wersja mobilna
Online: 521 Wtorek, 2016.12.06

Technika

Testowanie układów audio

poniedziałek, 16 czerwca 2008 13:30

Coraz więcej urządzeń od dekoderów, przez monitory, po odtwarzacze multimedialne jest, lub będzie, wyposażona w możliwość odtwarzania treści multimedialnych w jakości HD. W tym celu są projektowane zintegrowane układy umożliwiające przetwarzanie obrazu w technice wysokiej rozdzielczości. Równie ważna jest także jakość odtwarzania sygnału audio. Rozwiązanie problemów z uzyskaniem dźwięku o jeszcze lepszej jakości jest jednak bardzo skomplikowane i nie dotyczy wyłącznie projektu struktury układu.

Problem tkwi także w testowaniu. Ocena jakości sygnału audio jest niezwykle trudna. Nawet, jeżeli do dyspozycji jest sprzęt pomiarowy wysokiej klasy, to weryfikacja wyników testów w warunkach produkcyjnych jest skomplikowana, a często niemożliwa.

Testy

Rysunek 1. Integracja coraz większej liczby bloków przetwarzania w układach audio komplikuje analizę poszczególnych torów sygnałowych.

Koniecznością staje się opracowanie optymalnej liczby niezbędnych testów, które w jak najkrótszym czasie pozwoliłyby sprawdzić, jaką jakość jest w stanie zapewnić dany sprzęt. Zakładając, że czas testu będzie ograniczony i nie pozwoli na pełną analizę wszystkich funkcji, konstruktor musi wiedzieć, które elementy i jaki tryb pracy są największymi źródłami zakłóceń. Głównym problemem jest odpowiednia realizacja połączeń w obrębie układu. Dla poprawnego przeprowadzania pomiarów istotne jest zwiększenie dostępności do poszczególnych elementów toru przetwarzania sygnału. Tylko wówczas jest możliwa dokładna analiza wpływu różnych czynników na jakość sygnału. Dlatego już na etapie projektowania trzeba brać pod uwagę zapewnienie możliwości dostępu do punktów testowych. Umiejętne wyprowadzenie sygnałów testowych decyduje o ich użyteczności. Złożonym zagadnieniem jest także realizacja testów na etapie produkcji. Przenikanie sygnałów, zastosowanie multipleksera analogowego o wysokim poziomie szumów oraz inne, z pozoru nieistotne i łatwe do przeoczenia zjawiska, wpływają na pomiary. Kluczową sprawą jest także czas pomiaru, gdyż większość systemów audio np. do kina domowego ma wiele wejść i wyjść. Należy do tego dodać realia testów produkcyjnych oraz różnorodność wymagań klientów. Niektórzy nie zwracają uwagi na to, że układ jest w stanie zapewnić bardzo dobrą jakość dźwięku, ponieważ dla nich priorytetem jest jedynie jak najdłuższy czas bezawaryjnej pracy. Część producentów testy przeprowadza przy użyciu jedynie oscyloskopów, inni natomiast badają każdy dostarczony element przy użyciu bardzo zaawansowanych metod.

Co i jak?

Olbrzymią trudność sprawia przełożenie terminów „dobry” i „zły” jakość na mierzalne kryteria oceny układów elektronicznych. Jest to analogiczny problem jak w przypadku sygnału wideo, gdzie ostateczna ocena i tak należy do widza. W związku z tym można zadać pytanie, czy testy układów do przetwarzania dźwięku mają charakter ilościowy, czy może bardziej jakościowy. Podstawowe zagadnienia dotyczą tego co mierzyć, w jaki sposób oraz w jakich warunkach. Wbrew pozorom nie są to pytania błahe. Celem nie jest bowiem wyznaczenie charakterystyk elektrycznych, ale przewidywanie wrażeń słuchaczy, co jest dużo trudniejsze. Już pytanie o przedmiot pomiarów niesie ze sobą masę komplikacji. Dla sygnałów o przeciętnej jakości pomiary charakterystyki częstotliwościowej, THD oraz poziomu szumów wystarczą, aby sprawdzić, czy dźwięk ma jakość satysfakcjonującą przeciętnego słuchacza korzystającego z tanich, powszechnie spotykanych słuchawek. Testy te są ciągle punktem wyjściowym dla innych pomiarów. Są to w większości pomiary zautomatyzowane. Przykładem są systemy pomiarowe firmy Audio Precision , które łączą w sobie bloki odpowiadające za generację sygnału, zbieranie danych, analizę i sterowanie oparte o system komputerowy. Rozwiązania te umożliwiają automatyzację pomiarów nie tylko podstawowych parametrów sygnałów audio, ale także obejmuje wiele skomplikowanych procedur wymaganych przez wiodące organizacje standaryzujące. Ze względu na rosnące wymagania w określonych sytuacjach pojawia się również konieczność wykorzystania dodatkowych urządzeń takich jak na przykład analizatory widma. Powoduje to komplikację stanowiska pomiarowego służącego do analizy sygnałów oraz oznacza konieczność dodatkowej ingerencji operatora, co znacznie ogranicza automatyzację całego procesu pomiarowego.

Specyfika pomiarów

Układ, który w czasie pomiarów dobrze spełnia swoją rolę, w praktyce może wprowadzać zniekształcenia w przetwarzanym sygnale. Ludzkie ucho posiada zdolność adaptacji i jest na tyle czułe, że nie można jednoznacznie przewidzieć jak odbierze dany sygnał. Dlatego trudno jest opracować test, który mógłby ocenić zniekształcenia wprowadzane przez poszczególne elementy systemu (przetworniki C/A, wzmacniacze, głośniki) pod kątem wrażeń słuchowych odbiorcy. Stanowi to duże wyzwanie dla producentów specjalizowanych układów audio. Nie wystarcza już przedstawienie danych katalogowych. Klienci coraz częściej oczekują możliwości przetestowania układów w praktyce. W takim wypadku jakość dźwięku jest decydującym kryterium. Jest to przyczyną wielu problemów. Sprzęt wykorzystywany w testach w większości przypadku nie jest w stanie odwzorować rzeczywistych warunków odbioru dźwięku. Dane katalogowe układów są podawane w odniesieniu do konkretnych warunków, na przykład danego typu obciążenia. W przypadku zmiany obciążenia układ nie reaguje już w ten sam sposób. Pewne zjawiska dźwiękowe są słyszalne, ale jednocześnie mogą się nie ujawnić w trakcie typowych procedur testujących. Jako przykład można podać odtwarzacze mp3. Tradycyjne pomiary mogą dowodzić wysokiej jakości dźwięku co pozytywnie wpływa na opinię na temat danego urządzenia. Jednak standardowe procedury nie odwzorowują sytuacji, w której układ jest obciążony w takim stopniu, że zaniki sygnału są słyszalne i dokuczliwe. Inny przykład dotyczy rozwiązań scalonych, które są układami cyfrowymi z analogowymi wyjściami. Jest to przyczyną problemów z powodu tzw. zipper noise, czyli szumów, które system generuje przy przełączaniu kolejnych stopni cyfrowej regulacji wzmocnienia. Jest to nowe zjawisko w świecie audio. Ponieważ opisane zakłócenia są związane z konkretnym działaniem użytkownika nie ujawniają się w trakcie normalnego pomiaru. Mogą one jednak być kłopotliwe, zwłaszcza w przypadku korzystania ze słuchawek wysokiej jakości. Wymusiło to konieczność implementacji specjalnych testów umożliwiających analizę zakłóceń także o takim charakterze.

Czynnik ludzki

Odbiór dźwięku jest zjawiskiem czystym subiektywnym. Współpraca ze słuchaczami często pozwala odkryć słyszalne efekty dźwiękowe, które można dokładnie zmierzyć, pod warunkiem, że wiadomo co mierzyć. Czasem obserwacje zgłaszane przez osoby biorące udział w testach brzmią z pozoru całkowicie irracjonalnie, a mimo to okazują się być zjawiskami powtarzającymi się w kolejnych ślepych testach. Udaje się je także zmierzyć w czasie pomiarów. Każde z takich doświadczeń przyczynia się do komplikacji procesu testowania. Ponadto odbiór dźwięku jest często bardziej uzależniony od samych słuchaczy niż od specyfikacji układu. O tym, czy dźwięk jest wystarczającej jakości decydują preferencje odbiorców oraz ich przyzwyczajenia, a czasem nawet kultura. Dlatego niezbędne są różne testy. Na przykład powszechnie przyjętym uogólnieniem jest stwierdzenie, że na rynku azjatyckim preferowane jest uwypuklenie wyższych częstotliwości. Europejczycy z kolei preferują płaskie charakterystyki częstotliwościowe.

Przykłady

Wiele w pełni słyszalnych zakłóceń jest całkowicie niewykrywalnych za pomocą tradycyjnych procedur testujących. Zachodzące zjawiska zmuszają konstruktorów do manewrowania pomiędzy różnymi metodami pomiarowymi. Czasem problemem może być również oprogramowanie, np. filtru w procesorze DSP, które np. powoduje powstawanie oscylacji przy przebiegach impulsowych zakłócających słuchaczom przestrzenny odbiór dźwięku z głośników. Innym przykładem jest algorytm szyfrowania w przetwornikach C/A wysokiej precyzji, który bywa przyczyną generowania przypadkowych i niesłyszalnych impulsów, które tworząc powtarzające się słyszalne sekwencje w rezultacie zakłócają odbiór sygnału. Problemy z pomiarami tworzą też różnice istniejące pomiędzy czasem narastania i opadania zbocza sygnału wykorzystywanego w transmisji cyfrowej. Znajdują one odzwierciedlenie w słyszalnych zakłóceniach sygnału na wyjściu przetwornika C/A. Tradycyjne metody analizy nie demaskują takich problemów.

Monika Jaworowska