4.1 Зависимость формы волны и графиков

Нелинейные искажения - искажения формы волны по всему диапазону амплитуд

Общая информация о типах графиков убрана в раскрывающиеся блоки, т.к. этот текст уже был в описании передаточной характеристики с ограничением максимальных амплитуд . Здесь этот текст является повтором - "шпаргалкой".

Шпаргалка

Для наглядности слева показан график передаточной функции. Пунктирной линией показана идеальная передаточная характеристика.

Справа пунктирными линиями показаны входящие сигналы (исходные идеальные), а сплошными - после передаточной функции.

Для простоты визуализации, передаточная функция симметрична.

Искажения от погрешности амплитуд обычно не приводят к эффекту изломов на форме волны в виде резких уголков и соответственно эти искажения не воспринимаются как явно слышимые щелчки или треск.

Где встречается такой тип передаточной характеристики

Такой вариант искажений характерен в первую очередь для ЦАП-ов с архитектурой R2R, где точность амплитуд координат воспроизводимой волны имеет неизбежный уровень погрешности. У современных ЦАП-ов с архитектурой дельта-сигма такое встречается, но в гораздо меньших масштабах. Из-за чего собственно они и вытеснили ЦАП с архитектурой R2R.

Второй вариант - это искажения от некорректного изменения разрядности сигнала, где звуковой поток может переводится в числа с плавающей запятой, а потом назад в целочисленные. После таких преобразований возникают уже чуть другие амплитуды координат волны.

В различных плеерах и ЦАП существует ситуация с некорректным воспроизведением звукового потока 24/32 бит, где 24/32 бит при воспроизведении грубо понижается до 16 бит. При тестировании устройств в качестве линейного выхода с ЦАП в отчетах RAA есть тест на корректное воспроизведение 24 бит .

Практически все Bluetooth гарнитуры страдают этим видом искажений, из-за чего самые "крутые" гарнитуры оставляют великолепное впечатление при дневном использовании на большой громкости и сильно разочаровывают при попытке их использовать в качестве тихих наушников для сна.

Абсолютные уровни гармоник

Шпаргалка

Взаимосвязь спектров с видом волны в примере условная, т.к. обычно разглядеть явное искажение волны весьма затруднительно. Для волны утрировано показан принцип ее изменения.

Независимо от амплитуды сигнала, в спектре есть множество гармоник, которые в зависимости от амплитуды основного тона "хаотично" меняют свои амплитуды.

Шпаргалка

Если масштабировать три графика волны к одинаковой амплитуде, то можно увидеть, насколько сильно меняется форма волны (пунктирная волна - исходная форма).

При таких искажениях, чем тише был исходный сигнал, тем слышимость искажений выше, т.к. форма сигнала больше изменяется.

Относительные уровни гармоник

Шпаргалка

Если на спектрах первую гармонику основного тона переместить к уровню 0 дБ, то лучше видно относительные уровни остальных гармоник по сравнению с первой. Графики, нормализованные к одному уровню (в нашем примере к 0 дБ) это аналогично масштабированию формам волны к одной амплитуде (как показано выше).

Так как при записи тихих сигналов вклад шума выше, то шумовая полка на таком графике аналогично смещается вверх. Что находится под шумовой полкой мы можем только предполагать. Относительный уровень шумовой полки не говорит о слышимости шума, т.к. этот уровень зависит от условий тестирования и длительности тестируемого сигнала.

При оценке слышимости гармоник важна не абсолютная их амплитуда, а относительная к основному тону.

Для такой передаточной характеристики характерно, что гармоники-искажения "хаотично" меняют свое распределение и амплитуды в зависимости от уровня основного тона.

При таких искажениях, чем тише сигнал, тем слышимость искажений выше, т.к. форма сигнала больше изменяется. При оценке спектров в абсолютных величинах это может быть не очевидно, но наглядно в относительном выражении.

Взаимосвязь с графиком уровня искажений от амплитуды

Шпаргалка

Один спектр на максимальной амплитуде не способен дать полное представление о передаточной характеристике. Просматривать множество спектров неудобно и для этого существует график общего уровня искажений от амплитуды. Обычно приводят один или два спектра для ключевых амплитуд и к ним добавляется обобщенный график. Остальные спектры предполагается, что можно представить в уме.

Шпаргалка

На графике по горизонтальной оси показан уровень основного тона, а по вертикальной оси график показывает относительную разницу амплитуд между основным тоном и суммой всех "лишних" гармоник.

В примере для усилителя уровень основного тона приводится к напряжению в абсолютных величинах, таких как dBV или V_RMS. Для выхода с ЦАП обычно приводится значение в dBFS, где за 0 принята его максимальная амплитуда.

Для удобства сопоставления искажений значения приводятся сразу в децибелах (дБ). В разных источниках отношение отображается в процентах, что менее наглядно, т.к. шкала логарифмическая, а амплитуды гармоник на спектрах всегда в децибелах. Иногда шкалу уровня искажений приводят не только в процентах, но и в линейном виде, что создает ложную иллюзию слишком высоких или слишком низких искажений. Обычно это свойственно или некомпетентным авторам, или содержанию рекламных материалов, где не стоит задача давать адекватную информацию.

Исторически гармонические искажения обозначаются как Кг/КГИ (THD) - коэффициент гармоник и как Кг+Шум (THD+N) - коэффициент гармоник + шум. По умолчанию значения приводятся в процентах. Т.к. это не удобно для сопоставления значений уровней гармоник на спектре, то и помимо значений в процентах используются значения и в децибелах. Сегодня набирает популярность SINAD, что является по сути тем же самым КГИ+Шум (THD+N), где конечное значение с противоположным знаком. Т.е. если искажения THD+N равны 0.0005%, то это или -106.02 дБ по THD+N, или 106.02 дБ по SINAD. Для перевода значений из процентов в децибелы и наоборот есть соответствующий калькулятор.

В отчетах RAA в основном показывается THD в децибелах без вклада шума. Шум не учитывается по причине записи сигнала с запасом амплитуды при тестировании, что приводит к более высокому уровню шума при записи.

Так как в аналоговом сигнале при воспроизведении и записи всегда есть фоновый шум, то при малом уровне сигнала уровни гармоник становятся ниже уровня шумовой полки и расчет происходит по уровню шума на этих частотах. Из-за этого в левой части линия графика прямая и под углом. Линия повышается в левой части ровно на столько, насколько понижается уровень основного тона в тех же значениях в дБ. Если бы график был "квадратным", то линия была бы под 45 градусов.

Такой вид графика обычно недостаточно информативен в случае доминирования в спектре высоких гармоник низких порядков, где сумма всех гармоник с учетом высоких порядков практически не отличается от значения самой высокой гармоники низкого порядка.

Еще проблема в том, что по наклонной линии порой тяжело определить ее "ровность" и сопоставить с уровнем шумовой полки. Таким образом, не видя спектров на разных амплитудах, мы не можем уверенно сказать, является ли спектр "чистым" в области малых амплитуд или не маскируют ли более высокие гармоники низких порядков гармоники высоких порядков.

Обычно линия графика выглядит как немного "щербатая" прямая. В различных тестовых ПО и комплексах тестирование проводится короткими сигналами и линия получается "щербатой" по умолчанию, независимо от характера искажений. В RAA используются тестовые сигналы средней длительности.

Все гармоники от амплитуды основного тона в абсолютном выражении

Шпаргалка

Для большей информативности в RAA в 2022 году был внедрен более продвинутый вариант отображения.

Такой график может отображать уровни всех гармоник одновременно. И есть режим отображения абсолютных уровней гармоник для ЦАП, что позволяет в более явном виде понять, уровни гармоник определены по уровню шумовой полки или нет, а также стабильность уровней гармоник от амплитуды основного тона.

Графики искажения по всем гармоникам хорошо передают хаотичное изменение амплитуд всех гармоник. На графиках в RAA неравномерность в области максимальных амплитуд более выражена из-за того, что шаг изменения амплитуды тестового сигнала меньше, в 1 дБ до амплитуды - 6 dBFS, а потом шаг увеличивается и ниже -20 dBFS равен 10 дБ.

Так как первой схемотехникой для ЦАП была R2R, то основными амплитудами для тестирования стали "максимальная" под 0 dBFS и "тихая" под -60 dBFS.

Первый вариант под 0 dBFS показывал качество аналоговой обвязки ЦАП. Это и сегодня остается основным стандартом. Но иногда тестируют на меньших уровнях, если это как-то связано ЦФ ЦАП, где при 0 dBFS возможен клиппинг или как в ПО RMAA уровень -3 dBFS был установлен по умолчанию для тестирования звуковых карт в режиме петли при одинаковых чувствительностях выхода и входа (для устранения нежелательного клиппирования входа).

Второй вариант при уровне -60 dBFS показывал нелинейность ЦАП в виде его погрешности и тест получил название "динамический диапазон". Из значений динамического диапазона грубо высчитывали "реальную" разрядность ЦАП.

Так как у дельта-сигма с линейностью дела обстоят существенно лучше, то получаемое значение в тесте динамического диапазона обычно равно соотношению сигнал/шум (при отсутствии хитрых функций в виде Auto-Mute).

<< 3. Искажения формы волны в области минимальных амплитуд | 4.2 Субъективное восприятие >>