5. Искажения формы на средних амплитудах

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.

Здесь наибольший уровень искажений получается на средних амплитудах. Иллюстрация взаимосвязи передаточной функции и вида волны здесь очень условная. Дело в том, что передаточная функция может быть несимметричной.

Где встречается такой тип передаточной характеристики

В аналоговой технике это является вариантом схемотехники класса АБ, когда искажения из нуля разводятся в верхнюю и нижнюю полуволну (и обычно с меньшим искажением волны, чем в классе Б).

А вот у ЦАП это может вызывать непредсказуемые искажения, когда вклад искажений на спектрах отсутствует в области низких и высоких амплитуд, но есть в области средних амплитуд.

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 видны гармоники высоких порядков, которые в зависимости от амплитуды основного тона "хаотично" меняют свои амплитуды. И что примечательно, на средней амплитуде основного тона они выше, хотя вклад в абсолютных величинах предполагается одинаковым. В области малой амплитуды гармоник высоких порядков уже нет.

Шпаргалка

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

При таких искажениях форма сигнала больше изменялась в области исходного сигнала средней громкости и соответственно в области этих амплитуд искажения должны были быть наиболее слышны.

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 от искажений "хаотично" меняют свое распределение и амплитуды в зависимости от уровня основного тона.

При таких искажениях слышимость искажений становится выше лишь при определенных амплитудах. При оценке спектров в абсолютных величинах вклад искажений всегда может казаться незначительным, но более точным 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.

Чаще всего, при значительном росте искажений на графике можно наблюдать "горб/hump". В некоторых случаях наличие такого подъема мажет зависеть от выбора тестовой частоты.

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.

Здесь получается ситуация, когда искажения малы на тихой и максимальной громкости (за исключением роста гармоник низких порядков в области высоких амплитуд).

На спектрах это должно выглядеть примерно как в ситуации с искажениями с малыми амплитудами когда уровень гармоник в абсолютных величинах должен быть "статичным" до какой-то небольшой амплитуды основного тона, а потом уже спектр должен стать "чистым".

У современных ЦАП встречается более "коварный" вариант, когда при максимальной амплитуде сигнала искажения очень малы, а при средних амплитудах в абсолютных величинах они растут.

Коварство здесь в том, что эти искажения во время измерений остаются незаметными в тестах гармонических искажений для максимальной амплитуды и для теста динамического диапазона. Формально по цифрам такие ЦАП демонстрируют высочайшие результаты и лишь тестирование на нестандартных амплитудах дает пояснение, почему звучание совсем не такое высококачественное.

Самый яркий пример, это "ESS Hump" у ЦАП-ов от ESS, еще существует малозаметный "Hump" у семейства PCM179X и небольшие "хампы" у различных бюджетных кодеков, где наблюдается небольшая разница между локальным подъемом искажений и общей нелинейностью.

Полностью избавится от искажений путем изменения громкости обычно сложно, т.к. при сильном понижении амплитуды может стать слышен фоновый шум. Дополнительно, мы предполагаем, что искажений в области малых амплитуд нет, т.к. из-за высокой шумомовой полки нам их не видно. Но на практике искажения могут присутствовать. Соответственно основная рекомендация, это ставить уровень громкости до ЦАП на максимум, а понижать уже после него.

О субъективном восприятии

Такой вид искажений близок к искажениям по всей области амплитуд.

Такой вид искажений не является прямым аналогом искажений в области максимальных или минимальных амплитуд, и если первые можно соотнести с субъективным ощущением "лишней громкости", то эти искажения могут быть как совершенно незаметны, так и давать какой угодно окрас - как "резкий" так и "вялый". Если искажения соотнесутся психологически с "опасными" (например с намеком на жужжание насекомых), то на такой звук будет акцент внимания и последующая усталость с раздражением.

Для разных моделей ЦАП или схемотехники может быть сформирована определенная психоакустическая модель с взаимосвязью от уровня искажений.

Как снизить искажения, условия минимальной слышимости искажений

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

Плеер (ПО)

Обычно таких искажений не содержит.

ЦАП

Искажения такого рода обычно дает сам ЦАП. Если такие искажения есть на линейном выходе, то имеет смысл регулировать звук исключительно после ЦАП, а в самом ЦАП выставить максимум. К сожалению, когда дело касается портативной техники, плееров и смартфонов, то там регулировка громкости производится до ЦАП или в самом ЦАП.

Усилитель

Усилитель обычно таких искажений не дает.

Наушники/АС

В наушниках и АС такой вид искажений в явном виде не встречается. В очень малом виде такой вид искажений может зависеть от неравномерности магнитного поля, упругости подвеса и т.п.

<< 5. Искажения формы волны на средних амплитудах