1. Нелинейные искажения и передаточная характеристика

Нелинейные искажения - Вводная часть

К нелинейным искажениям относится изменение формы сигнала в зависимости от амплитуды.



На типовой иллюстрации показана работа передаточной характеристики устройства.

Слева (а) показан идеальный график передаточной функции в виде прямой линии, а справа (б) неидеальный в виде кривой. Снизу показан исходный поступающий на устройство сигнал, а справа полученный на выходе устройства. Его изменение формы описывает график на координатной сетке и является передаточной функцией.

Обычно мы начинаем слышать искажения столь малых величин, что их не разглядеть на форме волны или передаточной функции. Дополнительно при тестировании устройств обычный фоновый шум сильно маскирует небольшие искажения формы волны. Наиболее наглядным вариантом является спектральный анализ, где виден малый уровень искажений и возможно визуально отделить обычный шум от искажений.



Самым распространенным тестом является график гармонических искажений синуса 1 кГц. На вход устройства подается чистый синус (зеленый спектр с одним тоном на 1 кГц), а на выходе смотрится, сколько добавилось "дополнительных синусов" (красный спектр с тонами кратными 1 кГц от 2 кГц до 20 кГц и выше). В идеальном случае спектр содержал бы только зеленую основную гармонику.

Порядок гармоник определяется кратностью к основному тону. Т.е. порядок гармоники на 2 кГц - второй, на 3 кГц - третий и т.д.. Если основная гармоника обладает частотой 200 Гц, то вторая - 400 Гц, третья - 600 Гц и т.п..

Чем ниже дополнительные гармоники и чем их меньше, тем форма выходного сигнала меньше отличается от исходной.

Помимо однотонального сигнала существуют тесты с более сложными двутональными и многотональными сигналами.

К двутональным относятся SMPTE и CCIF. В отчетах RAA используется SMPTE с низкой частотой 60 Гц и высокой 7 кГц с соотношением уровней как 1 к 4. Для CCIF используются частоты 19 и 20 кГц. Особенностью таких сигналов является то, что при их воспроизведении появляются не только дополнительные гармоники кратные основным тонам, но и интермодуляционные, кратные сумме и разнице основных тонов. Таким образом, в тесте SMPTE смотрятся гармоники вокруг тона 7 кГц с шагом в 60 Гц в обе стороны, а в тесте CCIF гармоники кратные 1 кГц в правой и левой части спектра.

Многотональные сигналы могут содержать произвольное количество тестовых тонов. В тестах RAA используются два варианта на 10 и 50 тонов.

Многотональные сигналы лучше показывают распределение гармоник по частотному диапазону, но менее наглядны с точки зрения оценки порядка гармоник.

Слышимость искажений и графики

Наши уши - наш слуховой аппарат, неидеален и вносит искажения в звуковую форму волны. Наш мозг в свою очередь "фильтрует" сигнал, стараясь не замечать собственные искажения (как наши глаза не замечают нос) и выявляет интересующие его звуки.

Считается, что наш мозг обрабатывает звук в том числе и как спектроанализатор, а нелинейность нашего слуха генерирует несуществующие "субъективные" гармоники. И наш мозг эти субъективные гармоники "не замечает", считая, что они отсутствуют в исходном сигнале. Если определить уровни субъективных гармоник, то формально можно определить пороги допустимых искажений для звуковоспроизводящего тракта, ниже которых искажения не слышны. Одна из психоакустических моделей разобрана в части слышимость субъективных гармоник.

За счет множества известных особенностей фильтрации звука нашим мозгом, существуют разные психоакустические модели, по которым происходит обработка или сжатие звука. Например, в студиях это позволяет сделать насыщенные и громкие фонограммы (то, что породило войну громкости - Loudness war). При передачи или хранении данных за счет психоакустического сжатия позволило уменьшить объем - это форматы Lossy, такие как mp3, ogg, wma и т.п.. Но вернемся к определению качества звука.

Наш мозг старается не только не замечать собственную нелинейность, но и выявить "нежелательные" звуки, предупреждающие об опасности, на которые необходимо сконцентрировать внимание. Соответственно, если тракт будет давать специфические искажения, которые будут определяться как нежелательные, то такой звук может восприниматься как некачественный.

С помощью спектров мы можем оценить качество звука по двум направлениям.

• Сравнить уровни искажений от субъективных гармоник с гармониками тракта, и сделать вывод об их слышимости. Обычно, если искажения тракта превышают субъективные гармоники, то они слышны в явном виде любому слушателю. Для тех, кто интересуется аудио на уровне Hi-Fi/Hi-End, такое сравнение часто является неактуальным (причина разобрана в части слышимость субъективных гармоник).
• Определить по спектрам вид передаточной характеристики и сопоставить ее с вероятностью слышимости "нежелательных" искажений. Эти искажения не всегда слышны в явном виде и их отчетливо слышат лишь "тренированные" слушатели. Остальные же лишь неясно ощущают, что со звуком что-то не так. И именно эти искажения, их слышимость и субъективное восприятие является основой поиска качественного звука в категориях Hi-Fi/Hi-End.

Передаточные характеристики

Обычно, оперируя спектрами, определяют слышимость не искажения формы сигнала, а непосредственно самих дополнительных гармоник, как бы меняя местами причину и следствие.

Но так как гармоники, их высоты и распределение по спектру, это результат изменения формы волны, то слышимость гармоник определяется не столько их высотой по отношению к основному тону, сколько их характером, определяющий исходный тип передаточной функции. В зависимости от формы передаточной функции, отдельные дополнительные гармоники могут быть как слышны, так и нет.

Соответственно, прежде чем определять "слышимость" гармоник по их амплитудам, необходимо определить тип передаточной функции (или их комбинацию), и только потом - оценивать уровень гармоник.

2.1 Зависимость формы волны и графиков >>