Transfer Function w oprogramowaniu APx500

Funkcja Transfer Function dostępna w oprogramowaniu Audio Precision APx500 umożliwia analizę sygnału i określenie, jak układ wpłynie na rejestrowany sygnał audio. Analiza ta bazuje na porównaniu widm częstotliwościowych dwóch sygnałów (wejściowego i wyjściowego) przy użyciu algorytmu FFT. Wynikiem pomiaru jest szereg parametrów pokrywających parametry w funkcji częstotliwości i czasu.

Unikalną cechą funkcji jest możliwość wykorzystania dowolnego sygnału pobudzającego układ. Pozwala to na pomiary urządzeń sygnałem mowy, muzyką, czy szumami, pozwalając na komfortowe pomiary nowoczesnych układów akwizycji sygnałów oraz rozszerzenie analizy względem tradycyjnych testów z użyciem bodźców sinusoidalnych i innych sygnałów laboratoryjnych.  

W poniższym artykule przedstawię poszczególne wyniki uzyskane w trakcie pomiarów z wykorzystaniem Transfer Function wraz z ich przykładowym zastosowaniem.

Tryby pracy

Transfer Function wykorzystywana jest zarówno na etapie projektowym jak i produkcyjnym z tego powodu funkcja dostępna jest zarówno w trybie Bench Mode oraz Sequence Mode oprogramowania Audio Precision APx500. 

Każdy z trybów udostępni środowisko pomiarowe dostosowane do konkretnego etapu testu. Tryb sekwencyjny pozwoli na zbudowanie gotowego scenariusza pomiarowego, synchronizującego zarządzanie testowanym urządzeniem, eksport danych oraz informacje pass/fail dla określonych limitów pomiarowych. Bench mode dostosowany jest natomiast do dynamicznych pomiarów projektowych, oferując wyświetlania wyników w czasie rzeczywistym i szybkie porównywanie zadziałania układu na poszczególne zmiany projektowe.

Rys. 1 - Transfer Function w trybie Bench mode

Oprogramowanie APx500 stanowi główną platformę zarządzania analizatorami Audio Precision oraz środowiskiem pomiarowym posiadając gotowe funkcje pomiarowe w pełni pokrywając wymagania związane z testowaniem urządzeń audio lub akustycznych i elektroakustyce komponentów innej elektroniki. 

Rozszerzeniem dostępu do oprogramowania jest licencja APx500 FLEX pozwalająca na dostęp do środowiska pomiarowego Audio Precision i wykonywania  wszystkich testów z użyciem interfejsów ASIO. Funkcja dostępna jest w wersji stałej lub okresowego abonamentu, pozwalające na zoptymalizowanie wysokości inwestycji, względem konkretnego projektu. 

Rys. 2 - Klucz licencyjny APx500 FLEX - pozwala na dostęp do oprogramowania APx500 i pomiary z wykorzystaniem karty dźwiękowej AISO

Oprogramowanie APx500 może być również zarządzanie z pozycji innego środowiska, wykorzystując API. W takim przypadku integracja pomiarów z zarządzaniem innymi elementami toru testowego może zostać przeniesiona na środowisko takie jak Python, C# czy LabView. Taka integracja znajduje zastosowania zarówno w przypadku testów projektowych jak i produkcyjnych. 

Pomiary

Transfer function zawiera szereg wyników, pozwalających na analizę badanego układu. Sam układ pomiarowy może zostać dostosowany do różnego typu urządzeń, zarówno działających w pętli zamkniętej (z możliwością podania sygnału wejściowego), jak i takich wymagających pomiarów w pętli otwartej (gdzie nie jest możliwe bezpośrednie podanie sygnału). Więcej na temat pomiarów w zamkniętej i otwartej pętli pomiarowych dostępnych jest w artykule: Zamknięta i otwarta pętla pomiarowa w testach audio.

Funkcja pozwala na dostosowanie parametrów analizy obejmując ustalenie m.in. sygnału referencyjnego, rozpoczęcia analizy, czy samych metod kalkulacji i analizy FFT.   

Rys. 3 - Okno ustawień Transfer Function w programie APx500

FRF Magnitude Spectrum

Jest to wykres amplitudy w funkcji częstotliwości. Wynik przedstawia zależność wzmocnienia amplitudy badanego sygnału, względem sygnału referencyjnego. Na wykresie najczęściej podaje się wartość w dB lub odpowiednich jednostkach np. stosunku x/y lub Pa/V, te drugie w przypadku pomiarów akustycznych np. głośników. 

Rys. 4 - Wynik pomiaru FRF Magnitude Spectrum.

W przypadku pomiarów akustycznych funkcja ta może zostać wykorzystana do bezpośredniego wyznaczenia czułości głośnika wyrażonej w Paskalach na Volt lub urządzenia Smart z wbudowanym głośnikiem używając skali Pa/FS.

FRF Phase Spectrum

Funkcja wyznacza wykres przesunięcia fazowego między sygnałem wyjściowym a odniesienia w funkcji częstotliwości. Pokazuje, o ile stopni zmienia się faza sygnału podczas przejścia przez badany układ. Oprogramowanie udostępnia dwa widoki klasyczny (>360°) oraz zawinięty (±180°)  w  W APx500 można oglądać fazę „podwiniętą” (greater than 360°) lub „owiniętą” w zakresie ±180°.

Rys. 5 - Wynik pomiaru FRF Phase Spectrum dla kanału Internal Loop karty dźwiękowej ASIO

W systemach wielodrożnych (kolumna głośnikowa) FRF Phase Spectrum pozwala ocenić, czy charakterystyki fazowe przetworników są wyrównane (co jest konieczne, aby fale dźwiękowe od różnych głośników nakładały się zgodnie). W przypadku badań elektroakustycznych pozwoli na ocenienie wpływu systemu DSP na sygnał.

Coherence

Jest to wykres funkcji koherencji między każdym kanałem wejściowym a sygnałem odniesienia. Jest to bezwymiarowa miara (0..1) określająca jakość pomiaru przy danej częstotliwości. Wartość bliska 1 oznacza silną, jednoznaczną relację między sygnałami (pomiar wiarygodny), a spadek poniżej ~0.7–0.8 wskazuje na niską korelację (np. szumy pomiarowe lub zakłócenia) w tym zakresie częstotliwości.

Rys. 6 - Pomiar z wysokim współczynnikiem koherencji.

FFT Spectrum (Reference) i FFT Spectrum

Funkcje pomiarowe przedstawiające wykres widma sygnału będącego odpowiedzią na badany bodziec. Możliwe jest wykreślenie widma sygnału rejestrowanego i referencyjnego, obserwując zmianę układu na widmo. Funkcja pozwala na dokładną analizę wpływu układu na widmo sygnału, w tym wyznaczenie zniekształceń THD i IMD, zadziałania filtrów przepustowych i zmiany w amplitudzie. Transfer Function posiada możliwość uśredniania wyników, pozwalając na eliminację szumów występujących w trakcie pomiaru. jest to funkcja przydatna, szczególnie w przypadku pomiarów akustycznych, natomiast nawet w elektroakustycznych potrafi uśrednić szumy własne i sprawić, że wykres będzie bardziej czytelny.    

Rys. 7 - Widmo sygnału akustycznego i referencyjnego uzyskane za pomocą FFT w Transfer Function

Impulse Response

Funkcja przedstawia odpowiedź czasową układu na pobudzenie impulsem. Pozwala to na ocenę wprowadzanych opóźnień wraz z zmianą amplitudy w czasie i rejestracją potencjalnych zniekształceń czy odbić w przypadku sygnału akustycznego.

Rys. 8 - Odpowiedź impulsowa sygnału akustycznego uzyskana w APx500 

Reference Waveform i Acquired Waveform

Funkcję przedstawiają pełny przebieg czasowy zarejestrowany podczas pomiaru. Wynik jest szczególnie przydatny w kontekście synchronizacji całego toru pomiarowego. Jedną  z metod wywołania pomiaru w Transfer Function jest przekroczenie konkretnego poziomu amplitudy. Jest to opcja szczególnie przydatna jeżeli urządzenie nie pozwala na zarządzanie sygnałem pobudzającym (jest on np. zakodowany w badanym urządzeniu i generowany z pozycji komendy). W takim wypadku dopasowanie poziomu rozpoczynający akwizycje zapobiegnie losowemu rozpoczęciu akwizycji np. przez szumy tła lub inne nieskorelowane źródła.

Rys. 9 - Zarejestrowany przebieg czasowy szumu białego.

Delay

Wynik Delay mierzy czasowe opóźnienie między sygnałem referencyjnym a sygnałem referencyjny, wejściowym lub jednym ze wskazanych pomiarów. Przykładowo w pomiarach urządzeń smart opóźnienie wskaże czas między podaniem komendy, a odtworzeniem przez głośnik odpowiedzi w formie podania sygnału akustycznego, elektrycznego lub cyfrowego. W innych układach np bluetooth ® wynik pozwala określić opóźnienie związane z czasem zadziałania urządzenia np przy synchronizacji obrazu z dźwiękiem.  

Rys. 10 - Opóźnienie Ch1 względem Ch2 zmierzone w APx500

Cross Correlation

 to metoda służąca do oceny podobieństwa dwóch sygnałów przy różnych przesunięciach czasowych. Dla każdego przesunięcia porównuje się zgodność przebiegów, co pozwala określić, jak bardzo i w którym momencie jeden sygnał przypomina drugi. Wykres korelacji zwykle zawiera wyraźny szczyt – jego pozycja wskazuje przesunięcie (opóźnienie) pomiędzy sygnałami, a jego wysokość świadczy o stopniu zgodności. Im wyraźniejszy i wyższy szczyt, tym większe podobieństwo. Korelacja krzyżowa znajduje zastosowanie m.in. przy analizie poprawności synchronizacji pomiarów, wstępnym przetwarzaniu danych oraz doborze odpowiedniego momentu rozpoczęcia dalszej analizy sygnału. Jest również podstawą do obliczania odpowiedzi impulsowej. 

Rys. 11 - Korelacja krzyżowa sygnału zmierzona w oprogramowaniu APx500

Reference Amplitude Spectral Density i Amplitude Spectral Density 

Wynik przedstawia gęstość widmowa amplitudy sygnałów odniesienia i wyjścia. Widzimy tu amplitudę widma w przeliczeniu na jednostkę V/√Hz lub FS/√Hz w przypadku sygnału cyfrowego. Wykres ASD jest szczególnie przydatny przy analizie szumu i fluktuacji sygnału – ukazuje, jak zmienia się poziom sygnału losowego w zależności od częstotliwości, niezależnie od rozdzielczości FFT. Dzięki nim można np. łatwo oszacować szum własny urządzenia (integrując ASD na określonym paśmie). ASD dla sygnału referencyjnego i zmierzonego pozwala porównać charakter szumu generowanego i rejestrowanego.

Rys.12 - Wykres Widmowej gęstości amplitudy zarejestrowana w programie APx500

Reference Power Spectral Density (Reference) / Power Spectral Density 

Wynik analogiczny do wcześniej opisanego Amplitude Spectral Density, ale skala to gęstość mocy na Hz. Wykres PSD pokazuje, ile mocy (mierzonej np. w V^2 lub Pa^2) znajduje się w każdym paśmie częstotliwości, przy ustandaryzowanym paśmie 1 Hz. Jest to szczególnie użyteczne przy analizie szumu – wyeliminowanie zależności od rozdzielczości FFT powoduje, że poziom płaskiego szumu w PSD pozostaje stały, niezależnie od liczby próbek. PSD może ujawnić charakter szumu: np. czy ma widmo płaskie, jak szybko maleje przy wyższych częstotliwościach, oraz poziom zakłóceń tonalnych. 

Transfer Function w analizatorze APx500 – klucz do precyzyjnej analizy sygnałów audio

Transfer function to potężne narzędzie, pozwalające na szeroką analizę w dziedzinie częstotliwości i czasu. Jego cechą unikalną jest pełna otwartość pomiarowa zarówno w kontekście używanego bodźca jak i synchronizacji układu.

Z tego powodu znajduje szerokie zastosowania na każdym etapie projektowym i produkcyjnym, szczególnie w nowoczesnych urządzeniach smart.

Powyższy artykuł przedstawia dostępne wyniki i obliczenia w ramach Transfer Function, dodatkowo opisują możliwe zastosowanie lub charakterystyczne cechy wyniki.