Pomiary audio z wykorzystaniem Bluetooth®

Poniższy artykuł skupia się na akustycznych pomiarach urządzeń Bluetooth® z wykorzystaniem dedykowanego modułu pomiarowego APx Bluetooth® Duo (APx BT DUO). 

Moduły w analizatorach AP stanowią rozszerzenie sekcji analogowej o cyfrowe połączenia i protokoły m.in. Digital In/Out (SPDiF, AES/EBU, Toslink), PDM, DSIO (protokoły szeregowe), czy wspomniany Bluetooth®.

W tym zakrese moduł BT Duo zapewnia dostęp m.in. do profilu A2DP obsługującego kodeki SBC, aptX, aptX Low Latency, aptX HD i AAC. Poniżej przedstawimy konfigurację systemu Audio Precision, funkcje pomiarowe i zastosowanie w konkretnych przypadkach. 

Rys.1  - Analizator APx525B z modułem APx BT DUO

Ścieżki sygnału

Moduł APx BT DUO umożliwia wykorzystanie Bluetooth® zarówno w formie generatora i analizatora sygnału. Możemy wyróżnić dwa przykłady:

• Głośnik Bluetooth® - w tym przypadku moduł BT używany jest jako generator sygnału pobudzając głośnik, którego sygnał zbierany jest za pomocą mikrofonu pomiarowego podpiętego do analogowej sekcji analizatora. 
• Zestaw mikrofonowy - do analogowej sekcji generatora podłączany jest symulator ust generujący sygnał akustyczny, rejestrowany później przez mikrofon Bluetooth® podłączony do modułu APx BT DUO pełniący funkcję akwizycji sygnału.

Konfiguracja

Oprogramowanie APx500 odpowiada za zarządzanie analizatorami Audio Precision. Ustawienie odpowiednio sekcji wyjściowych i wejścia sygnału pozwala na szereg dostosowań i zabiegów związanych z konfiguracją kodeków.

Rys. 2 - Okno oprogramowania APx500 z sekcją ustawień kodeka Bluetooth®

Zarówno sekcja generatora, jak i analizator pozwala na szczegółowe ustawienia z zakresu urządzeń, dostosowywując środowisko pomiarowe zarówno w kontekście pomiarów projektowych, jak i masowych testów produkcyjnych.

Rys. 3 - Okno ustawień sekcji generatora modułu APX BT DUO

Pomiary audio

W kolejnych sekcjach opisane zostały różne metody pomiarowe, w tym specyficzne uwagi dotyczące testowania kodeków i urządzeń. Pomiary są uporządkowane tak, aby umożliwić wykrycie wad, które mogą wpłynąć na późniejsze wyniki.

Weryfikacja parametrów połączenia

Po podłączeniu urządzenia, należy zweryfikować (używając paska stanu) częstotliwość próbkowania oraz użyty kodek. Częstotliwość próbkowania wynosić będzie zazwyczaj 44,1 kHz lub 48 kHz. Następnie za pomocą opcji Verify Connections należy skontrolować system używając sygnału o częstotliwości 1000 Hz. Taki zabieg pozwoli nam zweryfikować poprawność połączenia i umożliwi przejście do następnych pomiarów. 

Rys. 4 - Pasek stanu oprogramowania Apx500, znajdujący się w prawym dolnym rogu okna

Przesterowanie sygnału

Odbiorniki i nadajniki Bluetooth® powinny pozwalać na pracę w pełnym zakresie wewnętrznego poziomu określanego przez 0 dBFS. W tym zakresie jakość konwersji na sygnał analogowy nie powinna zostać obniżona przez nagły wzrost zniekształceń.

Oprogramowanie APx daje w tym zakresie szereg możliwości zarówno w zakresie pomiaru wysterowania dla konkretnej częstotliwości, jak i pomiaru w szerokim zakresie częstotliwości. Dla takich pomiarów oprogramowanie Apx500 oferuje szereg gotowych funkcji m.in.:

• Stepped Level Sweep - po ustawieniu częstotliwości i zakresu amplitudy, np. od -20 dBFS do 0 dBFS, można zbadać liniowość urządzenia
• Stepped Frequency Sweep - funkcja “nesting” pozwala ustawić zakres częstotliwości, np. 20-20k Hz z krokiem co 5 dBFS. Daje to rodzinę krzywych zależnych od poziomu na jednym wykresie.
• THD+N - funkcja umożliwia pomiar zniekształceń THD oraz THD+N (wraz z poszczególnymi harmonicznymi).

Oprócz określenia, czy urządzenie działa poprawnie w pełnym zakresie wysterowania, określenie zachowania urządzenia w zależności od wysterowania pozwoli dobrać poziom skutkujący wiarygodnymi wynikami. Takie pomiary mogą wykazać potrzebę wykonania reszty pomiarów na poziomie, np. -1 dBFS lub -3 dBFS. 

Pasmo przenoszenia

Pomiar Stepped Frequency Sweep (skokowego przemiatania częstotliwości) pozwala ocenić wydajność kodeka, gdy jest on pobudzany serią czystych, stabilnych fal sinusoidalnych. Test powinien być przeprowadzany przy różnych poziomach sygnału, ponieważ reakcja kodeka może się zmieniać w zależności od poziomu.

Sygnał skokowy może zostać zastąpiony sygnałem przemiataniem typu Chirp (funkcja Continuous Sweep) lub wielotonowym sygnałem (funkcja Multitone Analyzer). Należy jednak pamiętać, że te bodźce są bardziej podatne na działanie kodeka, mogąc wpływać na wynik w zależności od dokładnych ustawień testu. 

THD i THD+N

APx500 oferuje różne metody pomiaru zniekształceń harmonicznych. Pomiar THD+N (całkowite zniekształcenia harmoniczne plus szum) zawiera ciągły wykres w dziedzinie częstotliwości, przedstawiający odpowiednio zniekształcenia harmoniczne (wraz z poszczególnymi komponentami), szum oraz ich połączenie w formie THD+N. Rozbicie tego na poszczególne funkcje pozwala zarówno na pomiar urządzeń akustycznych (głośniki, słuchawki) w których popularniejszym jest określenie parametru THD oraz pomiarów elektroakustycznych dla których wyznaczany jest THD+N. 

W zależności od potrzeb wartości THD+N mogą zostać przestawione w dziedzinie częstotliwości, amplitudy, czy dla poszczególnych wartości. 

W pomiarach praktycznych, należy pamiętać, że określenie próbkowania (np. 44, 1 kHz) będzie ograniczało pasmo pomiarowego, zgodnie z regułą Nyquist. Z tego względu powyżej częstotliwości 10 kHz, w zniekształceniach uwzględniany będzie jedynie szum, ponieważ wartość harmonicznej, przekroczy pasmo pomiarowe. 

Warto także pamiętać, że wybór kodeka A2DP może wpływać na wartości THD i THD+N dla testowanego urządzenia. Porównawcze widma FFT pokazują spektrum każdego kodeka przy pobudzeniu sygnałem 1 kHz na poziomie −1 dBFS. Od lewej do prawej, od góry do dołu, przedstawione są kodeki: SBC, aptX, aptX Low Latency, aptX HD i AAC.

Rys. 5 - Pomiary THD dla poszczególnych kodeków A2DP

Szum

Szum można mierzyć za pomocą poniższych funkcji dostępnych w oprogramowaniu APx500:

• Noise (RMS)
• Noise (Q peak)
• Noise Recorder
• Dynamic Range AES17

Warto pamiętać, że niektóre z cyfrowych przetworników nie są utrzymywane w stanie aktywności bez podania na nie żadnego sygnału. W przypadku pomiarów szumów własnych, może powodować to uzyskanie nienaturalnie niskich wartości, które nie są reprezentacyjne dla badanego urządzenia.

W tym celu APx500 zapewnia funkcję Dynamic Range, która w trakcie pomiarów szumu wykorzystuje niskopoziomowy bodziec, zapobiegający dezaktywacji urządzenia. Według standardu AES17 poziom sygnału wynosi -60 dB, co pozwala na utrzymanie jego harmonicznych poniżej poziomu szumu urządzeń.

Możliwe jest, że utrzymanie urządzenia w ciągłym pobudzeniu wymagać będzie poziomu o innej wartości, funkcja Dynamic Range umożliwia dostosowanie poszczególnych parametrów pomiarowych jak wskazano na Rys. 6.

Rys. 6 - Ustawienia parametrów funkcji Dynamic Range

Pomiary akustyczne urządzeń Bluetooth® 

Pomiary akustyczne wymagają zazwyczaj większych przygotowań związanych z przeprowadzeniem testów. Pierwszym kontekstem jest dostarczenie odpowiedniego czujnika, pozwalającego zarejestrować falę akustyczną. W tym zakresie można wyróżnić tutaj dwie grupy urządzeń:

Głośniki Bluetooth®

Standardowo pomiary głośników wykonywane są przy pomocy mikrofonów pomiarowych.

Najczęściej wykorzystywane są w tym zakresie mikrofony pola swobodnego, ponieważ pomiary akustyczne przeprowadzane są w komorach bezechowych (lub przestrzeniach zbliżonych do nich). Należy jednak każdorazowo doprecyzować finalne zastosowanie badanego obiektu.

Nowoczesne systemy audio, składają się często z wielu głośników, dedykowanych wypełnieniu przestrzeni mieszkalnych, która nigdy nie spełnia warunków pola swobodnego. W tym przypadku użytecznym może być wykorzystanie mikrofonów pola rozproszonego (bardziej przypominającego warunki mieszkania) lub mikrofonów ciśnieniowych (nie zakładających żadnych poprawek na pole).

Dowiedz się więcej o dostosowaniu mikrofonu do pola pomiarowego.

Drugim aspektem mogą być pomiary w pomieszczeniach częściowo, lub w ogóle nie zaadaptowanych akustycznie. Ta tematyka została poruszona w artykule: Pomiary akustyczne głośników w pomieszczeniach niezaadaptowanych akustycznie.

Słuchawki Bluetooth®

Pomiary słuchawek odbywają się przy pomocy symulatorów uszu i sprzęgaczy akustycznych, tak aby symulować impedancje ucha i rezonanse powstające w kanale słuchowym. W tym zakresie dostępny jest szereg rozwiązań pomiarowych, dostosowujących wewnętrzne parametry systemu do wymagań pomiarowych. 

Dowiedz się więcej o sprzęgaczach i sztucznych uszach.

Rys. 7 - Symulator ucha GRAS 43AG

Artykuł porusza zagadnienia związane z pomiarami audio urządzeń Bluetooth®. Poszczególne rozdziały przedstawiają funkcje pomiarowe dostępne w oprogramowaniu APx500 wraz z zaleceniami do poszczególnych typów testów. Moduł Bluetooth® pozwala na kontrolę nad badanych poprzez synchronizację sekcji generującej i analizującej sygnał audio.