Сигнал шум звуковая карта
Для оценки качества звукового адаптера используется три параметра:
· коэффициент нелинейных искажений;
Частотная характеристика (АЧХ) определяет тот диапазон частот, в котором уровень записываемых и воспроизводимых амплитуд остается постоянным. . По сути, АЧХ показывает, насколько равномерно может воспроизводить частоты звуковая система. Считается, что человеческое ухо воспринимает частоты в интервале 20 Гц. 20 кГц. И если аудиосистема воспроизводит частоты в том же диапазоне, то ее звучание будет наиболее естественным. Важен не только широкий диапазон воспроизведения частот, но и вид кривой АЧХ. Хорошо, если АЧХ представляет собой прямую линию в пределах достаточно широкого диапазона воспроизводимых частот.Для большинства звуковых плат этот диапазон составляет от 30 Гц до 20 кГц.
Коэффициент нелинейных искажений (THD).Если на вход звукового устройства подается идеальный синусоидальный сигнал, то на выходе его форма уже будет отлична от первоначальной. Вот это искажение сигнала и характеризует THD.
Каждый нелинейный элемент является причиной искажения. Чем меньше этот коэффициент, тем выше качество звука. Этот коэффициент может различаться для звуковых карт с одинаковым набором микросхем. Модели с дешевыми компонентами зачастую имеют значительные искажения, что ухудшает качество звука.
Какой уровень искажений можно считать приемлемым? Обычно высококачественная аппаратура имеет низкий коэффициент нелинейных искажений (менее 0.002%).
Если эта величина превышает 0,1 %, то помехи могут быть заметны на слух. Устройство с таким уровнем помех не может считаться высококачественным, В недорогих акустических системах значение этого параметра начастоте 1 кГц может доходить до 10 % (0,1 дБ). Для непрофессиональных звуковых карт THD в пределах 0,004. 0,02% можно считать приемлемым результатом.
Отношение сигнал/шум (SNR). Вместе с воспроизводимым сигналом на выходе звукового устройства всегда присутствует шум. Чем меньше его амплитуда по отношению к основному сигналу, тем лучше. Особенно хорошо шум проявляется при прослушивании музыки в наушниках и не так заметен при удалении от акустических колонок. Лучшие звуковые карты дают SNR порядка —9О. 95дБ. Хорошим можно считать величину SNR около —75 д5. Ну, а если на выходе звуковой карты регистрируется SNR порядка —60 дБ, то это уже весьма и весьма посредственная карта.
Отношение сигнал/шум характеризует силу звукового сигнала по отношению к фоновому шуму (шипению). Чем больше показатель (в децибелах), тем лучше качество воспроизведения звука. Например, современная звуковая карта может иметь отношение 100 дБ, в то время как более старая характеризуется отношением 90 дБ.
Коэффициент нелинейных искажений + шум (TND+N).Этот показатель одновременно объединяет в себе характеристики нелинейных искажений и шума.
Динамический диапазон (DR).Это разница между минимальным и максимальным уровнем звука, который может выдать звуковая система. Вследствие наличие шумов у звуковой карты эта разница меньше, чем естественный динамический диапазон записываемого звука. (рис. 7).
Так, естественный динамический диапазон симфонического оркестра определяется значением максимального звукового давления (110 дБ — самые громкие музыкальные звуки при игре всех инструментов) изначением минимального звукового давления (30дБ — тихая игра, например, одного инструмента при исполнении сольной партии).
Наибольшей силе звука соответствует максимальное напряжение сигнала. Максимальное значение напряжения ограничивается нелинейными искажениями. Минимальное напряжение полезного, сигнала определяется уровнем собственных шумов звукового устройства.
Рис.7. Динамический диапазон
Хорошим значением DR можно считать показатели от 50 дБ и выше.
Также стоит определиться с единицами, в которых обычно представлены параметры звука. Для этого используется относительная логарифмическая единица — децибел (дБ, dB). В технических описаниях можно встретить некоторый разнобой. Скажем, в одних документах значение SNR указывается со знаком «—», в других — без такового. В общем-то, сути это не меняет, нужно обращать внимание на модуль числа этого параметра. Знак «—» перед дБ обозначает ослабление, его указание было бы правильнее, но, по-видимому, считается не обязательным. Уровень звука также измеряется в дБ и тоже записывается со знаком «—». Максимальный уровень звука конкретного устройства принято считать равным 0 дБ, другие значения записываются с отрицательным знаком.
Перечисленные показатели имеют важное значение для всех сфер применения звуковых карт — от воспроизведения файла WAV до распознавания речи. Вместе с тем, дешевые микрофон и акустическая система могут свести на нет все преимущества дорогой звуковой карты.
2. Лабораторные задания и порядок их выполнения
Последовательно выполните настройки параметров аудиоподсистемы, изложенные в пунктах заданий 1-8.
Что лучше: более высокое или низкое SNR?
Подводя итог вышесказанному, чтобы было понятнее, отношение сигнал / шум - это то, что отделяет излучаемую мощность устройства от шума, который на него влияет, и, следовательно, чем больше эта разница, тем лучше. Поэтому, выбирая звуковую карту, усилитель или другое звукоизлучающее устройство, когда вы смотрите на его технические характеристики, вы должны знать, что тот, у которого самый высокий SNR, будет обеспечивать более высокую мощность сигнала, на которое меньше будет влиять шум сам сигнал.
Итак, какое значение SNR мы можем считать хорошим? Это зависит от категории продукта, но когда мы говорим о звуковой карте, встроенной, например, в обычную материнскую плату ПК, SNR 90 дБ уже вполне приличный. Конечно, в специализированных решениях нам придется искать более высокие значения, если возможно, они превышают 100 дБ.
Некоторые производители также упоминают коэффициент шума в технических характеристиках своего оборудования, и в этом отношении вам следует обратить внимание на прямо противоположное: чем меньше, тем лучше. К сожалению, большинство производителей бытовой электроники не выражают это значение, которое, как мы объясняли ранее, очень важно, и его часто можно увидеть только в продуктах, разработанных для профессионального звука.
Точнее, это параметр, который, хотя большинство производителей знают, что они его не публикуют, «скрывая свой позор», так сказать, если их продукт не хорош. По этой причине это нормально, что только производители профессиональных аудиопродуктов публикуют это значение, поскольку, если их продукт действительно хороший и качественный, им нечего скрывать. В любом случае, не беспокойтесь, потому что ни один из аудиопродуктов, которые вы наблюдаете, не указывает этот фактор, поскольку для обычного пользователя он также не будет иметь значения.
FAQ (Frequently Asked Questions) — часто задаваемые вопросы. FAQ по звуку — часто задаваемые вопросы о звуке.
Как читать этот FAQ?
Для удобства читателей, ответ на каждый вопрос разбит на три категории по степени сложности материала.
Н: Новичок — ещё многого не знает и не слишком хочет разбираться в мудрёных терминах.
П: Продвинутый — владеет основами обращения с техникой, в том числе с компьютером, и хочет всё знать.
З: Задвинутый — думает, что знает всё и любит докапываться до всяких научных и псевдонаучных мелочей. :)
Тем самым мы постарались избежать перекрёстных обвинений в чрезвычайной простоте при одновременной сложности изложения материала.
Что такое звук?
Н: Звук — это всё то, что мы слышим ушами.
П: Звук — это невидимые глазом волны, которые распространяются в воздухе, чаще всего из-за того, что где-то происходят колебания. С помощью нервных окончаний в нашем ухе мы их и слышим.
З: Звуковые волны — это физическое явление, происходящее в различных агрегатных состояниях вещества. При распространении имеют конечную скорость, характеризующую сжимаемость среды. Скорость распространения малых возмущений в общем случае равна: . Для адиабатических и изоэнтропических процессов , где k — показатель адиабаты. В каждом элементарном объёме при этом происходит колебание избыточного давления. Энергия звуковой волны характеризуется акустическим давлением и интенсивностью звука. Звуковым волнам присущи все волновые свойства. Это выражается, например, в возникновении явлений интерференции и дифракции при их распространении.
Что такое громкость звука?
Н: Делая громче или тише свой магнитофон или телевизор, мы изменяем громкость с помощью ручки с надписью "громкость".
П: Громкость — это кажущаяся сила звука. Для оценки громкости заумные дяди придумали специальную единицу измерения и назвали её децибел [дБ] (не путать с "децл" и "дебил"). Это — относительная величина, показывающая насколько увеличилась или уменьшилась громкость звука. Если принять за ноль еле слышимые звуки, то можно привести такую таблицу:
Громкость звука | Уровень громкости, дБ |
Граница слуха | 0 |
Шепот | 20 |
Разговорная речь | 50 |
Шум улицы | 80 |
Взлёт самолёта | 120 |
З: Кажущуюся громкость звука оценивают её уровнем: [дБ]. Согласно психо-физическому закону Вебера-Фехнера, эта величина для человека прямо пропорциональна субъективному ощущению изменения громкости. Где — интенсивность звука, — плотность, a — скорость звука. Но чаще измеряют уровень громкости через звуковое давление: . L < 0 означает ослабление звука, L >0 — его усиление.
Что такое высота звука?
Н: Высокий звук это когда поют птички: пи-пи-пи-пи-пи. Звук средней высоты это разговор людей: ла-ла-ла-ла-а. Низкий звук это когда рычит медведь: рэ-э-э-ы-ы.
П: К примеру, если дернуть за струну на гитаре, она начнет колебаться и колебать окружающий ее воздух. Чем больше число колебаний, тем выше звук. Количество этих колебаний в секунду, называют частотой и измеряют в Герцах [Гц].
З: Взглянем на график колебания во временнОй области — U(t). Наибольшее среднее значение напряжения — это амплитуда сигнала, A. Временной диапазон между двумя соседними колебаниями носит название периода (Т). Величина, обратная периоду, называется частотой: .
Что такое тембр звука?
Н: То, чем отличается в Вашем любимом сериале голос Хуаниты, от ее злобной соперницы Канчиты.
П: Возьмем звук одинаковой высоты, сыгранный на двух разных музыкальных инструментах — на трубе и на фортепиано. На слух он будет отличаться по ряду характерных признаков. Их совокупность называется тембром.
Давайте вспомним наши ощущения при вращении ручки "громкость" на аудио аппаратуре. С изменением громкости субъективно меняется тембр. На советской аппаратуре была кнопка "тон корректор". Она выправляла ощущение громкости звуков разной частоты, в соответствии с психо-физическими особенностями восприятия.
В жизни мы часто сталкиваемся с понятием регулятор тембра, в том числе эквалайзер. Этот термин имеет немного другой смысл. Регулятор тембра и эквалайзер раздельно регулируют громкость различных частотных составляющих звука.
З: Рассмотрим фрагменты графиков записей двух музыкальных инструментов — трубы и фортепиано:
Они были получены перезаписью через кодек ноты ля первой октавы в WAV редакторе. Воспроизведением занималась звуковая карта SoundBlaster Live! со стандартным 8 МБ банком памяти (GM-инструмент №56 Trumpet и GM-инструмент №0 Acoustic Grand Piano). Период основного колебания характеризует высоту звука, а вид определяет тембральную окраску.
Какой путь проходит звук?
Н: Сначала Ваш любимый "певун" завывает на звукозаписывающей студии в микрофон. Потом, этот звук обрабатывается и записывается на компакт-диск. Купив этот компакт в киоске и поставив запись в свой любимый пузатый "бумбоксик", Вы слушаете то, что осталось от музыки (если она там, конечно, была).
П: При помощи микрофона звуковые волны преобразуются в электрический сигнал. Либо звуки синтезируются модуляцией напряжением или током на электромузыкальных инструментах. А также в компьютерах, сразу же получаясь в цифровом виде (семплерные технологии). Этот сигнал проходит через ряд устройств (компрессор, лимитер, эквалайзер, ревербератор), как железных, так и виртуальных. Впоследствии все оцифрованные звуки в современной студии суммируются ("сводятся") в один звуковой файл, который подготавливается и записывается на CD-DA. При проигрывании на бытовом Hi-Fi CD-плеере цифровой сигнал преобразуется в аналоговый ЦАП-ом (цифро-аналоговым преобразователем) и, после усиления, подаётся на акустические системы. Последние преобразуют электрический сигнал обратно в звуковые колебания. Заумные весь этот путь называют звуковым трактом. Не исключено, что пройдя через все эти составляющие, качество звука, получаемого в конечном итоге, будет значительно отличаться от первоначального (по крайней мере, не улучшится). В какой мере — зависит от качества абсолютно всех звеньев этой цепи. К примеру, при покупке колонок мы отдаем предпочтение той системе, которая звучит "чище", определяя это "на слух". Заумные придумали некоторые стандартные показатели для измерения степени ухудшения звука (АЧХ, SNR, THD, и т.д.). Но никакие мудреные интегральные показатели не могут служить основанием для заочного суждения о "звучании" какого либо устройства.
З: В компьютере располагаются обрабатывающая и воспроизводящая часть звукового тракта. Самым качественным форматом кодирования звуковых данных на сегодня в общем случае является PCM (pulse code modulation — импульсно кодовая модуляция). Чаще всего этот формат на PC хранят в файлах с расширением wav. Но само по себе расширение wav не является гарантией PCM, это может быть и файл с данными в формате MPEG Layer 3 (в просторечье "MP3").
Что такое Амплитудно-частотная Характеристика (АЧХ)?
Н: Это одни из загадочных циферок (к примеру, 20-20000), которые Вы видите на последней странице в руководстве пользователя. Не обращайте на них особого внимания. :)
П: При рассмотрении АЧХ обратите особое внимание не на нижнюю и верхнюю границы воспроизводимых частот, а на величину неравномерности. Большая величина неравномерности приводит сильному к искажению тембра звучания. Если приведён график, то в первую очередь важно, что бы он был как можно ровней без резких взлетов и провалов. На высоких частотах в провалах звук будет тусклым, не ясным, в подъемах — присутствие раздражающих неприятных шипящих и свистящих призвуков. На низких частотах в провалах звук теряет "насыщенность", а в подъемах возникает ощущение "бубнящего" звучания и "гудения".
В высококачественных звуковых системах неравномерность АЧХ в рабочем диапазоне частот составляет не более +1..-1 дБ. Для компьютерных колонок +10..-10 дБ — вполне приемлемые цифры.
З: Рассмотрим типичную АЧХ дешевой пластмассовой колонки (по оси абсцисс в логарифмическом масштабе отложена частота, по оси ординат — относительная амплитуда):
По нему ясно, что акустическая система имеет наименьшие искажения в полосе частот от 100 до 10 000 Гц. Человеческая речь имеет диапазон от 80 до 10 000 Гц, а, к примеру, диапазон симфонического оркестра от 30 до 20 000 Гц. Отсюда видно, что данная акустическая система пригодна в лучшем случае для прослушивания человеческой речи. Разумеется, это не говорит о том, что музыку, исполняемую симфоническим оркестром, нельзя будет слушать на данной системе. Просто такое звучание будет ненатуральным.
Так как амплитуда сигнала, измеренная в логарифмах, величина относительная, цифру 0 по оси амплитуды можно поставить где угодно. К примеру, в -80 дБ (по отношению к 0 на данном графике). Потом можно гордо писать в паспорте, что акустика имеет диапазон воспроизводимых частот 20-20000 Гц — и это действительно так. Только вот неравномерность +90 дБ будет очень трудно объяснить, поэтому неравномерность в таких случаях просто не указывается!
Что такое THD?
Н: Страшная аббревиатура, которой Вас хотят запутать. Но не пугайтесь, это всего лишь цифры. И если Вы действительно не испугались, наслаждайтесь звуком (или тем, что от него осталось при указанных в паспорте THD).
П: Это оценка нелинейных искажений. THD — это довольно осредненный показатель, который не определяет однозначно качество звучания, т.е. аппаратура даже с одним и тем же значением THD может звучать по-разному. Аббревиатура Hi-Fi (высокая верность) подразумевает: чем меньше искажений, тем лучше звучание. Требования по THD в Hi-Fi системах: не более 1,5% (на частоте 1000 Гц).
З: Это некий интегральный показатель, который характеризует нелинейные искажения для данной системы. Для акустических систем характерно применение фильтра для измеряемого сигнала, при подачи тестового сигнала (обычно синусоида частотой 1 кГц), с целью измерения всех дополнительных гармоник, возникающих из-за нелинейности системы. Обычно измеряют мощность второй и третьей гармоник, как вносящих наиболее существенный вклад. Для перевода из процентов в децибелы используют следующую формулу:
Что такое шумы (SNR)?
Н: Шумы — это когда пш-ш-ш-ш-ш, и это плохо. Чем меньше пш-ш-ш-ш-ш, тем лучше.
П: Шумы можно представить как некий случайный звуковой сигнал малой громкости, который примешан к основному (изначальному) сигналу.
Отношение сигнал/шум (SNR) показывает превышение уровня сигнала над уровнем шума. Шумы можно также разложить по частотам. В области средних частот шумы наиболее заметны на слух. Наименее неприятен шум, равномерно распределенный по всем частотам (белый шум).
Человек имеет от природы способность отфильтровывать сигнал от шумов, поэтому шумы не так неприятны для восприятия, как искажения (см. THD). Отношение сигнал/шум (SNR) измеряется в дБ.
З: Для показателя SNR можно привести следующую ориентировочную табличку:
10-20 дБ | Абонентская радиоточка, телефон |
20-50 дБ | Колоночки для плеера |
50-60 дБ | Переносные радиоприёмники, 8 битные звуковые карты |
60-80 дБ | Hi-Fi аппаратура |
80-100 дБ | Студийная и Hi-End аппаратура |
Существует некоторое разночтение в понятии сигнал/шум. Фирмы производители любят указывать вместо SNR немного другой показатель, а именно — уровень шумов при отсутствии сигнала (Zero Signal Noise). Чем плохо такое измерение? А тем, что производителям достаточно легко реализовать внутри аппаратуры так называемый "гейт". Скажем, при уровне входного сигнала -80 дБ сработает выключатель, и уровень шумов падает до фантастических величин, на гране реальности. Отсюда все заявления о 96-97 дБ SNR в дешевой аппаратуре. На поверку, при подаче сигнала с небольшим уровнем, эти характеристики резко падают, становясь хуже на 20 дБ (а то и все 30!).
Коэффициент Нелинейных Искажений + Шум (THD+N)
Н: Чем больше THD+N, тем хуже качество в общем случае.
П: Этот показатель объединяет два предыдущих и существует для одновременной оценки уровня шумов и коэффициента нелинейных искажений.
З: THD+N — это более удачный показатель для цифровой аппаратуры, так как не позволяет выбрать наилучший уровень сигнала для SNR и для THD по отдельности.
Мощность
Н: Мощность — это не громкость.
П: Указанное производителем значение мощности не имеет особого практического смысла при выборе аппаратуры в магазине. Если Вы до конца не представляете, что она обозначает, не смотрите на мощность вовсе. Например, про акустическую систему можно сказать: ее мощность равна 10 Вт. Или: ее мощность равна 1000 Вт. Оба значения будут правильными. В первом случае мощность может быть указана "в RMS", а во втором "в PMPO". Поэтому не надо воспринимать близко к сердцу значение мощности, указанное в PMPO. Если попытаться хоть как-то сравнить два устройства по их мощностным характеристикам, то особое внимание следует обратить на уровень искажений (THD) при измерении мощности. Например, набор колонок 300 Вт RMS при 10% THD будет менее предпочтителен и, с очень большой вероятностью, будет звучать много хуже, чем колонки мощностью всего лишь 50 Вт RMS при 0,1% THD.
Динамический диапазон (DR)
Н: Разница между самым тихим и самым громким звуками.
П: Для аудио аппаратуры это запас по динамике звука между порогом из шумов и началом перегрузки акустических систем и усилителя. Для уменьшения динамического диапазона и облегчения воспроизведения музыки и речи на дешевой аппаратуре, применяют так называемую компрессию звука (не путать со сжатием размера звукового файла). Таким образом, поп и рок музыка звучит довольно сносно даже на дешевой бытовой аппаратуре и компьютерных колоночках, т.к. динамический диапазон подобных записей очень "узкий" — не больше 10-15 дБ. Для классики значение динамического диапазона значительно "шире" — около 50 дБ. Соответственно, требования ко всему звуковому тракту для "серьёзной музыки" гораздо выше.
З: Для цифровой аппаратуры — это максимальный SNR, где шумами считаются шумы квантования в теории и порог из цифровых шумов дизеринга и субгармонических искажений (noise floor + harmonic distortion) на практике. Для акустической системы — это чувствительность, [дБ/Вт*м]. Для усилителей — это, если грубо, линейная часть кривой усиления.
Фактор шума
Когда мы говорим о шуме в аудиоустройстве, мы не имеем в виду фоновый шум , так как это, очевидно, может измениться в зависимости от обстоятельств, местоположения или от того, есть ли мужчина, гудящий на светофоре возле вашего окна. Нет, шум, когда мы говорим об аудио, относится к величине шума, создаваемого самим электронным устройством, например, шум, который усилитель ставит в сигнал.
Эта величина шума может быть выражена так называемым коэффициентом шума (F), который является результатом деления отношения сигнал / шум на входе (S / R) на отношение сигнал / шум на выходе. (S / R) соль, когда значения сигнала и шума выражаются в простых значениях. Таким образом, формула будет выражена следующим образом:
Однако, к большому сожалению, значения отношения сигнал / шум выражаются в децибелах, и поэтому мы говорим о логарифмической формуле. Поскольку коэффициент шума также должен быть выражен в децибелах как величина звука, то формула будет следующей:
Коэффициент шума является очень важной величиной в системах передачи звука, поскольку, хотя внешний шум никогда не может быть полностью устранен, снижение шума, создаваемого самим звуковым оборудованием, зависит от тщательности его конструкции, так что, если говорить об обратном, тем ниже коэффициент шума. , тем больше производитель баловал его дизайн, добиваясь лучшего качества.
Методы представления результатов FFT (smoothing windows)
Но не всё так плохо. В зависимости от преследуемых целей результаты могут быть представлены в соответствии с одним из методов, указанных в таблице:
Метод представления | Точность передачи по частоте спектра | Точность передачи амплитуды | Уменьшение размытия | Где применяется |
Bartlett | Плохо | Плохо | Средне | |
Blackman | Плохо | Хорошо | Превосходно | Измерение искажений (distortion) |
Flattop | Очень плохо | Превосходно | Средне | Точные измерения значений амплитуды |
Hamming | Плохо | Плохо | Плохо | |
Hanning | Плохо | Превосходно | Превосходно | Измерение искажений и шумов |
Kaiser | Плохо | Плохо | Очень плохо | |
Parzen | Плохо | Плохо | Очень плохо | |
Triangular | Плохо | Плохо | Очень плохо | |
Uniform (неизменённое представление) | Превосходно | Очень плохо | Очень плохо | Точные измерения значений частоты пиков, анализ импульсов |
Из приведённой таблицы видно, что в реальной жизни хватит всего 2-х методов: по Ханингу (Hanning) и обычного представления (Uniform). Принцип действия всех этих методов заключается в подборе такой сложной функции, которая бы дала нам оптимальный вид зависимости амплитуды от частоты.
Особенности выбора тестового сигнала
Создадим стандартный синусоидальный сигнал 1 кГц амплитудой 0 dB (амплитуда считается относительно максимального сигнала без перегрузки для 16-битной разрядной сетки). Сигнал для тестов точно под "0" — не очень хороший выбор (исключая рекламные проспекты). Реально на студиях никто не нормализует музыкальный материал таким образом — всегда оставляют некоторый запас "сверху" (headover). Это происходит по разным причинам. И одна из них такова: старший бит несёт информацию о половине амплитуды сигнала, ошибки при считывании CD-DA интерполируются через двойной каскадный код Рида-Соломона, и при нормализованном под "ноль" сигнале щелчки со временем "эксплуатации" будут слышны все чаще и чаще. Для получения более реальных характеристик разумно использовать для измерений файл с уровнем -3dB.
Ровный спектр шумов при почти полном отсутствии гармоник идеально подходит в качестве эталонного сигнала.
Измеряемые параметры
Коэффициент нелинейных искажений (Total Harmonic Distortion, THD). Равен квадратному корню отношения суммы мощностей всех гармоник, кроме основной, к мощности основного колебания. Согласно установившейся практике подаётся сигнал частотой 1 кГц максимальной амплитуды. Характеризует нелинейность и обычно сильно зависит от частоты. Измеряется в процентах. Для цифровой техники при выходе цифрового сигнала за разрядность цифровой сетки (например, при высоких положениях регуляторов громкости в микшере или некорректных алгоритмах) характерно скачкообразное увеличение значения THD.
Отношение сигнал/шум (Signal to Noise Ratio, SNR). Показывает превышение амплитуды выходного сигнала над среднеквадратичным значением мощности шумов. Вычисляется вычитанием упомянутых величин в децибелах, поэтому является размерной величиной. Очень актуален для аналоговых устройств и АЦП/ЦАП. Так как уровень воздействия шумов на человека зависит от спектра самого шума, то для учёта субъективного восприятия (а иногда и в маркетинговых целях) применяют стандартную сетку А-взвешивания. При этом рядом с параметром должно быть указано А-weighting. Цифровые шумы не подчиняются закону геометрического сложения, как аналоговые.
Для совместной оценки шумов и искажений также измеряют полный коэффициент гармоник с учётом шумов (THD+N). Он объединяет в себе значения двух вышеописанных параметров.
Реальный сигнал включает в себя частоты, на порядок отличающиеся друг от друга по значению. Вследствие нелинейности звукового тракта могут образовываться паразитные модуляционные гармоники, делающие звук неестественным и неприятным. Для учёта такого влияния вводят коэффициент взаимной модуляции (InterModulation Distortion, IMD).
АЧХ, или амплитудно-частотная характеристика (AFC, amplitude-frequency characteristic). Представляет собой график в координатах амплитуды от частоты, построенный измерением амплитуды на выходе системы при подаче гармонического сигнала обычно представляющего собой "плавающий" синус (swept sine) с постоянной амплитудой. В идеале этот график должен быть прямой линией, при этом имеет значение не абсолютное соответствие референсному сигналу, а отклонение от наиболее ровного участка. Позволяет судить о том, насколько верно передаётся амлитуда сигнала на различных частотах спектра. При необходимости корректируется многополосным эквалайзером. К сожалению, аналоговые эквалайзеры привносят гораздо более неприятные на слух по сравнению с частотными фазовые искажения. Необходимо отметить, что цифровые эквалайзеры, работающие не в реальном времени, не вносят фазовых искажений в сигнал.
Мощность шумов квантования при оцифровке может быть уменьшена на несколько дБ за счёт оверсемплинга и последующей фильтрации неслышимых частот, что широко применяется в кодеках и ЦАП-ах. Упомянуто это для объяснения технологической необходимости установки фильтра высокого порядка (означающего спад АЧХ на высоких частотах). Однако создать идеальный фильтр (и дешевый, и эффективный) трудно, поэтому разработчики часто "залезают" даже в слышимую область спектра. Влияния подобного рода инженерных решений на качество звука нужно оценивать в каждом конкретном случае предельно аккуратно.
Что такое отношение сигнал / шум или SNR?
Отношение сигнал / шум, S / R или SNR (отношение сигнал / шум) определяется как отношение между выходной мощностью передаваемого сигнала и мощностью шума, который его искажает (поэтому мы говорим только об устройствах, которые излучают звук и никогда устройств, которые его улавливают). Этот запас измеряется, как и почти все, что связано со звуком, в децибелах.
Часто многие производители используют термин динамический диапазон как синоним SNR, но вы должны быть осторожны, потому что некоторые используют его как маркетинговую стратегию, чтобы создать впечатление, что это SNR, когда на самом деле динамический диапазон служит для обозначения расстояния между уровнем выходного пика и фоновым шумом. То, что отношение сигнал / шум, указанное в децибелах, фигурирует в технических характеристиках устройства, следовательно, это ничего не означает, если оно не сопровождается используемыми контрольными точками, а также весами.
Очевидно, что если вы хотите купить оборудование с точки зрения его частотной характеристики, они должны измерить отношение сигнал / шум, используя ту же кривую взвешивания и эталонный уровень, что, к счастью, является наиболее распространенным в отрасли, поэтому уровни SNR равны обычно сравнительный.
Режимы работы с программой
Для переключения режимов работы служит меню Mode:
Real Time — измерения в реальном времени, Recorder — запись и обработка файлов, Post Process — постообработка, в которой имеется возможность использования перекрытий (FFT overlap) для более точного измерения.
Перейдём в режим Recorder и откроем тестовый файл — синусоиду с частотой 1 кГц. Нажав клавишу F4 или выбрав пункт меню Option/Settings, попадаем в настройки и устанавливаем необходимые параметры. Следует обратить внимание на частоту обработки. Если она отличается от частоты семплирования, неизбежны значительные нелинейные искажения от передискретизации.
ВНИМАНИЕ! Не рекомендуется использовать входящий в комплект SpectraLAB тестовый файл синусоиды 1 кГц 44100 Гц при измерении характеристик карт в режиме семплинга 48000 Гц.
Averaging Settings - округления по сериям измерений. FFT size — число N из формулы (2). Peak Hold — фиксировать пики — необходимо только для показа "потолка", так как измерения искажений и шумов в этом режиме получаются некорректными. Decimal Ratio — позволяет уменьшить выборку по частоте. Для исключения "пульсаций" АЧХ при максимальном FFT size следует уменьшить значение этого параметра до 32768 (можно предположить следующее: поскольку численное интегрирование очень чувствительно к шагу, деление на 2 16 в формуле (2) значительно ухудшает точность и устойчивость численного метода).
О применимости данной методики и корректности результатов измерений
В статье SB Live! и домашняя звуковая студия приводятся сравнение параметров аудиотракта звуковой карты SBLive!, полученных на измерительном комплексе Audio Precision, с таковыми у профессиональных и полупрофессиональных карточек. Данные, полученные нами с помощью программы SpectraLab 4.32.14, отличались от указанных в статье не более чем на 1,5%.
В любом случае наша цель состоит не в получении абсолютных значений, а в сравнении параметров звуковых карт между собой по одной и той же методике, в одних и тех же условиях. И что самое важное — результаты измерений хорошо согласуются с независимыми слуховыми экспертными оценками на качественном аудио-оборудовании.
В наших планах стоит улучшение и развитие данной методики измерений. Комментарии и поправки от квалифицированных специалистов в данной области приветствуются.
При выборе любого аудио продукт который издает звук (то есть, например, звуковая карта, встроенная в ваш материнская плата), одним из параметров, которые производители всегда указывают (или, по крайней мере, должны это делать), является отношение сигнал / сигнал. шум , иногда просто называют SNR для краткости. Однако это выражается в значении, которое, не имея ссылки, мы не можем узнать, хорошее оно или плохое, поэтому в этой статье мы расскажем вам, каково соотношение сигнал / шум в аудиоустройствах. что измеряется И для чего это.
На самом деле, когда мы говорим об аудиопродуктах, есть много параметров, о которых нам сообщают производители, но если вы не будете четко понимать, что из себя представляет каждый из них, от них будет мало пользы, кроме как покупать стоимость одного продукта с ценностями другого. , и даже в этом случае. Может быть, вы не знаете, лучше ли более высокое SNR для определенного продукта, или, может быть, продукт с более низким отношением сигнал / шум является наиболее подходящим, поэтому давайте рассмотрим этот вопрос, чтобы иметь возможность его определить. правильно.
Что нужно знать при выборе звуковой карты?
THD АЦП (от 3.0E-4 до 0.0126 %)
Значение THD (коэффициента гармонических искажений) для АЦП. Чем меньше значение THD, тем меньше искажений образуется в процессе преобразования аналогового сигнала в цифровую форму.
THD ЦАП (от 3.0E-4 до 0.013 %)
Значение THD (коэффициента гармонических искажений) для ЦАП. Чем меньше значение THD, тем более чистый и прозрачный звук получается на выходе звуковой карты.
Версия EAX
Версия стандарта EAX, которую поддерживает звуковая карта. EAX (Environmental Audio Extensions) - это API (интерфейс программирования приложений) для создания эффектов звучания окружающей среды, предложенный компанией Creative. Звуковая карта с поддержкой EAX позволит вам ощутить полную 3-х мерную атмосферу игры. Последняя версия EAX 5.0 (EAX ADVANCED HD 5.0) обеспечивает поддержку новых пространственных эффектов, используется в звуковой карте Creative SoundBlaster X-Fi.
Версия PCI
Версия шины PCI, которая требуется для подключения звуковой карты. На современных материнских платах обычно установлены слоты с поддержкой последней версии PCI - 2.3. Шина PCI поддерживает принцип обратной совместимости - шины с новой версией PCI всегда поддерживают карты со старой версией.
Версия USB
Версия USB, которая требуется для подключения звуковой карты. USB 1.1 обеспечивает скорость обмена данными до 12 Мбит/с, USB 2.0 - до 480 Мбит/с. Многие звуковые карты USB 2.0 будут работать и с шиной USB 1.1, но с ограниченной функциональностью в режимах, где требуется передача данных с большой скоростью.
Динамический диапазон АЦП (от 85 до 123 дБ)
Динамический диапазон для АЦП - это отношение величины самого громкого звука к самому тихому, измеряемое в децибелах (дБ). Чем больше динамический диапазон АЦП, тем более качественно звуковая карта может оцифровать звук.
Динамический диапазон ЦАП (от 87 до 123 дБ)
Динамический диапазон для ЦАП - это отношение величины самого громкого звука к самому тихому, измеряемое в децибелах (дБ). Широкий динамический диапазон позволяет качественно передать все нюансы естественного звука. Чем больше динамический диапазон ЦАП, тем более качественный звук можно получить на выходе звуковой карты. Обычно этот параметр указывается только у профессиональных звуковых карт.
Звуковая схема
Звуковая схема, которую обеспечивает звуковая карта. Звуковая схема определяет число каналов для создания объемного звучания. Возможные звуковые схемы: 2, 2.1, 4.0, 4.1, 5.1, 6.1, 7.1. Единичка после точки означает, что один канал используется для подключения низкочастотного динамика (сабвуфера). Для создания стереофонической звуковой картины используется два канала. Звуковые схемы 5.1, 6.1, 7.1 дают возможность подключить комплект акустики с усилителем и создавать объемное звуковое сопровождение компьютерной игры или DVD-фильма.
Количество внешних линейных входов (от 0 до 8 )
Количество внешних линейных входов, расположенных на звуковой карте. С помощью линейного входа к звуковой карте можно подключить любой источник аналогового звукового сигнала (например, проигрыватель виниловых дисков, кассетный магнитофон, аналоговый синтезатор). Несколько линейных входов позволяют обрабатывать сразу несколько таких источников одновременно. У простых мультимедийных звуковых карт обычно один линейный вход.
Количество входов MIDI (от 0 до 8 )
Количество входов MIDI, расположенных на звуковой карте. MIDI (Musical Instrument Digital Interface) - цифровой интерфейс музыкальных инструментов. С помощью MIDI-интерфейса можно предавать данные с музыкальной клавиатуры. При нажатии на клавишу будет передана информация о нажатии, о номере ноты и о скорости нажатия на клавишу (все это вместе называется MIDI-событие). Все MIDI-события можно не только передавать, принимать, но и записывать. Записанную MIDI-мелодию можно проиграть с помощью музыкального редактора на разных музыкальных инструментах. Наличие нескольких разъемов позволяет работать с несколькими MIDI-источниками.
Количество выходов MIDI (от 1 до 8 )
Количество выходов MIDI, расположенных на звуковой карте. Выход MIDI используется для подключения и синхронизации звуковой карты с другими MIDI-устройствами: MIDI-генераторами, ритм-машинами, магнитофонами. Наличие нескольких разъемов позволяет одновременно работать с нескольких MIDI-устройствами.
Количество микрофонных входов (от 0 до 2 )
Количество микрофонных входов на звуковой карте. При помощи микрофона, подключенного к звуковой карте, вы можете записать и оцифровать любой звук, например свой голос. С помощью нескольких микрофонов можно записывать сразу несколько источников одновременно (например, пение и аккомпанемент на акустической гитаре). У простых мультимедийных звуковых карт обычно микрофонный вход только один, у профессиональных их может быть несколько.
Количество независимых выходов на наушники (от 1 до 2 )
Количество независимых выходов на наушники, расположенных на звуковой карте. Профессиональные звуковые карты могут иметь два и более выхода на наушники, снабженные независимыми регуляторами громкости. Например, исполнитель и звукорежиссер могут одновременно пользоваться наушниками во время записи.
Количество портов FireWire (от 1 до 2 )
Количество портов FireWire, установленных на звуковой карте. Последовательный интерфейс FireWire позволяет подключать к компьютеру такие устройства как видеокамеры, внешние CD и DVD-приводы, внешние жесткие диски. Если у вас на компьютере не было порта FireWire, то, подключив звуковую карту с этим портом, вы дополнительно получите возможность использовать FireWire-устройства.
Количество универсальных XLR/TRS входов (от 1 до 6 )
Количество XLR/TRS входов, расположенных на звуковой карте. XLR/TRS разъемы служат для подключения симметричного (balanced) аудиосигнала. Симметричный аудиосигнал передается по трем проводникам, что позволяет эффективно бороться с помехами от электромагнитных излучений. Такие разъемы используются в аппаратуре класса high-end и в профессиональной технике и позволяют добиться более высокого качества звука.
Максимальная частота АЦП
Максимальная частота дискретизации АЦП. При преобразовании аналогового сигнала в цифровой (или так называемом процессе дискретизации) происходит замер амплитуды сигнала, и его величина записывается в числовой двоичной форме. Частота, с которой совершаются такие замеры, называется частотой дискретизации. Чем выше частота АЦП, тем качественнее получается оцифровка звука.
Максимальная частота ЦАП (многоканальный)
Максимальная частота дискретизации ЦАП в многоканальном режиме. Чем выше частота ЦАП, тем качественнее сигнал на выходе звуковой карты.
Максимальная частота ЦАП (стерео)
Максимальная частота дискретизации ЦАП в режиме стерео. При преобразовании цифрового сигнала в аналоговый на выходе происходит генерация напряжения определенного уровня, который записан в числовой двоичной форме. Частота, с которой повторяется эта процедура, называется частотой дискретизации. Чем выше частота ЦАП, тем качественнее сигнал на выходе звуковой карты. Для примера, в обычном Audio-CD звук записан с частотой дискретизации 44.1 кГц, а в DVD-Audio - 192 кГц.
Наличие предусилителей
Наличие предусилителей на внешнем блоке звуковой карты. Предусилители позволяют усилить слабые микрофонные и линейные сигналы до уровня, для которого безопасны внешние электрические помехи.
Наличие фонокорректора
Наличие на звуковой карте входа фонокорректора. Фонокорректор используется для подключения электромагнитного звукоснимателя от проигрывателя виниловых дисков. Он позволяет брать сигнал напрямую со звукоснимателя, избегая искажений и шумов, которые добавляет предварительный усилитель проигрывателя. В англоязычной литературе такой вход обозначается как "PHONO IN".
Отношение сигнал/шум АЦП (от 82 до 121 дБ)
Отношение сигнал/шум для АЦП показывает, какое "количество шума" добавляется к полезному сигналу, и определяет качество оцифровки звука. Этот параметр может иметь значение, если вы планируете производить запись сигнала с помощью звуковой карты, например запись с микрофона.
Отношение сигнал/шум ЦАП (от 82 до 120 дБ)
Отношение сигнал/шум для ЦАП показывает уровень шума в отсутствии полезного сигнала и определяет качество звука на выходе звуковой карты.
Сигнал/шум 75-90 дБ - бюджетные звуковые карты или встроенные в материнскую плату.
Сигнал/шум 90-100 дБ - высококачественные звуковые карты в основном для домашнего (игрового) применения. Пример: Creative Audigy 2.
Сигнал/шум 100-114 дБ - звуковые карты для профессионального применения. На базе таких карт можно построить мини звуковую студию. Пример: Creative SoundBlaster X-Fi, E-MU 1212M.
Поддержка ADAT
Поддержка интерфейса ADAT. ADAT (Alesis DAT) - это тип распространенного многодорожечного цифрового магнитофона, созданного компанией Alesis. С помощью цифрового интерфейса ADAT можно передавать одновременно несколько (от 8 до 24) звуковых дорожек, что дает возможность построить на базе звуковой карты домашнюю студию звукозаписи. Интерфейс ADAT используется только в профессиональной аппаратуре.
Поддержка AES/EBU
Поддержка звуковой картой стандарта AES/EBU. Стандарт AES/EBU был создан двумя организациями: Audio Engineering Society (Общество звукоинженеров) и European Broadcast Union (Европейский вещательный союз) для использования в профессиональной аппаратуре. AES/EBU служит для передачи двух цифровых каналов звука и служебной информации. Интерфейс AES/EBU позволяет подключать к звуковой карте высококлассную аудиоаппаратуру, которая используется в студиях звукозаписи. Обычно подключение осуществляется через разъемы типа XLR.
Поддержка ASIO
Поддержка звуковой картой стандарта ASIO. Стандарт ASIO (Audio Stream Input Output) был создан компанией Steinberg для улучшения работы многоканальных устройств и снижения времени задержки (latency). Поддержка данного стандарта позволяет эффективно использовать профессиональные программы по работе со звуком, например Cubase, SoundForge, Traktor и другие.
Поддержка внешней синхронизации
Наличие в звуковой карте режима внешней синхронизации. Внешняя синхронизация работы ЦАП используется при передаче цифрового потока для согласованной работы цифровых устройств, подключенных к звуковой карте. Наличие внешней синхронизации значительно уменьшает искажения, которые возникают в ЦАП из-за нестабильности частоты дискретизации (такие искажения называются джиттер). Внешняя синхронизация используется только в профессиональной технике.
Пульт ДУ
Наличие пульта дистанционного управления. С помощью пульта ДУ можно управлять работой звуковой карты, например, регулировать громкость звука, менять параметры объемного звука и т.п.
Разрядность АЦП
Число разрядов АЦП (аналого-цифровой преобразователь). АЦП - это устройство, которое осуществляет преобразование аналогового сигнала (например, сигнал от микрофона) в цифровую форму. При преобразовании (или так называемом процессе дискретизации) происходит замер амплитуды сигнала, и его величина записывается в числовой двоичной форме. Величина аналогового сигнала может быть измерена с определенной точностью, которая определяется числом разрядов АЦП. Чем больше число разрядов, тем качественнее сигнал получается при оцифровке.
Тип звуковой карты. По способу размещения звуковые карты можно разделить на три типа: внутренние, внешние и внутренние с дополнительным блоком.
Внутренняя звуковая карта устанавливается в компьютер в свободный слот расширения (обычно PCI). Для ее подключения не нужно кабелей и она не занимает место на рабочем столе. К недостаткам можно отнести возможность появления электрических помех от электромагнитного излучения внутри компьютера.
Внешняя звуковая карта связана с компьютером через интерфейсный кабель и полностью защищена от электрических помех. Помимо этого внешняя звуковая карта не ограничена размерами и на ней может быть установлено большое количество разъемов. Внешнюю звуковую карту можно подключать к ноутбукам для расширения их аудиовозможностей, например для декодирования 5.1 звука.
Внутренняя карта с дополнительным блоком. Использование внешнего блока позволяет защитить слаботочные аудиовходы от электрических помех компьютера. На внешнем блоке, как правило, размещаются разъемы и дополнительные регуляторы. Иногда внешний блок устанавливается в 5-ти дюймовый отсек компьютера с фронтальный стороны, что делает доступ к разъемам более удобным.
Тип подключения
Тип интерфейса или шины, через который звуковая карта подключается к компьютеру. Существуют следующие типы подключения: PCI, USB, FireWire, PCMCIA, ExpressCard.
PCI - стандартная шина для персональных компьютеров. Внутренние звуковые карты для персональных компьютеров в большинстве случаев устанавливаются в свободный PCI-слот.
USB - внешняя последовательная шина. USB используется для подключения внешних звуковых карт к ноутбукам и настольным компьютерам. Для ПК это бывает удобно, когда нет свободного PCI-слота.
FireWire (IEEE 1394) - высокоскоростная внешняя последовательная шина для обмена данными между компьютерами и мультимедийными периферийными устройствами. FireWire используется для подключения внешних звуковых карт.
PCMCIA, или PC Card - интерфейс для подключения компактных периферийных устройств. Обычно применяется в портативных компьютерах (ноутбуках).
ExpressCard - это новый стандарт карт расширения для ноутбуков, который приходит на замену PCMCIA (PC Card), превосходя их по скорости передачи данных. ExpressCard использует скоростную шину PCI Express. Модули ExpressCard имеют размеры 34x75x5 или 54x75x5 мм, что значительно меньше размеров модулей PC Card.
Цифровой коаксиальный вход S/PDIF
Наличие на звуковой карте цифрового коаксиального входа S/PDIF. S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface) - последовательный цифровой интерфейс, служит для передачи звука в цифровой форме. Преимущество использования цифрового интерфейса - отсутствие шумов и помех. Наличие цифрового входа позволяет подключать к компьютеру внешние аудиоустройства (например, CD-плееры, у которых есть соответствующий цифровой вход). Цифровой сигнал можно записать на жесткий диск или обработать с помощью музыкального редактора.
Для подключения по цифровому коаксиальному входу можно использовать простой экранированный аудиокабель с разъемом RCA.
Цифровой коаксиальный выход S/PDIF
Наличие на звуковой карте цифрового коаксиального выхода S/PDIF. Такой разъем позволит подключать к компьютеру внешнее аудиоустройство, при этом сигнал будет передан без шумов и искажений. Также во многих случаях через S/PDIF можно подключить внешний усилитель с декодером и получить объемное звуковое сопровождение для DVD-видеофильма.
Цифровой оптический вход S/PDIF
Наличие на звуковой карте цифрового оптического входа S/PDIF. Основное отличие от цифрового коаксиального входа состоит в том, что для передачи сигнала используется свет, а вместо электрического кабеля - специальный световод. Для подключения оптического S/PDIF используются специальные разъемы TosLink. Главное преимущество оптической передачи сигнала - в полной защищенности даже от сильных электромагнитных помех.
Цифровой оптический выход S/PDIF
Наличие на звуковой карте цифрового оптического выхода S/PDIF. По функциям оптический выход S/PDIF полностью аналогичен коаксиальному выходу S/PDIF.
Некоторые общие пояснения технических терминов можно найти в нашем FAQ по звуку. Для более глубокого понимания нижеизложенного можно воспользоваться следующими документами: FAQ по цифровому представлению звуковых сигналов, Personal Computer Audio Quality Measurements.
Для измерений характеристик, получаемых при прохождении сигнала по внешнему пути аудиотракта карты — из линейного выхода в линейный вход (external loopback), был применён шнурок длиной 10 см из раздельно экранированных микрофонных проводов d=6 мм. На его концах были распаяны позолоченные разъемы миниджек производства Тайвань, немного расточенные с торца.
Немного теории
Действие программы SpectraLab основано на FFT (Fast Fourier Transform — быстром преобразовании Фурье). Вспомним формулу прямого преобразования Фурье:
где — непрерывная функция на входе, например .
A — амплитуда сигнала, например 1 Vrms, — частота, например 1000 Гц.
На её основе вводится формула дискретного преобразования Фурье:
где — дискретные значения непрерывной функции f (i) в точке i, N — количество точек, — частота.
При этом мы можем выбирать как узкий диапазон частот для более точного исследования, так и всю доступную полосу, которая, согласно теореме Котельникова, не может превышать половину частоты дискретизации. Для максимальной производительности выбирают N, являющееся степенью числа 2 (в программах обычно предлагается ряд от 2 8 до 2 16 ).
Какие методические погрешности мы получаем? Самая большая неприятность — это рассеяние. То есть при подаче синусоиды вместо такой картинки в идеале:
возникает немного другая:
Это "просачивание" сигнала на соседние частоты спектра в английской терминологии носит название leakage. Такова плата за realtime в измерениях, который мы имеем используя FFT. То есть искажению подвергается даже представление идеального файла с чистой синусоидой, что делает невозможным определение по графику истинного значения спектрального распределения шумов на реальном сигнале.
Читайте также: