Różne techniki pomiaru odpowiedzi częstotliwościowej w programie APx500

Oprogramowanie APx500 stanowi szeroką platformę dostosowaną do wymagań pomiarowych różnych urządzeń audio na różnym etapie prac projektowych lub produkcji. Poszczególne pomiary dostępne w APx500 oferują unikalne funkcje pomiarowe, bodźce i możliwości analizy rejestrowanego sygnału. W poniższym artykule przedstawione zostaną sposoby rejestracji odpowiedzi częstotliwościowej przy użyciu poszczególnych funkcji pomiarowych oraz przedstawienie charakterystycznych cech każdej z nich. 

W artykule omówione zostaną funkcje:

1. Frequency Response

2. Continuous Sweep

3. Acoustic Response

4. Loudspeaker Production Test

5. Stepped Frequency Sweep

6. Bandpass Frequency Sweep

7. Multitone

8. Transfer Function 

9. Signal Analyzer (FFT)

Rys. 1 - odpowiedź częstotliwościowa wzmacniacza słuchawkowego zarejestrowana przy pomocy różnych funkcji pomiarowych

Funkcje pomiarowe

Frequency Response - jest najprostrzą funkcja pomiarową przystosowaną do szybkiej rejestracji odpowiedzi częstotliwościowej. Jako bodziec wykorzystywany jest sygnał chirp, dla którego definiowany jest zakres częstotliwościowy i amplituda. Wynik może zostać przedstawiony jako:

• wartość napięcia w funkcji częstotliwości 
• wartość wzmocnienia w funkcji częstotliwość
• wartość referencyjna względem poziomu dla okreslonej czestotliwosci (np. 1kHz)
• dewiacja w określonym zakresie częstotliwości

Rys. 2 - Pomiar odpowiedzi częstotliwościowej uzyskanej w funkcji Frequency response

Continuous Sweep - funkcja ta rozszerza Frequency Response o dodatkowe pomiary pozwalają na analizę zmian różnych parametrów w funkcji częstotliwości.

Oprócz rejestracji odpowiedzi częstotliwościowej dostępne są również pomiary:

• fazy
• THD Ratio i Level
• THD+N Ratio i Level
• Distortion Product Ratio i Level 
• Group Delay
• przesłuchy między kanałami w funkcji częstotliwości (Crosstalk): jeden kanał pobudzony, jeden kanał niepobudzony, korelacja
• odpowiedzi impulsowej
• zmian amplitudy sygnału w czasie
  
  

Obliczenie poszczególnych parametrów wymaga użycia różnych bodźców, dlatego funkcja Continuous Sweep wyposażona została w dwa typu sygnałów zamiatających:

• Log Chirp
• Fast Sweep

Dokładniejszy opis bodźców dostępny jest TUTAJ

Rys. 3 - Pomiar Relative Level (1000 Hz) w funkcji Continuous Sweep

Acoustic Response - jest to funkcja dedykowana pomiarom akustycznym, głównie głośników lub mikrofonów. Jej unikalną funkcją jest okno czasowe, pozwalające na wycięcie fal odbitych i rejestracje jedynie sygnału bezpośrednio dochodzącego ze źródła do mikrofonu. Dodatkowo funkcja posiada 4 testy Rub and Buzz wykrywające błędy w konstrukcji głośnika, związanych z montażem lub wadliwymi podzespołami.

Więcej informacji o Rub and Buzz dostępnych jest w poniższym filmie:

Podobnie jak w Continuous Sweep, dostępne są tutaj dwa bodźce pomiarowa Log Chirp oraz Fast Sweep, pozwalające na rejestrację parametrów:

• Rub and Buzz
• fazy
• THD Ratio i Level
• THD+N Ratio i Level
• Distortion Product Ratio i Level 
• Group Delay
• przesłuchy między kanałami w funkcji częstotliwości (Crosstalk): jeden kanał pobudzony, jeden kanał niepobudzony, korelacja
• odpowiedzi impulsowej
• zmian amplitudy sygnału w czasie

Rys. 4 Określenie okna czasowego pomiaru, na podstawie energii docierającej w czasie

Rys. 5 Odpowiedź częstotliwościowa po zastosowaniu okna czasowego. 

Zastosowanie okna czasowego wpływa negatywnie na pomiar niższych pasm częstotliwościowych. Z tego względu w przypadku pomiarów w dolnym zakresie  zaleca się połączenie metody okna czasowego z pomiarami w polu bliskim. Taka metoda opisana została w artykule: Pomiary akustyczne głośników w pomieszczeniach niezaadaptowanych akustycznie

Loudspeaker Production Test - funkcja rozszerza możliwości dostępne w Acoustic Response o pomiary związane z impedancją oraz parametrami Thiele-Smalla. Opcja pozwala również na pomiar parametrów Rub and Buzz, będąc funkcją dedykowaną produkcyjnej weryfikacji głośników, mikrofonów oraz urządzeń smart.

Rys. 6 - Pomiary Rub and Buzz wykonane różnymi metodami 

Rys. 7 Parametry Thiele-Smalla zarejestrowane w oprogramowaniu APx500

Stepped Frequency Sweep - jest to najbardziej klasyczna metoda rejestracji odpowiedzi częstotliwościowej, podczas, której sygnał sinusoidalny przesuwany jest poprzez określone funkcje pomiarowe. Pomiar jest znacznie wolniejszy w stosunku do sygnału typu chirp (dlatego powstał również sygnał Fast Sweep), daje jednak większą kontrolę podczas analizowania charakterystycznych punktów pomiarowych. 

Bodźce krokowe w tym Stepped Frequency Sweep i Fast Sweep, pozwalają na pomiar zniekształceń w tym THD+N i THD, stanowiących ważną informację w procesie ewaluacji projektu lub gotowego rozwiązania.

Rys. 8 - Pomiar THD+N wykonany dla 31 punktów w zakresie 20 Hz - 20 kHz

Pomiary dostępne w funkcji to: 

• wartość napięcia w funkcji częstotliwości 
• wzmocnienie  
• faza
• THD Ratio i Level
• THD+N Ratio i Level
• Distortion Product Ratio i Level 
• SINAD
• Jitter
  
  

Bandpass Frequency Sweep - Jest to również funkcja wykorzystująca krokowy sygnał sinusoidalny, jednak analiza odbywa się z dodatkowym filtrem pasmowo przepustowym przesuwającym się zgodnie z generowaną wartością sygnału. Pozwala on na wyeliminowanie składowych spoza określonego zakresu co może być przydatne szczególnie przy pomiarach akustycznych. Szerokość filtru może zostać dostosowana do wymagań pomiarowych

Funkcja zawiera pomiary:

• wartość napięcia w funkcji częstotliwości 
• wzmocnienie  
• faza
• THD Ratio i Level
• THD+N Ratio i Level
• Distortion Product Ratio i Level 
• SINAD
• Jitter

Rys. 9 - Pomiar wzmocnienia wykonany przy użyciu funkcji Bandpass Frequency 

Multitone Analyzer - funkcja pomiarowa, zamiast przemiatać sygnał po kolejnych częstotliwościach, generuje wszystkie tony jednocześnie. Zaletą pomiaru jest jego szybkość w porównaniu do tradycyjnego sygnału krokowego, pomiar zniekształceń oraz rejestracja odpowiedzi urządzenia ma złożony sygnał, a nie pojedynczy sinus. Należy pamiętać, że funkcja ta nie mierzy tradycyjnego THD+N, a TD+N będące sumą zniekształceń harmonicznym i intermodulacyjnych będących wypadkową na podanie wielu tonów jednocześnie.

W funkcji pomiarowej możliwe są pomiary:

• wartość napięcia w funkcji częstotliwości 
• wzmocnienia 
• fazy
• TD+N (Ration & level) 
• FFT
• stosunek sygnału do szumu

Rys. 10 - Pomiar przy wykorzystaniu funkcji Multitone: FFT oraz obliczona na jej podstawie odpowiedź częstotliwościowa

Transfer Function - funkcja ta stanowi ciekawą alternatywę do pomiarów odpowiedzi częstotliwościowej. Wszystkie wcześniej opisane funkcje pomiarowe opierają się na wykorzystaniu bodźca sinusoidalne (lub wielu tonów jednocześnie). Wiele nowoczesnych urządzeń takich jak telefony komórkowe, głośniki samart lub inne urządzenia zarządzane głosowo, posiadają algorytmy próbujące anulować sygnały tonalne i inne dźwięki losowe, nie będące mową. Powoduje to, że standardowe pomiary, zarówno w pętli otwartej lub zamkniętej, mogą być problematyczne. Transfer Function, działa  poprzez znalezienie korelacji, między sygnałem wejściowym i wyjściowym, na podstawie czego obliczana jest odpowiedź częstotliwościowa i szereg innych parametrów. Pozwala to na użycie w zasadzie dowolnego sygnału pomiarowego posiadającego energię w badanym zakresie częstotliwości, w tym sygnału szumowe, czy nagrane pliki mowy. 

Funkcja obejmuje pomiary: 

• amplituda spektrum
• faza
• koherencja
• FFT
• odpowiedź impulsowa 
• zmiana sygnału w dziedzinie czasu
• opóźnienie
• gęstość widmowa

Rys. 11 - Pomiar odpowiedzi częstotliwościowej z wykorzystaniem szumu różowego 

Signal analyzer - Funkcja dedykowana jest raczej analizie sygnału, głównie pod kątem FFT, jednak w przypadku sygnału szerokopasmowego np. szumu białego również pozwoli na zarejestrowanie odpowiedzi częstotliwościowej. Funkcja jest o wiele mniej złożona niż Transfer Function co w przypadku prostej analizy może ułatwić powtarzalne testy.

Funkcja pozwala na pomiar: 

• FFT
• Sygnału w dziedzinie czasu
• Widmowej gęstości mocy i amplitudy

Rys. 12 - Analiza FFT sygnału, będącego odpowiedzią na szum biały.

Podsumowanie

Oprogramowanie APx500 pozwala na dostosowanie funkcji pomiarów zarówno pod kątem badanych urządzeń (głośniki, urządzenia analogowe lub cyfrowe) ale również biorąc pod uwagę na jakim etapie pomiary są wykonywane (pomiary podzespołów, R&D, testy produkcyjne). W zależności od typu pomiaru program oferuje szereg gotowych funkcji pomiarowych, które w ciągu kilku sekund przedstawią wyniki wskazanych parametrów. 

Podsumowując powyższe funkcje pomiarowe, w kontekście pomiarów odpowiedzi częstotliwościowej należy zwrócić uwagę na:

• Rozdzielczość: funkcje oparte na chirpie charakteryzują się dużą rozdzielczością punktów pomiarowych zwracając nawet tysiące punktów pomiarowych w ciągu kilku sekund. Pomiary z sygnałami krokowymi charakteryzują się zdecydowanie mniejszą rozdzielczością rzadko przekraczającą kilkadziesiąt punktów pomiarowych
• Odporność na szumy i zakłócenia: pomiary oparte na sygnale chirp oraz funkcje Multitone i bandpass frequency sweep, są wysoce odporne na nieskorelowane szumy. Stepped Frequency Sweeps, Transfer Function i Signal Analyzer narażone są na szumy otoczenia, mogące powodować błędne odczyty. 
• Rejestrowane parametry: funkcje z krokowym pomiarem pozwalają na rejestrację THD+N, którego nie można zarejestrować podczas użycia sygnału typu chirp
• Czas trwania pomiaru: funkcje Frequency Response, Acoustic Response, Continuous Sweep i Loudspeaker Production Test charakteryzują się wysoką szybkością pomiaru. Zaraz za nimi pozostaje opcja Multitone, która będzie ki kilkadziesiąt ms dłuższa. Sygnały krokowe wymagają zdecydowanie więcej czasu, natomiast mogą zostać zastąpione funkcją Fast sweep, łączącą szybkość chirp i zalety krokowych sygnałów pomiarowych.