Настройка режекторного фильтра в REW на примере E1DA Cosmos APU

Что из себя представляет E1DA Cosmos APU

E1DA Cosmos APU - это устройство с двумя раздельными блоками. Первый блок - это предусилитель с переключаемыми уровнями 34 и 60 дБ. Дополнительно для этого предусилителя можно включить фантомное питание 48В. Второй блок содержит режекторный фильтр с переключаемыми частотами 1 и 10 кГц и предусилителем с переключаемым уровнем на 20 и 26 дБ.

Оба блока имеют балансные входы (их можно использовать и как небалансные входы) и небалансные выходы. За счет того, что выходы небалансные, то желательно использовать короткие экранированные кабели. Для питания рекомендуется использовать повербанк для исключения лишних земляных петель.

Устройство принимает лишь один моно канал, для стерео надо два APU, если измерения проводятся в стерео режиме.

Что измерять при помощи Cosmos APU

Блок предусилителя

Предусилитель в первом блоке нужен для измерения параметров сигнал/шум и динамического диапазона. Современные ЦАП обладают порой более лучшими характеристиками, чем актуальные АЦП и соответственно часть параметров невозможно измерить напрямую, без вклада шума и искажений от АЦП. Тем не менее давно придуманы способы это обойти.

Для измерений параметров сигнал/шум и динамического диапазона (синуса с уровнем -60 dBFS) можно перед АЦП поставить дополнительный малошумящий предусилитель и после подсчета записанного через АЦП шума внести поправку на уровень предварительного усиления. Подробно об этом расписано в следующих материалах:
Особенности параметра сигнал/шум
Общая методика измерения сигнал/шум в RAA для ЦАП и усилителей
Измерение сигнал/шум через REW

Соответственно на APU видно два уровня усиления на 34 и 60 дБ. Соответственно, имея посредственную звуковую карту с сигнал/шум на входе порядка 110 дБ можно вполне измерить сигнал/шум с мини-ЦАП и под 140 дБ.

Режекторный фильтр

При тестировании сигналов с большим уровнем, от -6 до -0 dBFS помимо собственного шума АЦП добавляется другая проблема - большинство АЦП начинают компрессировать сигнал и обрастать нелинейными искажениями. Например, у E-MU1616m это выражается в росте второй и третьей гармоник и для их минимизации тестирование в RAA обычно проводится с пониженной чувствительностью, обеспечивая запас уровеня (headroom) -9~-15 dBFS. Это позволяет существенно снизить искажения со стороны АЦП, но неизбежно ухудшает соотношение сигнал/шум со 120 дБ на 9~15 дБ.

У более современной микросхемы АЦП ES9822Pro есть аппаратная компенсация второй и третьей гармоник. Это позволяет делать измерения практически под 0 dBFS для АЦП с минимальными искаженями. Тем не менее у продуктов на этом АЦП (к примеру в E1DA Cosmos ADC и RME ADI-2-4 Pro SE) есть и искажения в виде ESS Hump, что ограничивает проведение измерений для малых уровней. Т.е. если использовать E1DA Cosmos APU c E1DA Cosmos ADC, то усиление предусилителя надо всегда выбирать так, чтоб сигнал был как можно ближе к 0 dBFS.

Для тестирования сигналов с большим уровнем предусилитель использовать нельзя, т.к. это вызовет неизбежный клиппинг на АЦП. Но можно поступить иначе. С помощью режекторного фильтра вырезать тестовый сигнал и уже после делать анализ.

У APU подавление для частот 1 кГц и 10 кГц достигает до 30 дБ. Таким образом, после прохождения сигнала через режекторный фильтр уровень воспроизводимого сигнала перед АЦП снижается на 30 дБ и при дальнейшей записи АЦП уже не будет вносить искажения, которые бы возникли при уровне около 0 dBFS на входе. Соответственно для получения не просто спектра искажений, а еще значения SINAD остается лишь дополнительно усилить сигнал перед АЦП сигнал и тем самым устранить влияние шума самого АЦП на результат. Для этого в блоке режекторного фильтра у APU есть неотключаемый предусилитель 20/26 дБ.

Таким образом, при подаче с источника уровня синуса, к примеру 6 dBV, на вход режекторного фильтра в APU, сигнал будет ослаблен на 30 дБ, а после усилен на 20/26 дБ и для АЦП этот сигнал будет восприниматься как 6 dBV - 30 дБ + 20/26 дБ = -4/2 dBV. После оцифровки провал можно программно поднять назад, что позволит получить исходный уровень сигнала.

Таким образом можно одновременно снизить уровень искажений вносимых от АЦП и получить меньше шума.

К недостаткам такого подхода можно отнести следующее.

Если использовать режекторный фильтр, такой как APU, без возможности внешнего управления, то каждый тип теста надо делать отдельно вручную. Нельзя к примеру запустить RMAA и сделать несколько тестов с разными типами сигналов одновременно. По этой причине APU не может быть внедрен в бенчмарк RAA, а использоваться лишь выборочно отдельно.

Синхронизация ПО и режекторных фильтров является непростой и дорогой задачей, из-за чего тот же AP и другие комплексы обходятся дорого и зачастую не такие универсальные, как обычная звуковая карта, которая может сгенерировать условно любой сигнал и записать его.

Дополнительно вокруг основного тона всегда будет видно юбку с шумом и ее можно спутать с наличием низкочастотного джиттреа, если не знать, что измерение сделано через режекторный фильтр.

Как калибровать режекторный фильтр в REW

Необходимо отключить сглаживание для калибровочного файла (сглаживание необходимо только для калибровочных файлов микрофона). Дополнительно надо убрать лимит превышения корректировки.

В REW доступно два варианта калибровки, автоматическая и ручная.

Автоматический режим

Т.к. у APU в режекторном фильтре дополнительно работает предусилитель, то уровень тестового сигнала надо дополнительно задать на 20-26 дБ ниже. Оптимально поставить -40 dBFS, если чувствительность выхода и входа у звуковой карты примерно одинакова.

После запускаем калибровку.

В диалогом окне будут разные советы и далее тест АЧХ свиптоном.

В конце будет текст, где ПО заподозрит, что процесс калибровки был некорректным, что является нормой при тестировании режекторного фильтра.

Теперь надо сохранить результат в виде корректировочного файла.

После сохранения он автоматически подгрузится и далее его можно в любой момент удалять из настройки и или наоборот подгрузить. В названии калибровочного файла желательно указать все возможные параметры.

В основное окно подгрузится измеренная АЧХ.

Теперь необходимо проверить корректность работы калибровочного файла. Для этого запускаем тест АЧХ.

Помним, что APU дает дополнительное усиление на 20/26 дБ и тестируем при меньшем уровне, в данном примере при -40 dBFS.

Как итог - должна получится ровная АЧХ и пунктиром АЧХ от калибровочного файла.

Ручной режим

Проводится измерение как обычно. Желательно выбрать длину под 4M семплов и максимум повторов. Будет дольше - но и в конечном счете максимально точно. Возможно в финале особой разницы и не будет, или будет, но в будущих версиях REW. Тут просто помните о такой возможности и поэкспериментируйте. В автоматическом режиме тест проводится без повторов и с длиной в 1М семплов.

Далее надо сделать экспорт АЧХ в текстовом формате.

Обязательно надо выбрать отсутствие сглаживания и формат данных REW.

Полученный файл подгружаем в соответствующее поле.

И теперь проверяем работоспособность как и после автоматического режима - должны получить ровную линию.

Корректировка уровня

Обратите внимание, что в текущей версии REW во время теста видно, что входящий уровень перед АЦП равен -20 dBFS, но конечная АЧХ в автоматическом режиме построилась на уровне около -50 dBFS, а в ручном и вовсе под -120 dBFS. В первом случае REW автоматически сделала нормализацию для 1 кГц, а во втором произвела еще какие-то странные поправки.

Сделать правку после измерения уровня не получится, т.к. это доступно только для формата SPL и заблокировано для остальных вариантов.

Скорее всего в новых версиях REW постепенно такого нелогичного "безобразия" не будет, а сейчас для исправления такой багофичи сделан отдельный онлайн редактор файла для REW, в котором можно задать исправление уровня в корректировочном файле формата txt или cal.

В примире выше, если взять файл от автоматической калибровки и задать изменение уровня -30 дБ, то после тестирования уже будет адекватный уровень вместио уровня -50 dBFS получится искомый -20 dBFS. Таким образом можно сделать пресеты для разного усиления в APU и параметров чувствительности у АЦП на основе одного калибровочного файла. Удобно? Пользуйтесь!

Принципиальная разница в данных между автоматическим и ручным режимом заключается в подробности данных. В автоматическом режиме будет прореживание данных до шага в 1 Гц. Однако на конечном результате это не скажется, погрешность выравнивания будет примерно одинакова и примере чуть точнее оказался менее подробный автоматический вариант. Хотя такая погрешность может быть и случайной и чуть варьироваться от измерения к измерению. Для своего АЦП попробуйте разные варианты и выберите более удачный.

Вредные советы - учет отклонения тестового сигнала (leeway)

В 2022 году вышел обзор на Cosmos APU у уважаемого среди любителей измерений Arhimago, где был дан совет на возможный учет отклонения тестового сигнала. Идея заключается в дополнительном редактировании калибровочного файла, где ширина провала задается шире, на случай, если тестовый сигнал будет с отклонением по частоте в пределах ±3 Гц.

Сложно сказать, как такая правка может дать в итоге корректный результат не только на практике, но и в теории, но раз такой совет существует, то стоит рассмотреть, почему он пособен дать лишь некорректный результат.

Повторяем и проверяем.

На АЧХ вполне ожидаемо появляются всплески, а АЧХ коррекции содержит “полочку”.

Если воспроизвести мультитон с шагом в 1 Гц, или отдельно синусы, то при использовании коррекции под “отклонение” получится более высокий пиковый уровень, т.е. в соответствии с выше полученной АЧХ. Остальные пики уровней немного дрейфуют по высоте, т.к. спектр отображает не конечные высоты синусов, а пиковые значения бинов и на каждый синус как бы разбивается на несколько бинов в разных пропорциях. Их сумма как раз будет давать точную высоту.

В данном случае ошибка примерно 0.5 дБ. Что это даст при измерении SIAND? Т.к. тестовый восстановленный тон станет на 0.5 дБ выше, то и значение SIAND на 0.5 дБ искусственно повысится. Таким образом можно сделать в калибровочном файле отклонение не на жалкие ±3 дБ, а в более широкой полосе и далее получать еще более завышенные данные.

Как эту погрешность можно проверить, но не заметить?

Если сделать проверку шумом, то эту ошибку не будет видно, хотя она никуда не исчезла.

Развивая тему отклонения частоты, что можно и нужно сделать?

Если частота будет отклонятся у источника, то основной тон просто будет в меньшей степени задавлен в APU, а после корректировочного файла в меньше степени приподнят обратно и никакой проблемы здесь нет в принципе.

Если же APU использовать с разными АЦП, или с одним, но в разных частотах дискретизации, где частота клока действительно может различаться, то отклонение действительно вызовет погрешность и единственно верное решение, это сделать отдельные калибровочные файлы под АЦП и его режимы. Т.е. в идеале отдельный калибровочный файл для каждой частоты дискретизации для каждого АЦП. Возможно на один конкретный АЦП, хватит только двух калибровочных файлов для сеток частот 44/48 или вовсе одного. Тут только пробовать и проверять, как это показано выше.

Скорее всего ситуация, когда АЦП работает от внешнего клока сегодня сегодня мало актуальна, но если у вас такая система, то калибровка будет полезна при изменении источника внешнего клока для такого АЦП.

Другие подводные камни в REW

Выше уже было упоминание онлайн редактора. Если просто измерять АЧХ, то коррекция уровня для dBFS вроде как и не нужна. Но когда идет работа со спектрами, то вместо реальных значений уровня на входе АЦП видеть что-то вроде -100500 dBFS довольно странно, тем более что это не позволит увидеть и возможное клиппирование со стороны АЦП.

Второй момент, какое значение в итоге должно быть? Реальное в dBFS, которое поступает на АЦП? Виртуальное после восстановления с учетом предусиления? Или виртуальное без учета предусиления?

Скорее всего, для разных задач нужен каждый из трех вариантов и пока в REW нет соответствующих внятных настроек, предлагаю использовать онлайн редактор для файлов коррекции через калибровочный файл.

Третий момент. В секвенсорах, анализаторах спектров и другом ПО под 0 dBFS для синуса подразумевается его максимальное значение, а не значение его энергетической мощности относительно пикового уровня Vp. В REW с какой-то версии произошли изменения и для синуса указывается значение через энергетическую мощность. Таким образом для тестирования динамического диапазона надо задавать в генераторе не -60 dBFS, а -63 dBFS. В анализаторе аналогично показываются уровни меньше на 3 дБ. И при построении АЧХ аналогично строится уровень ниже. В текущей версии REW это необходимо учитывать.

Кстати, вопрос для тренировки ума. Насколько хуже/лучше будет параметр динамического диапазона, если был выбран тон на 3 дБ выше?

Скорее всего, в новых версиях будет или два варианта dBFS, или отдельная настройка как в Adobe Audition в виде FS Sine Wave (как общепринято) / FS Square Wave (как сейчас в REW V5.31.3).

Таким образом, не ленитесь постоянно перепроверять то ПО, которое используете. Всегда и везде новый функционал будет радовать новыми багофичами и действия по мануалу без понимания сути процесса лишь приведет к печальным результам. Однако повышая свою квалификацию, можно без труда выявить и обойти различные баги.