Метод разностного тона

Реальный ЗС не является гармоническим, т.к. в каждый момент времени в его спектре присутствует несколько спектральных составляющих. В связи с этим измерение гармоническим сигналом не адекватно отражает реальную картину нелинейности тракта передачи ЗС. Поэтому применяется ещё один метод измерения нелинейности – метод разностного тона. При этом методе на вход исследуемого тракта подаются два испытательных гармонических сигнала: частотой f₁=12,1кГц и f₂=12,9кГц номинальным уровнем N₁=-6дБ. Из-за нелинейности тракта на его выходе, кроме напряжений основной частоты U_f1 и U_f2, появляются продукты нелинейности: напряжения (2-й, 3-й,…k-й) гармоник сигнала каждой частоты: (U_2f1, U_3f1,…U_kf1 и U_2f2, U_3f2,…U_kf2), а также напряжения разностных частот.

Наибольшие значения среди них имеют напряжения: U_f2-f1, U_2f1-f2 и U_2f2-f1.

Величину нелинейности оценивают коэффициентами разностного тона второго (К_рт2) и третьего (К_рт3) порядков, которые рассчитывают по формулам:

К_рт2=2∙ U_f2-f1/(U_f1 + U_f2) ∙100%. (5.2)

К_рт3=4∙ (U_2f1-f2 + U_2f2-f1)/(3∙ (U_f1 + U_f2)) ∙100%. (5.3)

На рис.5.2 приведены спектры сигнала на выходе тракта звукопередачи при исследовании его методом коэффициента разностного тона: а - если нелинейность тракта относительно невелика и б- нелинейность тракта значительна.

а)

б)

Рис.5.2. Спектры ЗС: а - если нелинейность тракта

невелика и б - нелинейность тракта значительна

Величина шума квантования определяется ошибкой округления квантованных отсчётов, которая, в свою очередь, зависит от количества уровней квантования. На рис.5.3 приведена зависимость напряжения ошибки квантования от времени (вверху) и спектр этого сигнала (внизу) для случая, когда его частота кратна частоте дискретизации (а) и не кратна целому числу (б).

а)

б)

Рис.5.3. Зависимость напряжения ошибки квантования

от времени (вверху) и спектр этого же сигнала (внизу)

для гармонического сигнала 2205Гц (а) и 2200Гц (б)

Уровень шума квантования определяется формулой [2]:

N_ш =6∙n+10∙lg(F_д/(2∙ΔF))+C, дБ

где N_ш - уровень шума квантования; n - количество разрядов кодового слова; F_д - частота дискретизации; ΔF =(F_в - F_н) - полоса частот преобразовываемого сигнала, F_н и F_в –

соответственно, нижняя и верхняя частота его спектра; C=(2…-15) – постоянная, учитывающая параметры сигнала.

Для гармонического сигнала при F_д=44,1кГц в полосе ΔF=20кГц формула, определяющая уровень шума квантования N_ш, принимает вид:

N_ш =6∙n+1,8, дБ. (5.4)

Порядок выполнения работы

1. Для выполнения исследований понадобятся испытательные сигналы. В качестве таких сигналов для измерения величины нелинейных искажений, согласно ГОСТ 11515-91, применяются:

• гармонический сигнал, частота которого выбирается в пределах от 40Гц до 6300Гц, для измерения нелинейности методом коэффициента гармоник;

• бигармонический сигнал, содержащий напряжения двух частот: f₁=12,1кГц и f₂=12,9кГц, для измерения нелинейности методом разностного тона.

2. Для формирования гармонического сигнала запустите программу Sound Forge и создайте файл сигнала в окне данных, последовательно выбрав: File→New. В открывшемся окне установите параметры создаваемого сигнала: частота дискретизации → 44100Гц (стандартная частота для компакт диска), количество разрядов квантования (Bit-depth) равным 32 bit (IEEE Float) и каналы → моно. Нажмите ОК.

Выберите последовательно в основном меню: Tools→Synthesis→Simple. В открывшемся панели меню выберите: в выпадающем меню набора предустановок→ →Untitled, форму волны→Sine (синусоидальная), длительность→10 секунд, частота→1000Гц, вставить новое колебание →Start of file, установите уровень сигнала равным 0дБ. Нажмите ОК. Сохраните сформированный сигнал под именем: Синус 1000-32 в формате *.wav (Microsoft) в папку тестовые сигналы, создав её в папке с номером своей группы на диске D.

3. Последовательно проделав п.5.2, сформируйте гармонические сигналы частотой 1000Гц и количеством разрядов квантования n=24; 16 и 8. Сохраните синтезированные сигналы с именами: Синус 1000-24.wav, Синус 1000-16.wav и Синус 1000-8.wav.

4. Вызовите анализатор спектра (АС), последовательно выбирая: View→Spectrum Analysis или сочетанием клавиш Alt+8. Выполните его настройку (Settings): FFT size: 16384, Smoothing window: Blackman-Harris, Freq.min.: 100Гц, Freq.max.: 10000Гц, Ceiling: -10дБ, Floor: -130 дБ, установите птичку в окне: Logarithmic graphing. Нажмите ОК.

5. Загрузите файл: Синус 1000-32.wav. Для его прослушивания включите воспроизведение, нажав кнопку ►. Не дожидаясь окончания воспроизведения, остановите его, нажав кнопку ■. Зафиксируйте спектр этого сигнала. Если необходимости слухового контроля нет, то для получения спектра сигнала нажмите на панели АС клавишу - обновить. Сколько спектральных составляющих наблюдается? На каких частотах? В дальнейшем этот сигнал и его спектр будет выступать как эталонный на частоте 1000Гц.

6. Последовательно загружая сформированные ранее сигналы («Синус 1000-24.wav», «Синус 1000-16.wav» и «Синус 1000-8.wav»), получите их спектр. Обратите внимание на разницу уровней основной частоты и высших гармоник сигнала «Синус 1000-16.wav». Выберите из сформированных сигналов тот, у которого при наименьшем количестве разрядов квантования, спектр незначительно отличается от спектра эталонного сигнала. Этот файл звукового сигнала будет рабочим.

7. Загрузите рабочий файл. Вызовите анализатор спектра, повторив п.5.4. Получите спектр этого сигнала. Измерьте амплитуды четырёх основных наибольших гармоник сигнала. Рассчитайте в % коэффициент гармоник по формуле (5.1), подставляя в неё нормированные значения напряжений, определяемых по формуле:

U_i=10^Ni/20, (5.5)

где U_i – нормированное напряжение i – ой гармоники сигнала; N_i – измеренное значение уровня i – ой гармоники сигнала.

8. Загрузите файл «Синус 1000-8.wav». Вызовите анализатор спектра, повторив п.5.4. Получите спектр этого сигнала. Измерьте амплитуды четырёх основных наибольших гармоник сигнала. Рассчитайте в %, коэффициент гармоник по формуле (5.1), подставляя в неё нормированные значения напряжений, определяемых формулой (5.5).

9. Считая, что оцифровываемый сигнал имеет динамический диапазон 40дБ, уменьшите уровень сигнала рабочего файла на 40 дБ. Для этого выберите в основном меню: Обработка (Process)→Громкость (Volume). В открывшейся панели выберите из Набора→Untitled, установите уровень -40дБ. Нажмите ОК. Сохраните синтезированный сигнал, добавив в конце его имени «…-40».

10. Вызовите анализатор спектра, п.5.4. Получите спектр сигнала, синтезированного в п.5.9. Обращайте внимание на форму сигнала и его звучание (для большей наглядности растяните масштаб времени, вращая колесо прокрутки «мыши» и увеличьте масштаб амплитуды: Vew→Zom Level→Window). Измерьте, используя АС, амплитуды четырёх наибольших основных гармоник сигнала. Рассчитайте в % коэффициент гармоник по формуле (5.1) с учётом формулы (5.5).

11. Проделайте п.5.9 и п.5.10 для сигнала «Синус 1000-24.wav» и «Синус 1000-8.wav».

12. Загрузите рабочий файл. Сохраните его в формате MP3 Audio (*.mp3), установив скорость цифрового потока из шаблона – 128 кбит/с. Вызовите анализатор спектра, п.5.4. Получите спектр этого сигнала. Сравните спектр сигнала (*.mp3) со спектром сигнала рабочего файла (*.wav). Сравните звучание этого сигнала (*.mp3) с сигналом рабочего файла (*.wav).

13. Загрузите рабочий файл. Сохраните его в формате Windows Media Audio (*.wma), установив скорость цифрового потока из шаблона – 128 кбит/с. Вызовите анализатор спектра, п.5.4. Получите спектр этого сигнала. Сравните спектр этого сигнала (*.wma) со спектром сигнала рабочего файла (*.wav). Сравните звучание этого сигнала (*.wma) со спектром сигнала рабочего файла (*.wav).

14. Формирование 24 - разрядного испытательного сигнала для метода разностного тона.

Сначала создайте два сигнала 12,1кГц и 12,9 кГц, используя методику п.5.2. В обоих случаях установите Bit-depth равным 24bit, а уровень сигнала равным минус 6дБ. Но в первом случае частота→12100Гц, а во втором – частота→ →12900Гц. Активируйте курсором мыши первый файл звукового сигнала (или через окно Window), выберите его: Edit→Select All и скопируйте его: Edit→Copy. Поместите курсор в начало второго файла звукового сигнала (частотой 12,9 кГц). Выполните микширование первого сигнала со вторым: Edit→Paste Special→Mix. В открывшемся окне выберите набор: Untitled, установите уровни обоих сигналов – 0дБ, окна Invert data должны быть пусты. Нажмите ОК. Закройте файл первого ЗС. Сохраните сформированный сигнал под именем: Сумма 24.wav в папку тестовые сигналы. Вызовите анализатор спектра, повторив п.5.4, но установив в его настройках: Freq.min.: 200Гц, Freq.max.: 20000Гц, Ceiling: -10дБ, Floor: -150 дБ. Получите спектр сигнала «Сумма 24.wav». Зафиксируйте его.

15. Формирование 16 - разрядного испытательного сигнала для метода разностного тона.

Сформируйте второй испытательный сигнал по методике изложенной в п.5.14, установив Bit-depth равным 16bit. Сохраните сформированный сигнал под именем: «Сумма 16.wav» в папку тестовые сигналы. Вызовите анализатор спектра: View→Spectrum Analysis, сохранив его настройки, указанные в п.5.14. Получите спектр сигнала «Сумма 16.wav». Зафиксируйте его. Сравните этот спектр со спектром сигнала, полученным в п.5.14.

Рассчитайте коэффициенты разностного тона К_рт2 и К_рт3 по формулам (5.2) и (5.3) с учётом формулы (5.5).

16. Считая, что записываемый сигнал имеет динамический диапазон 40дБ, уменьшите уровень сигнала рабочего файла на 40 дБ. Для этого выберите в основном меню: Обработка (Process)→Громкость (Volume). В открывшейся панели: выберите из Набора→Untitled, установите уровень -40дБ. Нажмите ОК. Получили бигармонический сигнал уровень, которого равен -40дБ. Сохраните синтезированный сигнал под именем: Сумма 16-40.wav в папку тестовые сигналы. Получите спектр сигнала «Сумма 16-40.wav». Зафиксируйте его. Сравните спектры сигналов «Сумма 16.wav» и «Сумма 16-40.wav».

Рассчитайте коэффициенты разностного тона К_рт2 и К_рт3 по формулам (5.2) и (5.3) с учётом формулы (5.5).

17. Загрузите сформированный ранее в п.5.14 сигнал «Сумма 24.wav». Считая, что сигнал имеет динамический диапазон 40дБ, уменьшите его уровень на 40 дБ, см. п.5.16. Выполните расчет коэффициентов разностного тона К_рт2 и К_рт3 по формулам (5.2) и (5.3), используя формулу (5.5) и спектр исследуемого сигнала.

18. Сохраните файл «Сумма 16-40.wav» в формате *.mp3. Получите спектр этого сигнала. Зафиксируйте его. Сравните звучание сигналов в формате *.wav и *.mp3.

19. Загрузите музыкальный ЗС формата *.wav. Преобразуйте его в формат *.mp3 или *.wma с разными значениями скорости цифрового потока через процедуру: File→Save As, добавляя к имени файла реального ЗС значение скорости цифрового потока. Сравните их звучание. При какой скорости цифрового потока ЗС в формате *.mp3 или *.wma уверенно заметно ухудшение звучания по сравнению ЗС в формате *.wav.

20. Для оценки уровня шумов квантования используйте созданные ранее восемь испытательных сигналов частотой 1000Гц: «Синус 1000-32.wav», «Синус 1000-24.wav», «Синус 1000-16.wav» и «Синус 1000-8.wav», а также сигналы с уровнем -40дБ: «Синус 1000-32-40.wav», «Синус 1000-24-40.wav», «Синус 1000-16-40.wav» и «Синус 1000-8-40.w

21. Загрузите первый испытательный сигнал с уровнем 0дБ «Синус 1000-8.wav». Установите в рабочее пространство рабочего стола измеритель уровня (ИУ) ЗС, клавишами Alt+6. Для установки диапазона измеряемых им уровней предварительно рассчитайте уровень собственных шумов N_ш испытательного сигнала по формуле (5.4). Установите такое значение нижней границы ИУ, чтобы ожидаемое (рассчитанное N_ш) попало бы в его границы. Для этого выберите: Option→Play Meters→Peak Range→ →установите галочку у нужного значения. Кроме этой настройки целесообразно на второй всплывающей панели, появившейся после выбора Play Meters, установить птичку в позиции Show Labels.

Включите воспроизведение ЗС, нажав кнопку ►. Убедитесь, что ИУ показывает истинное значение (в первом случае 0дБ).

22. Для определения уровня шумов квантования необходимо из спектра каждого испытательного сигнала вырезать его основную (первую) гармонику. Считая файл «Синус 1000-32.wav» (при n=32bit) эталонным, т.е. в нём нет нелинейных искажений, вычтем его напряжение из файла исследуемого сигнала. Для этого скопируйте эталонный файл в буфер, проделав следующие операции: щёлкните на эталонном файле курсором «мыши», выберите в основном меню: Edit→Select All, далее Edit→Copy.

23. Для вычитания основной гармоники (эталонного сигнала) из испытательного сигнала необходимо его предварительно преобразовать к той же разрядности, что и эталонный. Для этого щёлкните курсором «мыши» на испытательном сигнале и выберите в основном меню: Proсess→Bit-Depth Converter. В открывшемся меню выполните следующие установки: Preset→Untitled, Bit-Depth→32bit (IEEE Float), Dither→None, Noise shaping→Off. Нажмите ОК. Установите курсор «мыши» в начало файла.

Выполните вычитание из испытательного сигнала эталонного (ранее скопированного в буфер обмена). Для этого выберите Edit→Paste Special→Mix. В открывшейся панели установите: Preset→Untitled, оба регулятора уровня - в положение 0дБ, а на панели Destination установите галочку в окне Invert data. Нажмите ОК.

В окне данных файла испытательного сигнала появится файл ошибки квантования. Так как величина этого напряжения мала, то чтобы увидеть этот сигнал увеличьте масштаб: View→Zoom Level→Window.

Включите воспроизведение ЗС, нажав кнопку ►. Запишите показание ИУ, которое соответствует измеренному значению уровня шума - N_ши. Сравните это значение N_ши с рассчитанным N_ш.

Рассчитайте уровень собственных шумов N в дБ (или отношение сигнал/шум, выраженное в дБ) по формуле:

N= N_с- N_ши, дБ, (5.6)

где N - уровень собственных шумов; N_с – уровень испытательного сигнала; N_ши – измеренный уровень шумов квантования.

24. Проведите измерения с остальными двумя сигналами, с уровнями 0дБ («Синус 1000-16.wav» и «Синус 1000-24.wav») повторив для них п.5.23.

При исследовании испытательного сигнала с разрядностью 24bit, напряжение ошибки квантования так мало, что перед измерением напряжения файла ошибки, его необходимо предварительно усилить на 20 дБ. Для этого щёлкните на нём курсором «мыши», выберите Process→Volume и в открывшейся панели установите движок регулятора в положение 20 дБ. Нажмите ОК. Однако после проведения измерений уровня ошибки квантования необходимо из показаний ИУ вычесть эти 20 дБ.

25. Выполните измерения уровня шума квантования для сигналов с уровнями -40 дБ, считая эталонным для них сигнал «Синус 1000-32-40.wav», п.5.22. Измерение уровня шума квантования в сигналах «Синус 1000-8-40.wav», «Синус 1000-16-40.wav» и «Синус 1000-24-40.wav» выполните по методике, изложенной в пп.5.23-5.24.

26. Загрузите файл реального музыкального сигнала. Он хранится в папке «Исходные сигналы», находящейся на не системном диске, в последовательно вложенных папках: «Исходные сигналы»→«Исходные звуковые сигналы»→«Музыка». Из последней папки выберите известное Вам или наиболее понравившееся музыкальное произведение, желательно с вокалом. Уменьшите количество шагов квантования этого файла, путём уменьшения длины кодового слова. Для этого выберите на панели инструментов клавишу Process (обработка) и в спадающем меню выберите Bit-Depth Converter (преобразовать разрядность). В появившемся окне можно выбрать типовой набор. Но для большей заметности этой операции на имеющейся аппаратуре установите набор Untitled, количество разрядов квантования (Bit Depth) - 8, Dither (размытие) – None и Noise shaping (форма шума) – Off. Нажмите ОК. Прослушайте и убедитесь в появлении заметных шумов. Чем можно объяснить их появление?

27. Используя файл ЗС, сформированный в п.5.26, увеличьте количество разрядов квантования по методике изложенной в этом же пункте, установив количество разрядов квантования 16 или 24. Прослушайте сформированный файл ЗС. Как изменилось его звучание, что стало с уровнем шума?