Настройки цифровых фильтров

Настройка аудиокарты и ПО. Разбор типичных ошибок.

Это часть цикла материалов о том, как измерять аудиотехнику на основе полученного 20-ти летнего опыта. Особое внимание уделено различным ошибкам допускаемых не только новичками, но и заслуженными известными авторами. В основном материалы сделаны для авторов обзоров и их читателей.

В прошлых материалах разобрано две самые важные настройки - выбор интерфейса передачи данных между ПО и звуковой картой и мониторинг входа. Казалось бы, этого достаточно, чтобы приступить к измерениям. Но, есть еще одна тонкая настройка, которая есть не у всех звуковых карт и на которую необходимо обратить внимание.

В каждом современном ЦАП и АЦП, использующих дельта-сигма модуляцию, есть определенный алгорим цифрового фильтра, отвечающий за промежуточные координаты звуковой волны между исходными координатами. Обычно в микросхемах ЦАП и АЦП есть несколько вариантов фильтров на выбор и они изредка доступны в панели управления конечным устройством.

По цифровым фильтрам для ЦАП есть отдельный материал.

Для измерений необходимо выбирать тот фильтр, который лучше позволяет показать измеряемую величину.

Для измерений АЧХ и спектров искажений предпочтительны фильтры Sharp, т.к. они не дают завала в области высоких частот и обеспечивают узкий диапазон с алиасингом в области максимальной частоты воспроизводимого диапазона.

Здесь видно, что при выборе Sharp/Fast как при воспроизведении, так и записи, АЧХ получается наиболее ровной. Если Slow выбрано при записи или воспроизведении, то получается завал на АЧХ. Наихудший результат получается при выборе Slow и для воспроизведения, и для записи.

Некоторое ПО позволяет делать калибровку и учитывать отклонения АЧХ. Это может дать иллюзию, что подобная калибровка может устранить любые отклонения, но это не так.

Для примера оценим проблемы с шумовой полкой. Логично предположить, что шумовая полка будет одинакова для любого фильтра во время воспроизведения, но должна меняться в зависимости от фильтра АЦП, где при выборе варианта Slow возможен небольшой завал. Таким образом, при использовании компенсации АЧХ для спектров, в любом случае будет приподниматься высокочастотный диапазон, но адекватным подъем шумовой полки в области высоких частот будет лишь только при фильтрах для АЦП.

На практике все хуже. Здесь шумовые полки без компенсации. Завал наблюдается лишь при сочетаниях Slow+Sharp и не наблюдается при парных Sharp+Sharp и Slow+Slow. Так как у Slow+Slow наибольший завал на АЧХ, то именно в таком варианте после компенсации будет наибольший подъем шума на шумовой полке.

АЧХ можно построить разными методами. В RMAA есть два варианта - построение по мультитональному сигналу и свиптону. В ARTA - Периодический шум/MLS, свиптон. В REW - свиптон. ARTA, REW и различные спектроанализаторы еще позволяют построить АЧХ по пикам или усреднению равномерного шума.

Помимо завала АЧХ при воспроизведении в этой области добавляются искажения от алиасинга. При воспроизведении мультитона, они не совпадают с частотами полезного сигнала и не учитываются на построенной АЧХ. При построении АЧХ по свиптону или другим сигналам, происходит сумма из полезного сигнала и отзеркаленных частот относительно половинной частоты дискретизации. Таким образом, добавляется ошибка в АЧХ (по которой еще может делаться и дальнейшая калибровка).

Apodizing

У этого фильтра обычно ровная АЧХ, но более ранний срез. Это позволяет полностью отсечь алиасинг около половинной частоты дискретизации.

При тестировании с ЦФ Apodizing срезаются высокие частоты и это дополнительно отражается на шумовой полке. Это позволяется получить чуть более красивые результаты для параметра сигнал/шум и SINAD. Это улучшение искусственное.

Так как фильтры могут быть как симметричными, так и несимметричными, иметь разную длительность, то все это может приводить к совершенно разным результатам.

В качестве примера можно посмотреть на результаты комбинации некоторых фильтров на примере Audiolab M-DAC и E1DA Cosmos.

Fast Linear + Apodizing / Fast Linear / Slow Minimal Phase / Slow Linear

Slow Minimal Phase + Apodizing / Fast Linear / Slow Minimal Phase / Slow Linear

Сочетание разных фаз дало аномалию, где вместо спада на АЧХ получился подъем, причем, на мультитоне!

Slow Linear + Apodizing / Fast Linear / Slow Minimal Phase / Slow Linear

Сочетание разных фаз дало аномалию, где вместо спада на АЧХ получился подъем, причем, на мультитоне!

Apodizing + Apodizing / Fast Linear / Slow Minimal Phase / Slow Linear

Здесь можно наблюдать дополнительную рябь на АЧХ.

Интермодуляционные искажения

При использовании Режима Slow помимо завала АЧХ можно получить еще и лишние искажения.



Что делать, если в устройстве воспроизведения нельзя выбрать Sharp, а оно используется в качестве источника тестовых сигналов (например последующего усилителя)?

Оптимальный вариант - делать измерения в более высокой частоте дискретизации, где завал АЧХ будет смещаться в более высокочастотную область.

В любом случае желательно попробовать разные варианты и выбрать оптимальный. Теоретически лучшим будет вариант с самой высокой из возможных частот дискретизации, но в редких случаях могут быть разные сюрпризы - ранний подъем шума от ноизшейпинга или иные аномалии.

ЦФ Slow при записи

В каких случаях имеет смысл использовать варианты Slow? Обычно это хороший вариант для оценки вида волны от R2R ЦАП, работающих в режиме NOS.

По этой причине, при тестировании импульсной характеристики у R2R ЦАП или иных c симуляцией NOS в E1DA Cosmos выбирается вариант Slow Linear Phase.

Но, здесь есть один важный нюанс. Если драйвер интерфейса записи позволяет выбрать максимальную частоту дискретизации, то выбор фильтра может не иметь никакого значения, т.к. он по своей сути является алгоритмом даунсемплинга и при выборе записи на максимальной частоте дискретизации не работает.