Пора изменять измерения?

Михаил Сергеев

На этот раз разговор пойдет об измерениях. Но не сразу, а чуть позже. Сначала — история вопроса. Multimedia Club предоставил мне для испытаний оборудование. Поглядел я на него, включил, опробовал, описал свои впечатления и послал в редакцию. Приоткрою завесу: перед публикацией материалы испытаний обычно показывают владельцу аппаратуры — не для вылизывания каждого слова в угоду хозяину, в «Звукорежиссере» такое не принято. Дело в другом — есть вероятность всяких ляпов. Был в моей практике случай, когда я испытывал CD-проигрыватель, и как-то он мне не понравился: шум посторонний слышен и звук странноват. Оказалось, что я забыл вывернуть фиксатор, предохраняющий механизм от повреждений во время транспортировки, и владелец имущества быстро внес ясность.

Показали, короче, тексты хозяевам… Вроде бы кто-то с чем-то не согласился, и все разъехались по командировкам, остался только туман сомнения.

В конце концов, разобрались. Действительно, у хозяев оборудования оказался совершенно другой взгляд на испытания. И в то же время они не возражали против публикации имеющихся результатов и были готовы к конструктивному обсуждению. Тут вполне уместна цитата из отзыва директора Multimedia Club по маркетингу и развитию бизнеса Александра Курило.

Касаемо их содержания (выводов) — я не оспариваю возможность публикации этих статей со стороны редакции, но при этом хорошо бы было получить возможность нам и читателям далее задать по ним вопросы.

Есть ли уверенность у автора и у редакции, что замеры, сделанные с помощью используемой автором программы не будут отличаться от замеров, сделанных с помощью других методик, где иначе реализованы алгоритмы обработки данных? Если они будут отличаться, то почему автор утверждает, что полученные данные — результат работы «железной» части плат и драйверов, а не результат программной обработки данных программой?

Тут необходимо пояснить: с используемой мною программой для тестирования я провозился года два и разобрался, чему там можно верить, а что — от лукавого. В итоге использую:

1. Анализатор спектра. Корректность его работы проверяется легко. На тестовых дисках (например, NAB Broadcast and audio system test CD) есть сигналы с известным спектром: двухтональные, прямоугольные импульсы. На NAB test CD есть треки, специально предназначенные для проверки и калибровки измерителей нелинейных искажений: №№ 76, 77, 78 и 79 (0,1%, 0,3%, 1% и 3% соответственно).

Проверка не сложна: открываешь звуковым редактором трек с диска и сравниваешь спектр, вычисленный инструментами программы с тем, который должен быть на самом деле.

2. Расчет статистики. Вычисляются пиковое и среднеквадратичное значения. На проверке достоверности останавливаться не буду — она тривиальна.

Так что у меня нет сомнений в том, что и другая программа с корректным вычислением спектра и статистических параметров покажет такой же результат, а вот «железо» у меня такого же чувства не вызывает. Более того, есть уверенность: подключи конвертер к другому компьютеру — и многое может измениться, и в звучании, и в измеряемых параметрах, в частности — уровень шумов. На спектрограммах неленивый наблюдатель легко обнаружит высокочастотные наводки от блоков питания и, вероятно, видеосигналов. Переложи иначе провода — и уровень наводок окажется другим. Замени компьютер — изменится поле помех со всеми вытекающими. Больше скажу: переверни вилку в розетке — получишь другой результат. Тогда что же, собственно, измеряется?

Начать придется издалека, поэтому, надеюсь, читатели простят меня за многословие.

Одна из самых сложных задач — выбор. Хорошо было раньше: что «оторвал», тому и рад; сейчас сравнялись с цивилизованным миром: полки магазинов от аппаратуры ломятся, бери — не хочу. Что выбрать? Существует несколько вариантов стратегии выбора.

Можно поступить так: увидел у соседа, если понравилось, то покупаю себе. Разумно — при условии, что такой сосед есть, у него тоже есть, на что поглядеть, и руками трогать не запрещено. Не такие уж и сложные условия, но не всегда выполнимые. И подвох имеется: техника совершенствуется, а у соседа скорее всего — «вчерашний день».

Кто-то предпочитает сам ходить по магазинам, смотреть, слушать, сравнивать. Есть шанс купить то, что надо. Но можно так и проходить по магазинам до скончания века, да еще и купить неподходящую вещь.

Можно попросить совет у опытного товарища. Неудачи подстерегают вас, если этот опытный товарищ является по совместительству еще и ловким продавцом или анонимным шутником в конференции.

Наконец, можно обратиться за помощью к прессе: отчеты о тестированиях публикуются регулярно. В целом, информация в специализированных журналах вполне объективна, пренебрегать ею нельзя. Но как такой информацией пользоваться? И еще вопросы: на что нужно обратить внимание, а чем можно пренебречь?

Позволю себе маленький экскурс в психологию. Для многих важна возможность количественного сравнения. Видели бы вы глаза вполне обеспеченных жителей весьма развитых стран, когда они шарят по ценникам на распродажах: скидка 10%… скидка 30%… скидка 70% — берем! Даже не глядя на саму цену… Вот что делает с человеком «цифра».

Профессионалы-торговцы хорошо знают психологию и умело ею пользуются. Вот по их либретто и исполняется иногда опера под названием «тестирование». И часто не только массовка, но и солисты не замечают, что поют с чужого голоса. Честь и хвала постановщику — мастер, всех обаял и загипнотизировал! А как же иначе объяснить тот факт, что умные, профессионально подготовленные специалисты продолжают измерять коэффициент гармоник в цифровых системах при уровне 0 дБ? И почему измерения заканчиваются на частоте 20 кГц — как раз там, где начинаются основные трудности? У меня и в мыслях нет того, чтобы даже предположить, что автор RMAA — заслуженно популярного пакета программ для измерений параметров аудиоустройств — не знает о ВЧ-трудностях! Знает, но поддался обаянию стандартных методик.

Строго говоря, многое их того, что мы сегодня видим в части измерений в звуке, можно квалифицировать как «мошенничество на доверии». Будем надеяться, что это происходит без злого умысла. Разработчики обеспечивают правильные цифры, измерители их подтверждают — одним метром меряно! Покупатель, очарованный красивой цифирью, несет свои кровные в кассу, замыкая круг.

Так что на цифры надо смотреть с умом. Важно не только смотреть, но еще и видеть, а увидев — правильно интерпретировать. Но что можно сказать о такой таблице?

Режим	16/44	16/48	24/96	32/44
Уровень шума, дБА	-97,0	-96,5	-101,3	-99,0

Красивые цифры… Но в каком положении находился регулятор усиления? Полезно внимательно читать все, даже если примечания — мелким шрифтом или не напечатаны вовсе. Именно там находим ответ: в режиме минимального усиления. А в каком режиме будет эксплуатироваться устройство? Конечно, видеть в результатах испытаний «-100 дБ» гораздо приятнее, чем «-90», и тем более, «-70», но можно ли считать профессионалом того, кто скромно умолчал о шумах входного усилителя?

Обратите внимание еще и на букву в таблице: А — не инициал Белла. Это значит, что измерение сделано с взвешивающим фильтром МЭК«А», учитывающим частотную зависимость чувствительности слуха. Что у нас со слухом на частоте 30 или 40 кГц? Да ничего, глухо, как в танке. Наличие высокочастотных помех эта буква «А» позволяет не замечать. Но вы уверены, что высокочастотные помехи не окажут влияния на звук? Нелинейность усилителя или акустических систем в ультразвуковом диапазоне перенесет ВЧ-помехи в слышимую область спектра…

Идем дальше, нелинейные искажения.

Режим	16/44	16/48	24/96	32/44
Нелинейные искажения, %	0,0014	0,0018	0,0028	0,0036
Интермодуляционные искажения, %	0,0059	0,0063	0,0055	0,0052

Ну, красота неописуемая! Вдумайтесь: 0,0014%! Это значит, что мощность гармоник меньше мощности сигнала в 500 миллионов раз! А слух человека способен оценить это достижение? Скорее нет, чем да: порог заметности нелинейных искажений составляет около 0,1%.

Измерять коэффициент гармоник (К_г) на частоте 1 кГц легко и приятно. Физика и математика процесса таковы, что неприятности в цифровых звуковых системах проявляются по мере роста частоты. На 1 кГц — праздник, и на 10 кГц — все нормально. А кто гарантирует, что в системе не будет сигналов с частотой 20 или 21 кГц?

Проверить, как отреагирует система, легко: синтезируйте любым редактором сигнал с частотой, например, 21,5 кГц и посмотрите, что получилось на выходе ЦАП, осциллограф — вещь доступная. Если есть настоящий анализатор спектра, то можно точно измерить уровни новообразований. Можно взять карточку типа «Audigy 2» или аналогичную, погрешность немного возрастет, но не так радикально, чтобы 110 дБ превратились в 10, а то и в 3 дБ — настолько ниже основного тона оказывается иногда составляющая: 44,1 - 21,5 = 22,6 кГц.

Интермодуляционные искажения измеряют двумя сигналами: 7 кГц и 60 Гц. А другие сигналы можно на устройство подавать? Или нельзя? Подвох в том, что искажают АЦП/ЦАП одни сигналы, а измеряют — на других. Тоже рекламный трюк! Все равно, что написать на бутыли с самогоном или пакете с анашой: «Натуральный продукт, не содержит консервантов». Действительно, не содержит, а дальше что?

Мне кажется полезным проверить не только искажения на частоте 1 кГц и, но и понять, а не пострадает ли еще реальный звуковой сигнал? Допущения при испытаниях просты: все, что может нехорошего — будет. Может сигнал иметь частоту 21,5 кГц? Может рядом стоять монитор или UPS? Все это надо учитывать при тестировании!

Где сравнительные тесты других устройств по этой же методике (четко в тех же условиях), чтобы убедиться в ее дееспособности? Наконец, хорошо, автор берет на себя смелость делать собственные выводы на основании собственной модели тестирования и дополнять субъективными оценками «о звучании» — это его право, но дайте тогда «сравнительное поле», вашу систему координат!

И об этом придется поговорить.

Проведение тестов «четко в тех же условиях» позволяет получать сопоставимые данные — это достоинство метода; но можно ли по данным этих измерений судить, как будет работать аппарат в реальных условиях? Скорее нет, чем да. Почему? Пожалуйста, назову часто встречающиеся подвохи.

Начнем, например, с частоты дискретизации и разрядности кода — куда бы вы ни поставили конвертер, 44,1 кГц и 16 бит должны остаться самими собой. Давайте разберемся. В АЦП — собственный опорный генератор, а в устройстве записи или пульте, куда подан сигнал от АЦП, — свой. В приемнике сигналов есть SRC (Sample Ratio Converter), он обеспечивает синхронизацию потоков. При тестировании без SRC можно легко обойтись, синхронизировав единственный вход измерительного прибора по единственному цифровому потоку. А что будет в реальной жизни, когда сигналы от нескольких АЦП нужно собрать вместе и без SRC — никак? И появятся дополнительные искажения, которых при тестировании не было. Величина искажений зависит как от самого АЦП (стабильности опорного генератора), так и от приемника сигналов, и измерять их «четко в тех же условиях» едва ли имеет смысл.

Если задуматься, то обнаружим, что большая часть искажений звучания связана не только с собственными свойствами приборов, но и с взаимодействием между ними, которому почему-то внимание уделяют не часто. Оно и понятно, в принятой системе координат этого параметра нет, так зачем напрягаться?

Но и это еще не все. Скажите пожалуйста, если взять два устройства, одно имеет С/Ш 100 дБ и К_г = 0,0014, а второе — С/Ш 90 дБ и К_г = 0,004, то в каком случае звучание будет лучше? Уверен, точного ответа не получу. Так дает ли нам набор С/Ш, АЧХ, К_г и т. д. систему координат? (Естественно, если у конвертера К_г > 0,1%, С/Ш < 70 дБ, неравномерность АЧХ в диапазоне 30…15000 Гц превышает 1 дБ, то качественного звука, скорее всего, не будет. Выполнение перечисленных необходимых условий я всегда проверяю).

Вот еще пример. Вы приносите аппарат в студию и подключаете его не к измерительной станции АР, а к имеющимся там звуковым приборам. Вот тут и всплывет «неразвязанная земля», а в итоге заявленные и 101,3 дБ могут превратиться в 50 дБ. Не заметить, что в приборе X аналоговая и цифровая «земли» разделены, а в Y — нет, согласитесь, непрофессионально; а заметив, не отметить в отчете об испытаниях — по меньшей мере, нечестно.

Надеюсь, что теперь понятно, почему при тестировании я не ставлю перед собой задачу провести сравнительные испытания по принятым методикам и с большим скепсисом отношусь к такого рода предприятиям.

Гораздо более конструктивной представляется мне другая позиция: я просто описываю свои впечатления о параметрах, звуке и устройстве вообще — всем понятно, что они субъективны.

Объективно, хотя и с оговорками, можно оценить звук на концерте. Как подойти к «звучанию», например, АЦП/ЦАП? Чтобы появился звук, нужны еще провода, усилитель, акустические системы, помещение, исходный сигнал. Как выделить из этого винегрета вклад именно ЦАП? Я не знаю надежного рецепта, да его и не существует. Оценка зависит от такого большого количества факторов, что становится почти случайной.

Можно вставить испытываемый прибор в некий эталонный тракт, и в эталонном помещении воспроизвести эталонную фонограмму. Да мы узнаем, как звучит этот тракт. Смените провода — звук изменится, но заранее неизвестно, как именно. И каким будет звук в вашей конкретной студии — неизвестно. Я уже и не говорю про субъективизм экспертов. Есть нюансы и в методике проведения прослушиваний. Например, для складности и благообразия картины «крайние» показания экспертов игнорируются, но не выплескивается ли с водой и ребенок?

Был в моей практике просто одиозный случай: место — Большой зал «Мосфильма», эксперты — музыканты и звукорежиссеры. Проглядев анкеты, вижу несколько явно выпадающих из общего ряда оценок. Приглашаю авторов этих ответов, начинаю разбираться. На вопрос, чем не понравилось звучание, получаю ответ: «Исполнять Вагнера на синтезаторе?! Никогда!»

Я привожу объективные данные измерений, которые могут быть воспроизведены без особого труда всеми желающими; отмечаю конструктивные особенности, которые, на мой взгляд, могут иметь значение для эксплуатации. Не претендуя на право выносить последнюю и окончательную оценку, я даю читателю не набор красивых картинок, а информацию о приборе. Ту информацию, которая поможет правильно оценить его возможности и свойства, лучше понять, тот ли это аппарат, который нужен. И есть у меня основания для вывода, что мои коротенькие заметки подчас гораздо информативнее многостраничных томов отчетов с сотнями таблиц и графиков.

Если я хочу разобраться с аппаратом, понять, для чего он предназначен, в чем его сильные и слабые стороны, то нужны ли для этого измерения АЧХ? Решайте сами — вы ведь профессионалы! Или продолжим измерять неизмеримый коэффициент детонации?

Поверьте, гораздо проще «профессионально» снять типовой набор параметров, чем признать, что эти методики себя практически исчерпали, и начать разбираться в мелочах, изобретать какие-то новые приемы и методики. Но что полезнее?

Для того, чтобы в этом разобраться, совершим небольшую экскурсию за кулисы театра измерений.

По каким параметрам можно сравнивать, например, пылесосы? Мощность, разрежение воздуха, коэффициент полезного действия… Спору нет, важно, какую долю от потраченного электричества аппарат превратит в тягу воздуха. Но есть и другая сторона: заметную часть энергии пылесос расходует на преодоление сопротивления фильтров. Естественно, КПД будет тем выше, чем «прозрачнее» фильтр, а лидером такого «теста» станет вентилятор. Однако все-таки не для перегона воздуха предназначен пылесос, и пользы от такого аппарата мало, хотя и КПД высок. Зато измерить КПД гораздо проще, чем, например, чистоту уходящего воздуха. Аналогично обстоят дела и в звукотехнике.

Рис. 1. Зависимость коэффициента гармоник от частоты при разных значениях частоты дискретизации

Играет роль и привычка. Например, важной мерой качества звуковых устройств является линейность. Заметив этот факт, господа ученые сделали два шага: связали нелинейность с наличием гармоник и придумали метод измерения (К_г). Последствия мы наблюдаем на рисунке 1, хороший прибор АР фиксирует: К_г ≈ 0,001% на частотах до 6 кГц — выше этот метод не работает (данные всех измерений заимствованы с сайта http://www.labreport.ru).

Порог слуховой заметности нелинейных искажений составляет, по одним источникам, величину 0,5%. Есть мнения, что и 0,1% можно заметить, но число 0,01% ученые просто не обсуждают — ниже порога однозначно, — а инженеры ловят тысячные доли процента и радуются.

Измерение К_г имеет смысл только в том случае, когда и сам сигнал, и хотя бы одна гармоника попадают в полосу пропускания. Измерение К_г для устройства с полосой 20 кГц на частотах выше 10 кГц бесполезно, вот и придумали еще один способ контроля линейности — измерение коэффициента интермодуляционных искажений (IMD). Если на вход тракта подать два синусоидальных сигнала с частотами F₁ и F₂, то на выходе появляются еще и спектральные составляющие с частотами N·F₁ + M·F₂, где N, M — натуральные числа. Все бы хорошо, но для измерений уровня этих комбинационных составляющих нужен как минимум анализатор спектра, прибор непростой и недешевый.

Преклоняюсь перед остроумием человека, придумавшего простой прибор, позволяющий измерять интермодуляцию. Было предложено взять сигналы, частоты которых различаются существенно: F₂ — высокая, F₁ — низкая. Нелинейность тракта приведет к тому, что высокочастотный сигнал оказывается модулированным по амплитуде вторым сигналом с частотой F₁. Чем сильнее различаются частоты F₁ и F₂, тем проще выделить сигнал с частотой F₂ полосовым фильтром. Амплитудный детектор позволяет измерить влияние низкочастотной составляющей испытательного сигнала на высокочастотную, то есть интермодуляцию, — будь то десятые, а то и сотые доли процента. Блестяще! Безо всякой цифровой обработки и прецизионных фильтров инженеры сумели справиться подручными средствами.

Рис. 2. Измерения интермодуляционных искажений по методу SMPTE

При измерениях по методу SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers) используются сигналы с частотами F₁ = 60 Гц и F₂ = 7 кГц, на рисунке 2 показана упрощенная структурная схема измерителя. Полосовой фильтр Z₁ выделяет высокочастотную составляющую 7 кГц, на выходе амплитудного детектора U1 мы видим последствия интермодуляции, которые измеряет вольтметр P₁.

Кто-то, не менее остроумный, предложил еще один метод измерения нелинейности: если подавать на вход сигналы, разность частот которых фиксирована и известна заранее, то тоже можно обойтись без анализатора спектра, достаточно иметь полосовой фильтр, настроенный на разность частот входных сигналов. Все, что мы видим на его выходе, — продукты нелинейности испытуемого тракта.

Рис. 3. Измерения интермодуляционных искажений по методу CCIF

При измерениях по методу CCIF (International Telephone Consultative Committee) пары частот сигналов составляют 3 и 4 кГц, 5 и 6 кГц, 7 и 8 кГц, …, 11 и 12 кГц, 13 и 14 кГц, то есть различаются на 1 кГц. Для измерений нужен полосовой фильтр, выделяющий сигнал с частотой 1 кГц. Рисунок 3 иллюстрирует устройство измерителя нелинейных искажений. Полосовой фильтр Z₁, настроенный на частоту 1 кГц, выделяет из исследуемого сигнала разностную комбинационную составляющую, осталось подать ее на вольтметр P₁ — результат готов.

Итак, в первом случае нам нужен полосовой фильтр и амплитудный детектор, во втором — полосовой фильтр. И не фильтры вообще, а вполне конкретные, привязанные к испытательным сигналам. Испытательные сигналы оказываются связанными с фильтрами. Стандарты — явление консервативное, на одни только согласования уходят годы, вот и оказались мы привязаны к этим числам: 7 кГц и 60 Гц, 1 кГц.

В обоих случаях мы находим то, что ищем, но в цифровых устройствах бывает еще и интермодуляция между звуковым сигналом и частотой дискретизации. Продукты этого процесса могут и не попасть в полосовые фильтры… Нужно ли воспроизводить такие стандарты и методы в цифровых системах?

Посмотрим на результаты измерений IMD неких цифровых устройств.

Рис. 4. Результаты измерений коэффициента интермодуляционных искажений

Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика АЦП1

Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика АЦП2

Разностный тон 1 кГц (рисунок 4) просто отсутствует, но можно ли утверждать, что нет интермодуляционных искажений? Ученые учли, что для высококачественной передачи звуковых сигналов в аналоговых трактах достаточно 15 кГц, и договорились, что можно заканчивать измерения парой 13/14 кГц. А еще создатели стандартов имели в виду, что в аналоговых аппаратах все происходит плавно — трудно даже представить себе устройство, у которого на сигналах 13 и 14 кГц IMD равен 0,01%, а на сигналах, например, 15 и 16 кГц — 10%. Но для цифровой аппаратуры не всегда справедливы допущения, принятые в аналоговую эру. Стоило бы поглядеть, что будет происходить и на более высоких частотах.

Присмотритесь внимательно еще раз к спектрограмме: интермодуляционные составляющие малы, речь идет о величинах порядка минус 120 дБ относительно уровня полезного сигнала, то есть ниже абсолютного порога слышимости, и запас превышает 10…20 дБ. Комфортный уровень звукового давления у каждого свой, но опыт показывает, что 110 дБ — это максимум. Чтобы получить такое давление, нужно к акустической системе чувствительностью 90 дБ/Вт/м подвести мощность 100 Вт, или 28 В, если сопротивление АС равно 8 Ом. Будет свободная минутка, измерьте напряжение на мониторах вашей студии и сопоставьте сами.

Отмечу еще, что на абсолютный порог слышимости имеет смысл ориентироваться, когда отсутствует полезный сигнал, а интермодуляция появляется только в присутствии сигнала, и порог чувствительности повышается вследствие эффекта маскирования. Во всяком случае, если разность уровней двух сигналов превышает 80 дБ, то слышен только один.

Можно было бы еще осветить влияние нелинейности, эволюцию измерительного оборудования, но впереди нас ждет еще масса интересного.

Что говорят нам АЧХ АЦП? Физика процессов, происходящих в магнитофоне или громкоговорителе, способна привести к появлению заметных искажений АЧХ — речь идет о величинах 1… 3 дБ. Здесь же (рисунки 5, 6) мы видим сотые доли децибела — можно и не измерять. Но обратите внимание на форму АЧХ. В одном случае (рисунок 5) мы видим «горбик», а во втором (рисунок 6) — «змейку», издалека похожую на АЧХ фильтра Чебышева или Кауэра очень высокого порядка. Известны особенности таких фильтров: высока неравномерность группового времени задержки (ГВЗ). Вот ее бы и измерить… Ну кто же из катушек и конденсаторов будет делать фильтр двадцатого порядка? В аналоговых устройствах практически нет причин для появления заметной неравномерности ГВЗ, потому оно и осталось без внимания. В «цифре» ситуация другая, и измерение неравномерности ГВЗ было бы не лишним.

Создание стандартов не терпит суеты. Я с интересом наблюдаю за эволюцией Рекомендации ITU-R BS.1387-1 «Method for objective measurements of perceived audio quality». Исправление неточностей, доработки, усовершенствования — эту работу нельзя закончить, можно только прекратить.

Какие выводы напрашиваются? Не надо отказываться от измерений, но не следует механически переносить методы из одной объективной реальности в другую.

Пользуясь случаем, благодарю Александра Курило за доброжелательное отношение и конструктивный подход к вопросу. Надеюсь, и читатели это оценят и почерпнут что-то полезное для себя из результатов дальнейших испытаний.