Analiza widma sygnału w oprogramowaniu APx500

Poniższy artykuł omawia zagadnienia związane z rejestracją widma sygnału poprzez oprogramowanie APx500 firmy Audio Precision. Omówiona zostanie zarówno możliwość obserwacji widma w czasie rzeczywistym (RTA) jak i analizy danych zarejestrowanych podczas standardowego pomiaru. 

Dostęp do oprogramowania APx500 możliwy jest zarówno z poziomu analizatorów Audio Precision oraz niezależnej licencji pozwalającej na pomiary przy użyciu kart dźwiękowych wspierających ASIO.

Rys. 1 - Analizator APx517B - dedykowany do akustycznych pomiarów głośników, słuchawek i innych urządzeń smart. 

Obserwacja widma w czasie rzeczywistym

Oprogramowanie Audio Precision APx500, oprócz gotowych bibliotek funkcji pomiarowych, pozwala również na podgląd i analizę sygnału w czasie rzeczywistym. W tym zakresie dostępne jest monitorowania sygnału w dziedzinie czasu oraz widma sygnału otrzymanego w trakcie FFT.

Rys. 2 - Okno monitorowania widma sygnału w programie APx500 - rejestrowany sygnał ton sinusoidalny 500 Hz

Widok okna pozwala na dostosowanie widma pod kątem komfortu analizowania wyniku. Ustawienia obejmują zarówno jednostki na obu osiach, wyświetlenie konkretnego fragmentu pasma, czy też kursory wskazujące wartość w określonych punktach.

Okno analizy posiada również możliwość uśredniania wyników, co w praktyce przekłada się na ustabilizowanie widoku, zmniejszając wpływ pojedynczych losowych zakłóceń. 

Rys. 3 - Okno monitorowania z opcją uśredniania ustawioną na 4 - rejestrowany sygnał ton sinusoidalny 500 Hz. Porównując z Rys. 2 widać znacznie złagodzony sygnał, szczególnie w poziomu szumu.  

Sama analiza pozwala również na dostosowanie długości analizy FFT oraz okna stosowanego podczas transformaty. 

Rys. 4 - ustawienia okna monitorowania FFT.

Funkcja monitorowania dostępna jest w obu trybach pomiarowych Bench Mode i Sequence Mode. Zobacz różnicę pomiędzy trybami pomiarowymi: Oprogramowanie Pomiarowe APx - Tryb Sekwencyjny vs Bench Mode

Funkcja pomiarowa FFT

Obserwowanie widma w czasie rzeczywistym pozwala na dynamiczną ocenę ogólnego zachowania układu, jednak do pełnej analizy sygnału, wykreślenie wykresu reprezentującego widmo, będzie stanowiło wygodniejszą formę do porównań. W tym zakresie oprogramowanie APx500 udostępnia funkcje akwizycji z automatycznym wykonaniem Szybkiej transformaty.

Funkcja udostępnia szereg ustawień akwizycji pozwalających na analizę sygnału. Same pomiary mogą zostać przeprowadzone zarówno w pętli zamkniętej, gdzie na badany obiekt podajemy kontrolowany sygnał, obserwując odpowiedź badanego obiektu, jak i w pętli otwartej, gdzie nie mamy możliwości kontroli sygnału pobudzającego (np. w przypadku urządzeń z zakodowanym sygnałem testowych, generowanym z poziomu komendy).

Ustawić można zarówno parametry stricte związane z akwizycją, takie jak jej długość, liczba punktów FFT, okno, czy liczba uśrednień, jak i te związane z sychronizajcą sygnału wejściowego m.in wyzwalacz, czy opóźnienie analizy.     

Rys. 5 - Wykres opcji FFT uzyskany w oprogramowanie APx500. Wykres przedstawia dwa pomiary (krzywani niebieska i fioletowa) reprezentujące odpowiedź badanego urządzenia na dwa tony sinusoidalne o wskazanej częstotliwości.   

Funkcja pomiarowa: Transfer Function

Analiza sygnału może przyjmować różną formę, również pod zakresu analizy sygnału. Omówiona w poprzednim rozdziale funkcja, ogranicza się jedynie do wykreślenia widma sygnału i przedstawienia sygnału w funkcji czasu. Funkcjonalność ta jest wystarczająca do wielu typu prostszych analiz, jednak niektóre wymagać będą bardziej złożonej analizy, szczególnie jeżeli do oceny urządzenia wykorzystany zostanie inny sygnał niż chirp lub tony sinusoidalne.W tym celu APx500 udostępnia funkcję pomiarową Transfer Function, analizującą i porównującą FFT sygnału wejściowego do FFT sygnału przetworzonego przez badane urządzenie. W takim przypadku możliwe jest wykorzystanie dowolnego sygnału szerokopasmowego, w tym nagrania ludzkiej mowy, czy muzyki, osiągając szersze informacje dotyczące przetwarzania sygnału.

Transfer Function posiada szereg pomiarów obliczających poszczególne parametry sygnału, oferując analizę w domenie częstotliwościowej oraz domenie czasu. 

Rys. 6 - Zakres parametrów obliczanych  ramach funkcji Transfer Function

Dodatkowo każda z funkcji pomiarowych posiada szereg funkcji obliczeniowych, pozwalających analizować, pojedynczy pomiar lub kilka wariantów pomiarowych.

Rys. 7 - Dodatkowe funkcji obliczeniowe, dla funkcji pomiarowych w APx500

Ustawienia Transfer Function pozwalających na wykonanie pomiarów z synchronizowanym sygnałem generatora, jak i z zewnętrznymi niezsynchronizowanymi sygnałami w trybie “Open Loop”. Dodatkowo ustawienia sekcji analizatora pozwalają, dopasować akwizycję sygnału, dla poszczególnych typów badanych obiektów i wykorzystywanych sygnałów. Ma to szczególne znaczenie przy pomiarach zawierających nietypowe bodźce typu nagranie mowy, czy specyficzny typ szumu. 

Funkcja posiada również możliwość przedstawienia samego widma sygnału, podobnie jak poprzednie funkcje. Całościowo stanowi jednak znacznie bardziej zaawansowane narzędzie do analizy badanego urządzenia.  

Rys. 8 - Widok okna Transfer Function w trybie Bench mode. Przedstawiony został wynik funkcji FFT Spectrum dla dwóch pomiarów (krzywa niebieska i fioletowa). 

APx500 - Uniwersalne rozwiązanie do pomiarów widma sygnału w fazie projektowej i produkcyjnej

Powyżej przedstawiliśmy trzy funkcje pomiarowe umożliwiające obserwację i analizę widma sygnału. Od prostego monitorowania widma poprzez pomiary i wykreślenie FFT do zaawansowanych obliczeń oferowanych wi Transfer Function.

Wszystkie te funkcje, pozwalają wykorzystać oprogramowanie APx500 na dowolnym etapie projektowym lub produkcyjnym, bez ograniczeń związanych z możliwością podania sygnału na urządzenie. W tym zakresie testowane obiekty posiadające wejście sygnałowe (fizyczne lub bezprzewodowe nie stanowią problemu pomiarowego.

W przypadku testowania podzespołów lub urządzeń w fazie testów, pliki pomiarowe są często nagrane w pamięci urządzenia, wymagają oprogramowania pozwalającego zsynchronizować go pod kątem analizy. APx500 pozwala na wykonanie pomiarów w obu przypadkach, zachowując w nich możliwości automatyzacji, niezbędnych w warunkach produkcyjnych.