Спектр гармонических искажений
Описание данных, представленных в каждом отчете усилителя в базе измерений personalaudio
 | Данный фрагмент отчета представлен в результатах тестирования в каждом отчете ЦАП в базе измерений personalaudio |
О измеряемых характеристиках
График показывает спектр однотонального гармонического сигнала с выхода усилителя или ЦАП-а. Для ЦАП график представляет собой чаще академический интерес. Тест проводится на сигнале с большой продолжительности в ARTA с использованием усреднения спектров в экспоненциальном режиме для более корректного усреднения и выявления периодических сигналов. Такой подход с одной стороны позволяет использовать высокое разрешение по спектру (при нескольких усредненных спектрах с параметрами 131072 семпла, Ханнинг), и при этом эффективно уменьшить уровень шумовой полки. При таком подходе эффективно снижаются не периодичные составляющие шума.
Во время теста воспроизводится синус. Из-за нелинейности ЦАП или усилителя, форма искажается и в спектре появляются дополнительные гармонические составляющие, часть из них кратная основному тону, а часть нет. У усилителей класса А, Б и АБ основные искажения проявляются в дополнительных гармониках кратных основному тону, в то время как у других классов схем и ЦАП-ов искажения проявляются по всему спектру. Существуют исследования, в которых выведены зависимости порогов слышимости как отдельно взятых гармоник, так оценка слышимости того или иного характера спектра искажений. К сожалению, в открытом доступе такой информации мало, а новые исследования носят закрытый характер, т.к. находят применение в различных сферах применения, поставленных на коммерческую основу. В большинстве случаев, с выхода ЦАП получаются очень низкий уровень искажений, либо не типичный характер распределения гармоник в спектре, что дает возможность лишь предположительной оценки звучания устройства.
Как соотнести числовое значение уровня гармонических искажений и звучания? Зачем смотреть на спектр, когда есть численное значение?
Это хорошо иллюстрирует следующий пример. У нас есть две дороги длинной в 1 км, и точно известно, что высота обоих меняется в пределах 1 см на 1 км. У первой дороги высота меняется очень плавно и заметность изменения высоты в автомобиле без рессоров крайне мала. Дорога представляет собой бесшовную бетонную дорогу. А у вторая дорога сделана из мелкого камня и изменение на 1 см происходит практически каждые 5 см. По такой дороге постоянно чувствуется зуд от колес. В то же время, стоит уменьшить неравномерность до 0,1 мм – и обе дороги станут одинаково комфортны.
Примерно такая же ситуация и с усилителями с ЦАП – плавное искажение выражается в гармониках низкого порядка – на 2, 3, 4 и 5 кГц при гармонике первого порядка в 1 кГц, а резкое и хорошо слышимое изменение выражается в гармониках высоких порядков – выше 7-ой.
В эпоху ламповых усилителей спектр искажений состоял в основном из гармоник низкого порядка и уменьшение числового значения коэффициента гармонических искажений было прямо пропорционально качеству звучания. В спектре транзисторных усилителей преобладают гармоники высоких порядков, более слышимых как резкость в звучании. При равных значениях коэф. гармонических искажений у транзисторных и ламповых усилителей качество звука оказалось несопоставимым в пользу ламповых усилителей, что потребовало поиска новых числовых характеристик, а так же визуальной оценки спектра для представления качества.
Таким образом, числовое значение представляет лишь академический интерес и степень инженерной реализации потенциала устройства. По спектру гармонических искажений можно приблизительно оценить степень нелинейности системы по гармоникам и влияние джиттера по изменению шумовой полки.
График спектра гармонических искажений
На графике представлено два уровня гармоник, с уровнем 0 dBFS и -3 dBFS. Для разделения гармонических искажений и периодических сигналов от шума дополнительно представлена шумовая полка.
Хорошо, когда:
- Наличие гармоник не кратных основному тону минимально и обладает низким уровнем
- В спектре гармоники выше 10 кГц отсутствуют или обладают низкой амплитудой, ниже 140-150 дБ.
- Уровень шумовой полки при наличии основной гармоники не изменен
- Нет юбки у основного тона или боковых гармоник (указывает не джиттер)
Не критично (с инженерной точки зрения плохо, с субъективной – на звучании отражается слабо), когда:
- Уровень второй и третьей гармоники высок (до 70-90 дБ)
- Уровни гармоник высокие, но плавно спадают в сторону высших порядков
- Уровень шумовой полки незначительно повышен (указывает на джиттер)
Плохо, когда:
- Уровни гармоник не спадают в сторону высших порядков
- Когда в спектре большое количество не кратных гармоник, фактически образующих высокую шумовую не равномерную полку
- Уровни высших порядков высокого уровня (выше 100 дБ)
Отчеты спектра гармонических искажений
Гармонические искажения
В первой таблице даются результирующие общие данные.
Гармонические искажения при 0,0 dBFS @ 1 кГц, дБ
-93,7
Гармонические искажения при 0,0 dBFS @ 1 кГц, дБ показывает общий уровень искажений к максимальному выходномй уровню с ЦАП. Обычно, на таком уровне искажения максимальны и показывают инженерный уровень реализации объвязки ЦАП, а так же корректность подачи данных на ЦАП. Данные указываются в относительной величине- децибеллах. В подсчете участуют только кратные гармоники по отношению к основному тону 1 кГц.
Коэффициент гармонических искажений при 0,0 dBFS @ 1 кГц, %
0,002068
Гармонические искажения при 0,0 dBFS @ 1 кГц, % показывает общий уровень искажений к максимальному выходномй уровню с ЦАП. Обычно, на таком уровне искажения максимальны и показывают инженерный уровень реализации объвязки ЦАП, а так же корректность подачи данных на ЦАП. Данные указываются в относительной величине- процентах. В подсчете участуют только кратные гармоники по отношению к основному тону 1 кГц.
Гармонические искажения при -3,0 dBFS @ 1 кГц, дБ
-99,4
Гармонические искажения при -3,0 dBFS @ 1 кГц, дБ показывает общий уровень искажений к близкому максимальному выходному уровню с ЦАП. Обычно, на таком уровне искажения схожи у уровнем от 0 dBFS, а измерение производится в loop режиме для звуковых карт, где измерение при 0 dBFS часто приводит к клиппингу на участке АЦП или ошибкам при подстчете, если до анализа производится нормализация сигнала. Данные указываются в относительной величине- децибеллах. В подсчете участуют только кратные гармоники по отношению к основному тону 1 кГц.
Коэффициент гармонических искажений при -3,0 dBFS @ 1 кГц, %
0,001069
Гармонические искажения при -3,0 dBFS @ 1 кГц, % показывает общий уровень искажений к близкому максимальному выходному уровню с ЦАП. Обычно, на таком уровне искажения схожи у уровнем от 0 dBFS, а измерение производится в loop режиме для звуковых карт, где измерение при 0 dBFS часто приводит к клиппингу на участке АЦП или ошибкам при подстчете, если до анализа производится нормализация сигнала. Данные указываются в относительной величине- процентах. В подсчете участуют только кратные гармоники по отношению к основному тону 1 кГц.
Уровни гармоник при подаче 1 кГц 0 dBFS
Гармоника, порядок
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Уровень гармоники, дБ
0,0
-111,8
-93,8
-130,0
-135,6
-147,8
-131,0
-140,7
-143,4
-140,6
Гармоника, порядок
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Уровень гармоники, дБ
-132,2
-146,4
-130,6
-150,0
-134,6
-146,2
-138,5
-148,2
-136,0
-149,7
Таблица показывает индивидуальные уровни каждой кратной гармоники для спектра с уровнем основоного тона 0 dBFS.
Уровни гармоник при подаче 1 кГц -3 dBFS
Гармоника, порядок
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Уровень гармоники, дБ
-3,0
-121,3
-102,5
-145,7
-135,4
-150,7
-134,9
-150,5
-133,5
-150,4
Гармоника, порядок
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Уровень гармоники, дБ
-137,0
-145,4
-143,4
-146,7
-133,9
-148,9
-136,9
-150,1
-141,0
-150,2
Таблица показывает индивидуальные уровни каждой кратной гармоники для спектра с уровнем основоного тона -3 dBFS.
