3. Искажения формы волны в области минимальных амплитуд

Нелинейные искажения

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.

В области "нуля" есть искажение в виде резких "уголков". Каждый уголок на форме волны - это небольшой излом, который чем более острый, тем более заметный как "щелчок-треск".

Независимо от амплитуды сигнала, вклад в виде добавочной формы искажений в абсолютных величинах получается одинаковым.

Где встречается такой тип передаточной характеристики

Обычно такой тип передаточной характеристики встречается в схемотехнике класса Б.

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.

На графиках с максимальной и средней амплитудами виден практически одинаковый спектр гармоник, т.к. добавочная форма искажений одинакова. И лишь на графике малой амплитуды спектр меняется, т.к. амплитуда сигнала становится близкой, или ниже амплитуды формы искажения.

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.

С такой передаточной функцией характер гармоник (их внешний вид, структура) остаются неизменными для высокой и средней амплитуды основного тона. Лишь в области малых амплитуд характер спектра меняется.

При таких искажениях, чем тише сигнал, тем относительная слышимость искажений выше. При оценке спектров в абсолютных величинах это может быть не так очевидно, как 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.

График общего уровня искажений обычно не показывает и не дает намеков на реальную зависимость искажений от амплитуды.

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.

Хотя график и показывает уровни гармоник, но без спектра мы не знаем, являются ли эти уровни амплитудами непосредственно гармоник или это уровни шумовой полки на выбранных частотах.

Обычно одного спектра для средней амплитуды основного тона достаточно для прояснения всей картины.

О субъективном восприятии

Такой вид искажений напоминает искажения от клиппирования, но не на высокой громкости сигнала, а наоборот на низкой и напоминает не хрип, а зудение.

Это как слушать музыку через АС, регулировать громкость только АС, а рядом будет тихонько воспроизводить свой звук телевизор, который слышно лишь когда громкость от АС тихая.

Т.к. искажения всегда присутствуют в сигнале, то избавиться от них нельзя, но можно снизить слышимость.

Послушать самостоятельно

Послушать искажения можно через множество VST плагин Blue Cat Destructor.

В плагине нужно отключить лишние секции, дополнительную обработку и настроить передаточную характеристику как на скриншоте.

Как снизить искажения, условия минимальной слышимости искажений

Если такие искажения есть в компоненте тракта, то от этого компонента надо получить максимальный уровень громкости на выходе. Так как рост искажений может быть в любом компоненте тракта, то соответственно тракт необходимо проверить от начала до конца.

Плеер (ПО)

Обычно ПО таких искажений не дает, если только там нет специфической обработки звука в стиле эмуляции "ламповый звук", "транзисторный звук" и т.п.

Регулировка уровня громкости должна соответствовать 0 dBFS (100%).

ЦАП

Искажения такого рода обычно дает обвязка ЦАП. Соответственно для такого ЦАП противопоказана регулировка уровня звука до него, т.к. будет снижаться уровень полезного сигнала, а искажения останутся на прежнему уровне.

Если у ЦАП есть свой аналоговый регулятор громкости, то надо отдельно проверить, такое искажение возникает до регулятора или после. Если до, то регулятором пользоваться можно, т.к. вместе с полезным сигналом будут пропорционально уменьшаться и искажения.

Усилитель

Если такие искажения дает усилитель, то он соответственно наиболее качественно будет воспроизводить звук лишь на максимальной громкости. Но, с учетом того, что в области максимальных амплитуд у усилителя будет ограничение по току, то наилучшее качество будет компромиссным между искажениями в области минимальных и максимальных амплитуд. А если учесть, что чувствительность у наушников является постоянной величиной, то компромисс сводится к тому, что под усилитель необходимо выбирать наушники с подходящей чувствительностью.

Тем не менее, если чувствительность наушников достаточно высока, то уровень сигнала можно понизить после усилителя перед наушниками добавлением последовательного сопротивления. В этом случае ухудшится коэффициент демпфирования для наушников и может изменится АЧХ, но это в равной степени понизит как полезный уровень сигнала, так и искажения. Дополнительно не будет проблем с искажениями от превышения уровня тока на выходе усилителя.

Еще существуют отдельные делителя напряжения, с которыми АЧХ наушников остаются прежними, но они могут быть менее удачны с позиции выходного тока от усилителя. Обычно такие устройства предлагаются для снижения фонового шума со стороны источника для внутриканальных высокочувствительных наушников.

Наушники/АС

В наушниках и АС такой вид искажений не встречается.

<< 2.5 Как снизить искажения, условия минимальной слышимости искажений | 4.1 Зависимость формы и графиков >>