Наверх

Ликбез по аудиоизмерениям

18 декабря 2022 г.

Данная статья является переводом и компиляцией трех статей авторства Nihtila:
Understanding audio measurements: noise, SNR, and dynamic range
Understanding audio measurements: THD+N vs. amplitude and frequency
Understanding audio measurements: Crosstalk

Шум, SNR и динамический диапазон

Одним из самых важных показателей качества аудиосигнала является шум, и он, как правило, определяется таким параметром как отношение сигнал/шум (SNR, signal-to-noise ratio). Это отношение двух раздельно измеренных величин: высокого (максимального) уровня сигнала и уровня шума без сигнала. В аудио при измерениях обычно оперируют напряжением, поэтому,

SNR [дБ] = 20·log10· (Uсигнала / Uшума).

Важно, чтобы оба значения выражались в одних и тех же единицах. Вместо амплитуд чаще применяют среднеквадратичные значения (RMS).

Например, отношение сигнал/шум ЦАПа H-DAC равно 122 дБ. Это значит, что минимальный уровень шума в 10(122/20) или в 1,26 миллиона раз ниже уровня сигнала. Это огромное число, поэтому для удобства его выражают в децибелах.

Помимо самого уровня сигнала также важна величина нелинейных искажений (КНИ), которую имеет устройство при этом уровне. Отношение сигнал/шум можно сделать выше, поднимая величину сигнала без оглядки на величину КНИ. В таком случае из-за большого уровня сигнала получается более высокое SNR. Но при этом оно не отражает реальной ситуации. К сожалению, такое применяют в маркетинговых целях для получения "более красивых" цифр.

В ЦАПах максимальный выходной уровень сигнала обычно обозначается как 0 dBFS (дБ полной шкалы). Это другая единица измерения, и ее нельзя использовать при расчете SNR. Кроме нее необходимо знать аналоговое напряжение.

Также можно указать частоту сигнала (обычно это 1 кГц), но это не влияет на измерение.

Шум в аудио системах - это белый шум с равномерным распределением спектральной плотности мощности, т.е. мощность шума пропорциональна ширине полосы. Удвоение полосы пропускания удваивает величину шума, т.е. увеличивает его на 3 дБ. Теоретически, если бы полоса пропускания была бесконечной, то бесконечной была бы и мощность шума. Поэтому для наилучшего отношения сигнал/шум необходимо использовать как можно меньшую полосу пропускания. Как правило, это общепринятый слышимый диапазон частот 20 Гц – 20 кГц. Если полоса не указана, то можно предположить, что она именно такая.

Человеческий слух имеет неравномерную чувствительность к разным частотам сигнала. Для придания большего веса частотам, к которым человеческий слух более восприимчив, часто применяется частотное взвешивание по типу А (A-weighting). Такой подход снижает уровень шума на 2-3 дБ, что часто используется в измерениях SNR. Если взвешивание не упоминается, можно предполагать, что оно использовалось при измерениях.

В целом, когда указаны не все условия измерения, можно допустить, что были условия, обеспечивающие наилучшие показатели.

Ниже приведены несколько рисунков спектра. Первый - это спектр сигнала 6 дБВ (2 В RMS) 1 кГц. Предположим, что это максимальный уровень системы.

Второй рисунок - это только шум, и его уровень (RMS в полосе частот 20 Гц - 20 кГц) составляет -119 дБВ (к слову, это "шумовая полка" APx585).

Обратите внимание, что уровень шума не равен ~150 дБВ, как можно было бы предположить при взгляде на спектр. Видимое значение принадлежит одному очень узкому бину (интервалу между выборками) быстрого преобразования Фурье, и его значение зависит как от размера бина, так и от весовой функции окна. Это связано с масштабированием для правильного отображения дискретных уровней тонов (см. AP: FFT scaling for noise). Реальный уровень шума можно получить, скорректировав это масштабирование и интегрировав по ширине полосы измерения. Следовательно, хотя мы и видим уровень синусоидальных тонов непосредственно по вертикальной оси, на спектре мы не можем видеть реальный уровень шума.

Теперь, чтобы определить отношение сигнал/шум, необходимо взять отношение уровней 6 дБВ и -119 дБВ. В децибелах необходимо найти разность, что дает 125 дБ. Это не взвешенное значение. Если необходимо получить более "красивую" цифру, можно применить взвешивающий фильтр и получить на 2-3 дБ лучший результат.

Обратите внимание, что минимальный уровень шума на спектре без сигнала ниже, чем при наличии сигнала. Это типично для аналоговых устройств, где присутствие сигнала увеличивает уровень шума. Однако при измерении отношения сигнал/шум это не берется во внимание, так как SNR - это отношение двух отдельных измерений. Что в целом логично - вы не услышите этого шума при воспроизведении сигнала максимального уровня. Однако этот нюанс учитывается при измерении динамического диапазона.

Часто вместо SNR или вместе с ним указывается динамический диапазон. Он определяется подобным образом, за исключением того, что шум измеряется в присутствии сигнала. Измерительный прибор фильтрует сигнал с помощью узкополосного режекторного фильтра и измеряет уровень шума.

Ниже приведен спектр сигнала с амплитудой -60 дБВ (широко используемый уровень в измерениях динамического диапазона).

Здесь используется низкий уровень сигнала, чтобы он не генерировал дополнительные гармоники и не повышал тем самым уровень шума слишком сильно. Динамический диапазон должен давать (почти) такое же значение, как SNR.

Некоторые цифровые источники при отсутствии сигнала могут полностью приглушать свои выходы. В этом случае SNR будет выглядеть слишком хорошо при измерении обычным способом как отношение двух отдельных измерений. В таком случае более корректно будет измерять именно динамический диапазон.

THD+N

THD+N, или коэффициент нелинейных искажений с учётом шума, является одним из лучших параметров при оценке качества аудиоаппаратуры, особенно если приведена зависимость THD+N от уровня сигнала. Хоть название и подразумевает, что он учитывает только нелинейные (гармонические) искажения, по сути он в определенной полосе частот учитывает все, кроме самого сигнала.

THD+N может быть представлен в виде отдельного числа или графика и может быть абсолютным значением или отношением. В характеристиках аудиоустройства он обычно дается как отношение (% или дБ), но при измерениях удобно использовать абсолютное значение (дБВ или В).

Часто может использоваться только THD (коэффициент нелинейных искажений, коэффициент гармоник), который определяет величину только гармонических искажений без других компонентов искажений и шума. Компоненты гармонических искажений - это гармоники, кратные частоте сигнала. Например, тон 1 кГц имеет гармоники на 2 кГц, 3 кГц и т. д. Если эти частоты возникают в системе при подаче чистого тона 1 кГц, то это искажения.

Ниже приведен спектр тона 1 кГц 2 В RMS. На нем присутствуют компоненты гармонических искажений и шум.

При измерении уровня THD+N во внимание берется все, кроме основной гармоники – гармонические и негармонические составляющие, а также шум. Это показано на спектре ниже.

При измерении уровня THD (к примеру, до 7-й гармоники), в анализ попадают только гармонические составляющие основного тона.

Разница в спектрах выглядит существенно, но в числах это не так заметно, поскольку расчет ведется как среднеквадратическая сумма, где большие величины (а здесь это гармоники) имеют большее влияние.

Из первого спектра видно, что уровень сигнала составляет 6 дБВ (2 В RMS). Уровень THD+N нельзя считать напрямую из спектра, но в этом примере он составляет -103 дБВ. Следовательно отношение THD+N составляет -109 дБ, что может быть выражено в процентах как 0,00035 % (10(-109/20)·100%). Однако, если дано только само значение, об условиях измерения придется только гадать.

Что касается условий измерения, необходимо знать и понимать несколько важных моментов.

Уровень сигнала в ЦАП обычно равен максимальному выходному уровню или 0 дБ полной шкалы, и его необходимо указывать как фактическое напряжение на выходе ЦАП. Очевидно, что более высокий уровень получить невозможно, и 0 дБ полной шкалы - это максимальный уровень цифрового сигнала.

В аналоговых устройствах нет такого понятия как максимальный выходной уровень, поэтому его необходимо задать. Зачастую идут от обратного - например, для усилителя мощности принято указывать выходную мощность при определенном отношении THD+N. Усилитель может выдавать и большую мощность, но искажения будут увеличиваться. Точно так же может быть определено выходное напряжение.

Также должна быть определена частота сигнала, при котором проводятся измерения - обычно это 1 кГц.

Выше уже отмечалось, что мощность шума пропорциональна ширине полосы, в которой производится измерение. Поэтому, меньшая полоса пропускания даст наилучшеее значение THD+N. Как правило полоса ограничивается звуковым диапазоном 20 Гц – 20 кГц.

Если в характеристиках устройства встречается упоминание стандарта AES17 (содержит набор рекомендаций по измерению характеристик звукового оборудования), значит при измерении сигнал был пропущен через фильтр нижних частот.

Ширина полосы пропускания становится еще более важной, если частота сигнала при измерении значительно выше 1 кГц, так как ограничение полосы влияет и на гармоники. Например, если частота сигнала выше 10 кГц, а полоса измерения ограничена 20 кГц, то в полосу измерения гармоники не попадают, и фактически гармонические искажения не измеряются.

Зависимость THD+N от уровня сигнала

Ниже приведен график зависимости THD+N от уровня выходного сигнала (от -100 до 0 дБ полной шкалы) для ЦАПа H-DAC. Уровень THD+N измеряется в дБВ (фактически это Вольты). Зная максимальный уровень выходного сигнала (6 дБВ), по этому графику можно определить три ключевых параметра.

В левой части графика, когда уровень сигнала очень мал, уровень шума минимален. В данном случае это -113 дБВ, и, следовательно, отношение сигнал-шум составляет 119 дБ (невзвешенное).

В середине графика шум измерен при наличии сигнала средней амплитуды. Именно при таких условиях измеряется динамический диапазон (при -60 дБ полной шкалы). Для современного качественного устройства эта величина равна SNR, что наблюдается и здесь.

В правой части графика, где уровень THD+N начинает увеличиваться, над шумом начинают преобладать нелинейные искажения. При этом хорошо заметны различия между каналами. По крайним правым концам графиков можно определить отношение THD+N, которое составляет -107 дБ для левого канала и -103 дБ для правого канала. Это 0,00045 % и 0,00071 % соответственно.

Зависимость THD+N от частоты

При построении зависимости THD+N от частоты уровень сигнала берется постоянным (например, максимальным). При этом он должен быть указан, и также должна быть определена ширина полосы измерения. Такой график используется не очень часто, но может быть полезен при качественном анализе устройства.

THD+N также можно измерять по мощности, что обычно используется в усилителях мощности.

Взаимопроникновение каналов

Последний важный параметр стереофонических аудиоустройств - это взаимопроникновение каналов. Хотя в современных высококачественных устройсвах с ним редко возникают сложности.

Для измерения этой величины в один канал подают сигнал и измеряют наведенный уровень в соседнем. Это показывает величину нежелательной связи между ними. Поскольку наведенный уровень очень мал, для его выделения используется полосовой фильтр с резкой полосой пропускания, иначе сигнал, скорее всего, будет ниже уровня шума. Результат выражается в децибелах как отношение между уровнем неактивного канала и уровнем сигнала в активном канале.

При указании величины взаимопроникновения каналов необходимо указывать и частоту сигнала. Например, разделение каналов в H-DAC составляет -128 дБ на частоте 1 кГц и -112 дБ на 10 кГц. Эти значения взяты из графика ниже. Взаимопроникновение каналов обычно усиливается с ростом частоты из-за влияния паразитной емкостной связи. Также характерно наличие между графиками разных каналов.

Источники

  1. Wikipedia: Signal-to-noise ratio
  2. Audio Precision: Signal-to-noise Ratio (SNR), Dynamic Range, and Noise
  3. Wikipedia: White noise
  4. Audio Precision: FFT scaling for noise
  5. Audio Precision: More about THD+N and THD
  6. Audio Precision: More about Crosstalk