигнал-то ШИРОКОПОЛОСНЫЙ! А, значит, и спектр гармоник реального сигнала - тоже не линейчатый, а широкополосный. А поэтому - там, где гармоники синуса чувствовали себя привольно, далеко отстояли друг от друга и "не мешали" друг другу, не взаимодействовали, гармоники настоящего звукового сигнала будут взаимодействовать, находясь в "тесноте и обиде", будут "биться" друг об друга. Это приводит к премерзкому результату - появлению комбинационных частот, суммарных и разностных, биений. А уж как они портят звук - никаким гармоникам и не приснится!

Поэтому, если хотите полностью оценить исследуемый прибор - то необходимо измерить Кг во всем звуковом диапазоне. Ну или хотя бы в нескольких точках - на краях диапазона и в его середине. Однако подробное описание методик измерения "всего и вся" - к сожалению, выходит далеко за разумные пределы того, что может разместиться на этом сайте. Увы!...

В большинстве моделей ИНИ имеются различные дополнительные устройства, помогающие в работе. В упомянутом ранее С6-11, к примеру, есть возможность производить измерения как в вольтах и процентах, так и в децибелах - как Вам больше нравится. Есть также и очень полезная функция - встроенный обрезной фильтр, подавляющий все частоты, лежащие ниже 1кГц. Зачем? Если Вам придется измерять Кг мощных усилителей, то вполне возможна такая ситуация : с увеличением выходной мощности усилителя будет расти и уровень фона. Да-да, не удивляйтесь!

Во многих моделях усилителей емкость фильтрующих конденсаторов невелика, и при росте мощности питание "проседает", увеличиваются пульсации питающего напряжения, что неизбежно сопровождается ростом сетевого фона.

Естественно, это происходит только при работе усилителя на нагрузку, Вы не забыли ее подключить? Измерять параметры усилителей мощности без нагрузки, на холостом ходу - бессмысленно. Все усилители покажут ТАКИЕ параметры по Кг, что хоть на Золотую медаль выдвигай! (Конечно, это не относится к измерению шумов, там наличие или отсутствие нагрузки принципиальной роли не играет.) Включив этот фильтр, Вы сможете убрать фон из измерений и получить более достоверные результаты.

Если у Вас возникнут какие либо вопросы, то пишите непосредственно автору. Ваши письма помогут полнее узнать круг необходимых тем и сделать этот сайт лучше и полезнее для Вас.


Михаил Чернецкий

2 июля 2008, Голосов: 2, Просмотров: 6384, Комментариев: 0
Комментарии:




* Все буквы - латиница, верхний регистр

* Звёздочкой отмечены обязательные для заполнения поля



© FDSTAR, 2007-2017. При использовании материалов - прямая ссылка на FDSTAR.COM обязательна. 0,0246 секунды