Ljudanalysator

En ljudanalysator är ett test- och mätinstrument som används för att objektivt kvantifiera ljudprestandan hos elektroniska och elektroakustiska enheter. Ljudkvalitetsmått täcker en mängd olika parametrar, inklusive nivå , förstärkning , brus , övertons- och intermodulationsdistorsion , frekvenssvar , relativ fas för signaler, överhörning mellan kanaler och mer. Dessutom har många tillverkare krav på beteende och anslutning av ljudenheter som kräver specifika tester och bekräftelser.

Ljudanalys kräver att enheten som testas tar emot en stimulanssignal med kända egenskaper, med vilken utsignalen (svaret) kan jämföras av analysatorn för att fastställa skillnader uttryckta i de specifika mätningarna. Denna signal kan genereras eller styras av analysatorn själv eller kan komma från en annan källa (t.ex. en inspelning) så länge som egenskaper i förhållande till den önskade mätningen är definierade.

Som test- och mätutrustning krävs ljudanalysatorer för att ge prestanda långt utöver den för de typiska enheterna som testas (DUT). Högkvalitativa ljudanalysatorer måste uppvisa försvinnande låga nivåer av brus, distorsion och störningar för att anses lönsamt, och måste göra det konsekvent och tillförlitligt för att bli betrodda av ingenjörer och designers. Till exempel, medan en kommersiell CD-spelare kan uppnå en total övertonsförvrängning plus brus (THD+N) förhållande på cirka −98 dB vid 1 kHz, kan en ljudanalysator av hög kvalitet uppvisa THD+N så lågt som −121 dB (detta är den specificerade typiska prestandan för Audio Precision APx555).

Ljudanalysatorer används i både utveckling och produktion av produkter. En konstruktionsingenjör kommer att tycka att det är mycket användbart när han förstår och förfinar produktens prestanda, medan en produktionsingenjör kommer att vilja utföra tester för att snabbt bekräfta att enheterna uppfyller specifikationerna. Mycket ofta är ljudanalysatorer optimerade för ett av dessa två fall.

Aktuella populära ljudanalysatormodeller inkluderar: APx585 och APx555 (från Audio Precision), dScope M1 och Series III (från Spectral Measurement, tidigare Prism Sound), U8903A (från Agilent) och UPP- och UPV-analysatorerna (från Rohde & Schwarz).

Audio Precision APx525, en aktuell ljudanalysator

HP 8903B, en ljudanalysator från mitten av 1980-talet

Historia

En av de tidigaste pålitliga källorna som användes för ljudtestning var den första produkten som tillverkades av Hewlett-Packard 1939, ljudoscillatorn HP200A . Den smarta och billiga designen hos HP200A gjorde det möjligt för testare att generera sinusvågor med låg distorsion av mycket hög kvalitet som kunde användas för testning. Detta följdes av företagets introduktion av HP320A och HP320B Distortion Analyzers 1941.

Dessa tidiga analysatorer kunde bara bestämma total harmonisk distorsion och brus kombinerat, och fungerade genom att använda ett brant hackfilter för att ta bort den grundläggande frekvensen av stimulussignalen från utgången från DUT. Den återstående signalen uppmättes som en växelspänning och möjliggjorde således manuell beräkning av totalt brus och distorsion till cirka 0,1 % minimum.

Efterföljande produkter från HP, Wandell & Goltermann, Radford, Marconi, Sound Technology och Amber fortsatte att förfina mätkapaciteten från 1950-talet till 1970-talet, men användningsmodellen förblev relativt konstant; signalgeneratorer och analysatorer var separata delar av utrustningen, och testning innebar noggrann inställning av var och en av en person med hög teknisk kompetens. Detta förändrades 1980 med introduktionen av Tektronix AA501 Distortion Analyzer, som automatiserade processerna för inställning av nivåer, frekvensjustering och nollning. Samtidigt introducerade Hewlett-Packard den populära HP8903B, som kombinerade en högkvalitativ signalgenerator och analysator i en enda enhet.

I mitten av åttiotalet upphörde Tektronix produktionen av ljudtestutrustning och 1984 startade medlemmar i teamet som hade utvecklat AA501 Audio Precision. Den första Audio Precision-produkten var System One, som kombinerade en integrerad generator och analysator med en ansluten PC för att helt automatisera testprocedurer och ge en mycket högre grad av beräkningskraft än de enkla mikroprocessorer som användes i andra produkter vid den tiden. Den nya användningen av en PC möjliggjorde en hög grad av anpassad automatisering och möjliggjorde en radikalt annorlunda visuell presentation av resultaten.

Kombinationen av PC-teknik med ljudanalysatorer antogs av andra, inklusive Prism Sound (dScope), Rohde och Schwarz (UPL) och Stanford Research (SR1). När kraften hos tillgängliga datorer ökade migrerade själva mätningarna från att utföras internt av ljudanalysatorer till applikationer som körs på anslutna datorer som utförde FFT- beräkningar (Fast Fourier Transform), vilket avsevärt ökade flexibiliteten och upplösningen för många resultat.

Förutom analoga, är ljudanalysatorer idag ofta kapabla att generera och mäta ljudsignaler över flera olika typer av digitala I/O. Till exempel erbjuder Rohde och Schwarz UPP alternativen AES/EBU , S/PDIF , I²S och HDMI ; Audio Precision APx500-seriens analysatorer stöder AES/EBU, S/PDIF, I²S, HDMI, PDM (Pulse Density Modulation) och Bluetooth- radio och är helt DSP -baserade.

Blockdiagram och funktion

En modern ljudanalysator består av:

En ljudgenerator som ger stimulans, både analog och digital, till DUT.
Ljudingångssteg som tar emot ett svar från DUT, både analogt och digitalt, och omvandlar det till lämpliga signaler (analoga eller digitala) för analys
En signalanalysator som filtrerar svaret och beräknar resultat av mätningar, vanligtvis en ansluten eller inbyggd PC i moderna lösningar
En form av utdata till användaren (visning, rapport, etc.)

I ett sluten slinga-test styr analysmotorn ljudgeneratorn samtidigt som den mäter utsignalen från DUT, som visas nedan:

Blockdiagram över testning med sluten slinga med en ljudanalysator

Signalanalysatorn kan ge kontroll till både ljudgeneratorn och ljudingångsstegen, vilket säkerställer att testvillkoren uppfylls. Detta tillåter också att exakta tidsförhållanden mellan stimulansen och svaret hos en DUT kan bestämmas.

Blockdiagram för testning med öppen slinga med en ljudanalysator

I ett test med öppen slinga har signalanalysatorn ingen kontroll över ljudkällan som driver DUT, och därför måste användaren se till att säkerställa att källan tillhandahåller en signal med lämpliga egenskaper. Open loop-tester är användbara för att mäta DUTs som inte har någon direkt signalingång, till exempel en CD- eller MP3-spelare.

Elektroakustiska enheter

Elektroakustiska enheter som högtalare och mikrofoner ger speciella problem för analys, eftersom de måste ta emot eller sända signaler genom luft. I dessa fall måste DUT i modellen som visas ovan ersättas med det kompletta elektromekaniska systemet, t.ex. en effektförstärkare för att driva en högtalare, en högtalare, en mätmikrofon och mikrofonförförstärkare. Den faktiska enheten som testas kan endast mätas när de andra enheterna i detta system är helt karakteriserade, så att bidragen från dessa enheter kan subtraheras från svaret. Många moderna ljudanalysatorer innehåller mätsekvenser som automatiserar denna procedur, och den senaste utvecklingens fokus har legat på kvasi-eko-mätningar. Dessa tekniker gör att högtalare kan karakteriseras i en icke-ideal (bullrig) miljö, utan behov av en ekofri kammare , vilket gör dem idealiska för användning vid tillverkning av stora volymer. De flesta kvasi-eko-mätningar är baserade på ett impulssvar skapat från en sinusvåg vars frekvens svepas på en logaritmisk skala, med en fönsterfunktion applicerad för att ta bort eventuella akustiska reflektioner. Log swept sinusmetoden ökar signal-brusförhållandet och tillåter även mätning av individuella distorsionsövertoner upp till Nyquist-frekvensen , något som tidigare var omöjligt med äldre analystekniker som MLS (Maximum Length Sequence).

Ljudgenerator

En ljudgenerator som lämpar sig för användning i test och mätning måste uppfylla flera kriterier som gäller både analog och digital stimulans:

Möjlighet att generera olika vågformstyper
- Sinus
- Fyrkant
- Multitone (en grupp av samtidiga sinusvågor)
- Svep (flytta kontinuerligt från en specificerad frekvens till en annan)
- Standard intermodulationsvågformer (SMPTE, DIN, DFD och DIM)
- Godtyckliga vågformer
Extremt låg kvarstående distorsion och brus
Tillräckligt amplitudområde
Tillräckligt frekvensområde
Extremt hög amplitudnoggrannhet
Extremt hög frekvensnoggrannhet
Justerbar och exakt källimpedans
Balanserade/obalanserade utgångsalternativ (analog)
AC och DC koppling

Dessutom kommer generatorn att möjliggöra definitionen av ett exakt frekvensområde och amplitud för stimulansen som presenteras för DUT. Detta är avgörande när man anpassar testförhållandena till egenskaperna hos DUT.

Signalanalysator

Före introduktionen av integrerade ljudanalysatorer var ljudgeneratorer och ljudanalysatorer separata delar av utrustningen. I den här artikeln hänvisar signalanalysator till elementet i en modern ljudanalysator som implementerar de faktiska mätningarna.

Oavsett om den är realiserad i analoga kretsar, digital signalbehandling (DSP) eller FFT, måste analysmotorn tillhandahålla implementeringar med hög precision av:

Eftersom de flesta moderna instrument är digitalt baserade, utförs signalanalys ofta med FFT-baserade beräkningar, vilket gör att många resultat kan beräknas i ett enda testpass.

Resultaten av dessa mätningar bearbetas av analysatorn till läsbara data med användning av en mängd olika standardenheter och format, såsom volt , dB , dBu , SPL , ohm , relativ procent, etc., beroende på den specifika mätningen som rapporteras. Härledda resultat uppnås genom att kombinera flera primära resultat till ett beräknat resultat.

Mätningar och resultat

Ljudanalysatorer kan mäta många typer av parametrar. De grundläggande måtten är:

Nivå och förstärkning : Nivå beskriver storleken på en signal och kan uttryckas i absoluta eller relativa termer. Vanliga absoluta enheter kan vara volt , watt , dBV och dBu , medan relativa mätningar oftast uttrycks i dB . Nivå kan också betingas som en toppmätning eller en RMS- mätning. Förstärkning är förhållandet mellan signalnivån vid en DUT:s utgång dividerat med signalnivån vid ingången, vanligtvis uttryckt i dB.
Frekvenssvar : mäter utgångsnivån för en DUT som en funktion av frekvensen. Nivå uttrycks i samma enheter som ovan, typiskt dBV och dBu.
Total harmonisk distorsion plus brus (THD+N) : Produkter för harmonisk distorsion är multiplar av stimulusfrekvenser, medan brus är energi som inte är matematiskt relaterad till insignalen. Som ett signalresultat kan THD+N betraktas som allt signalinnehåll i DUT-svaret som inte ingår i stimulus.
Signal-to-Noise Ratio (SNR) : förhållandet mellan önskad signal och oönskat brus som kommer från en DUT, uttryckt i dB.
Överhörning : den oönskade närvaron av en signal från en ljudkanal som den uppträder i andra ljudkanaler i en DUT. Eftersom detta är ett förhållande uttrycks det i dB.
Fas : förhållandet i tid mellan två signaler med identisk frekvens, uttryckt som en bråkdel av signalens period. Detta uttrycks vanligtvis i grader, med en hel cykel av en sinusformad signal som är 360 grader.
Intermodulationsdistorsion (IMD) : Distorsion som är resultatet av icke-linjär blandning av två eller flera signaler, typiskt två sinusvågor vid olika frekvenser eller summan av en sinusvåg och en fyrkantsvåg. Förutom distorsionsprodukter vid harmoniska multiplar av frekvenserna, finns produkter även vid multiplar av summorna och skillnaderna av de ursprungliga frekvenserna.
Tidsdomänvisning : Motsvarar en oscilloskopvisning av signalen, som visar momentan amplitud som en funktion av tiden.

Se även