Audiosystem-Messungen
Analog electricalEdit
Frequenzgang (FR) Diese Messung gibt an, über welchen Frequenzbereich der Ausgangspegel für eine Audiokomponente relativ konstant bleibt (entweder innerhalb eines bestimmten Dezibelbereichs oder nicht mehr als eine bestimmte Anzahl von dB von der Amplitude bei 1 kHz). Einige Audiokomponenten wie Klangregler sind dazu ausgelegt, die Lautstärke von Signalinhalten bei bestimmten Frequenzen einzustellen, z., ein Bassregler ermöglicht die Dämpfung oder Akzentuierung von niederfrequenten Signalinhalten, wobei in diesem Fall die Spezifikation angeben kann, dass der Frequenzgang mit Klangreglern „flach“ oder deaktiviert genommen wird. Vorverstärker können auch Equalizer enthalten, Filter zum Beispiel zum Abspielen von LPs, die eine RIAA-Frequenzgangkorrektur erfordern, In diesem Fall kann die Spezifikation beschreiben, wie genau die Antwort dem Standard entspricht. Im Vergleich dazu ist der Frequenzbereich ein Begriff, der manchmal von Lautsprechern und anderen Wandlern verwendet wird, um die Frequenzen anzugeben, die verwendbar sind, ohne normalerweise einen Dezibelbereich anzugeben. Die Leistungsbandbreite hängt auch mit dem Frequenzgang zusammen und gibt den Bereich der Frequenzen an, die bei hoher Leistung verwendet werden können (da Frequenzgangmessungen normalerweise bei niedrigen Signalpegeln durchgeführt werden, bei denen Anstiegsratenbeschränkungen oder Transformatorsättigung kein Problem darstellen. Eine Komponente mit einem ‚flachen‘ Frequenzgang ändert die Gewichtung (d.h., Intensität) des Signalinhalts über den spezifizierten Frequenzbereich. Der Frequenzbereich, der häufig für Audiokomponenten angegeben wird, liegt zwischen 20 Hz und 20 kHz, was weitgehend den menschlichen Hörbereich widerspiegelt (die höchste hörbare Frequenz für die meisten Menschen beträgt weniger als 20 kHz, wobei 16 kHz typischer sind). Komponenten mit ‚flachen‘ Frequenzgängen werden oft als linear beschrieben. Die meisten Audiokomponenten sind über ihren gesamten Betriebsbereich linear ausgelegt. Gut gestaltete Festkörperverstärker und CD-Player haben möglicherweise einen Frequenzgang, der nur um variiert 0.2 dB zwischen 20 Hz bis 20 kHz. Lautsprecher neigen dazu, deutlich weniger flache Frequenzgänge zu haben. THD-Musikmaterial (Total Harmonic Distortion) enthält unterschiedliche Töne, und einige Arten von Verzerrungen beinhalten falsche Töne bei doppelten oder dreifachen Frequenzen dieser Töne. Eine solche harmonische Verzerrung wird als harmonische Verzerrung bezeichnet. Für hohe Wiedergabetreue wird dies normalerweise erwartet < 1% für elektronische Geräte; Mechanische Elemente wie Lautsprecher haben normalerweise unausweichlich höhere Pegel. Niedrige Verzerrung ist relativ einfach in der Elektronik mit negativer Rückkopplung zu erreichen, aber die Verwendung von hohen Rückkopplungsgraden auf diese Weise war das Thema vieler Kontroversen unter Audiophilen. Im Wesentlichen erzeugen alle Lautsprecher mehr Verzerrungen als Elektronik, und 1-5% Verzerrung sind bei mäßig lauten Hörpegeln nicht ungewöhnlich. Menschliche Ohren reagieren weniger empfindlich auf Verzerrungen in den tiefen Frequenzen, und es wird normalerweise erwartet, dass die Pegel bei lauter Wiedergabe unter 10% liegen. Verzerrungen, die nur Harmonische gerader Ordnung für einen Sinuswelleneingang erzeugen, werden manchmal als weniger störend angesehen als Verzerrungen ungerader Ordnung. Ausgangsleistung Die Ausgangsleistung für Verstärker wird idealerweise gemessen und als maximale Effektivwertleistung (RMS) pro Kanal bei einem bestimmten Verzerrungspegel bei einer bestimmten Last angegeben, die nach Konvention und behördlicher Vorschrift als das aussagekräftigste Maß für die verfügbare Leistung angesehen wird Musiksignale, obwohl echte, nicht clippende Musik ein hohes Peak-to-Average-Verhältnis aufweist und normalerweise weit unter dem maximal möglichen Durchschnitt liegt. Die allgemein gegebene Messung von PMPO (Peak Music Power Out) ist weitgehend bedeutungslos und wird oft in der Marketingliteratur verwendet; In den späten 1960er Jahren gab es viele Kontroversen über diesen Punkt und die US-Regierung (FTA) verlangte, dass RMS-Zahlen für alle High-Fidelity-Geräte angegeben werden. Music Power hat in den letzten Jahren ein Comeback erlebt. Siehe auch Audio Power. Leistungsspezifikationen erfordern die Angabe der Lastimpedanz, und in einigen Fällen werden zwei Zahlen angegeben (zum Beispiel wird die Ausgangsleistung eines Leistungsverstärkers für Lautsprecher typischerweise bei 4 und 8 Ohm gemessen). Um der Last maximale Leistung zu liefern, sollte die Impedanz des Treibers das komplexe Konjugat der Impedanz der Last sein. Bei einer rein ohmschen Last sollte der Widerstand des Treibers gleich dem Widerstand der Last sein, um eine maximale Ausgangsleistung zu erreichen. Dies wird als Impedanzanpassung bezeichnet. Intermodulationsverzerrung (IMD) Verzerrungen, die nicht harmonisch mit dem zu verstärkenden Signal zusammenhängen, sind Intermodulationsverzerrungen. Es ist ein Maß für den Pegel von Störsignalen, die aus einer unerwünschten Kombination verschiedener Frequenzeingangssignale resultieren. Dieser Effekt resultiert aus Nichtlinearitäten im System. Ausreichend hohe negative Rückkopplungen können diesen Effekt in einem Verstärker reduzieren. Viele glauben, dass es besser ist, Elektronik so zu entwerfen, dass Rückkopplungspegel minimiert werden, obwohl dies schwierig zu erreichen ist, während andere hohe Genauigkeitsanforderungen erfüllt werden. Die Intermodulation in Lautsprechertreibern ist wie bei der harmonischen Verzerrung fast immer größer als in den meisten elektronischen Geräten. IMD steigt mit Kegelauslenkung. Durch die Reduzierung der Bandbreite eines Treibers wird die IMD direkt reduziert. Dies wird erreicht, indem der gewünschte Frequenzbereich in separate Bänder aufgeteilt wird und für jedes Frequenzband separate Treiber verwendet werden, und sie durch ein Crossover-Filternetzwerk einspeisen. Crossover-Filter mit steiler Steigung sind am effektivsten bei der IMD-Reduzierung, können jedoch unter Verwendung von Hochstromkomponenten zu teuer für die Implementierung sein und zu Klingelverzerrungen führen. Intermodulationsverzerrungen in Mehrtreiberlautsprechern können durch die Verwendung einer aktiven Frequenzweiche stark reduziert werden, erhöhen jedoch die Systemkosten und -komplexität erheblich. Rauschen Der Pegel des unerwünschten Rauschens, das vom System selbst oder durch Störungen durch externe Quellen erzeugt wird, die dem Signal hinzugefügt werden. Brummen bezieht sich normalerweise auf Rauschen nur bei Stromleitungsfrequenzen (im Gegensatz zu breitbandigem weißem Rauschen), das durch Induktion von Stromleitungssignalen in die Eingänge von Verstärkungsstufen eingeführt wird. Oder von unzureichend geregelten Stromversorgungen. Übersprechen Die Einführung von Rauschen (von einem anderen Signalkanal), das durch Masseströme, Streuinduktivität oder Kapazität zwischen Komponenten oder Leitungen verursacht wird. Übersprechen reduziert, manchmal merklich, die Trennung zwischen Kanälen (z., in einer Stereoanlage). Eine Übersprechmessung ergibt einen Wert in dB relativ zu einem Nennpegel des Signals im Pfad, der Interferenzen empfängt. Übersprechen ist normalerweise nur ein Problem bei Geräten, die mehrere Audiokanäle im selben Gehäuse verarbeiten. Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) In symmetrischen Audiosystemen gibt es gleiche und entgegengesetzte Signale (Differenzmodus) in den Eingängen, und alle Interferenzen, die beiden Leitungen auferlegt werden, werden subtrahiert, wodurch diese Interferenz (dh der Gleichtakt) aufgehoben wird. CMRR ist ein Maß für die Fähigkeit eines Systems, solche Störungen und insbesondere das Brummen an seinem Eingang zu ignorieren. Es ist im Allgemeinen nur bei langen Leitungen an einem Eingang von Bedeutung oder wenn einige Arten von Erdschleifenproblemen vorliegen. Unsymmetrische Eingänge haben keinen Gleichtaktwiderstand; Induziertes Rauschen an ihren Eingängen erscheint direkt als Rauschen oder Brummen. Dynamikbereich und Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) Die Differenz zwischen dem maximalen Pegel, den eine Komponente aufnehmen kann, und dem von ihr erzeugten Rauschpegel. Eingangsrauschen wird bei dieser Messung nicht mitgezählt. Es wird in dB gemessen. Der Dynamikbereich bezieht sich auf das Verhältnis von maximaler zu minimaler Lautstärke in einer bestimmten Signalquelle (z. B. Musik oder Programmmaterial), und diese Messung quantifiziert auch den maximalen Dynamikbereich, den ein Audiosystem tragen kann. Dies ist das Verhältnis (normalerweise ausgedrückt in dB) zwischen dem Grundrauschen des Geräts ohne Signal und dem maximalen Signal (normalerweise eine Sinuswelle), das bei einem bestimmten (niedrigen) Verzerrungspegel ausgegeben werden kann. Seit den frühen 1990er Jahren wurde von mehreren Behörden, einschließlich der Audio Engineering Society, empfohlen, Messungen des Dynamikbereichs mit einem vorhandenen Audiosignal durchzuführen. Dies vermeidet fragwürdige Messungen, die auf der Verwendung von Leermedien oder Muting-Schaltungen basieren. Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ist jedoch das Verhältnis zwischen dem Grundrauschen und einem beliebigen Referenzpegel oder Ausrichtungspegel. In „professionellen“ Aufnahmegeräten beträgt dieser Referenzpegel normalerweise +4 dBu (IEC 60268-17), manchmal jedoch 0 dBu (UK und Europa – EBU-Standardausrichtungspegel). ‚Test Level‘, ‚Measurement Level‘ und ‚Line-up Level‘ bedeuten verschiedene Dinge, die oft zu Verwirrung führen. In „Consumer“ -Geräten gibt es keinen Standard, obwohl -10 dBV und -6 dBu üblich sind. Verschiedene Medien weisen charakteristisch unterschiedliche Mengen an Rauschen und Kopffreiheit auf. Obwohl die Werte zwischen den Geräten stark variieren, kann eine typische analoge Kassette 60 dB, eine CD fast 100 dB ergeben. Die meisten modernen Qualitätsverstärker haben einen Dynamikbereich von > 110 dB, der sich dem des menschlichen Ohrs nähert, normalerweise mit etwa 130 dB. Siehe Programmstufen. Phasenverzerrung, Gruppenverzögerung und Phasenverzögerung Eine perfekte Audiokomponente behält die Phasenkohärenz eines Signals über den gesamten Frequenzbereich bei. Phasenverzerrungen können extrem schwer zu reduzieren oder zu beseitigen sein. Das menschliche Ohr ist weitgehend unempfindlich gegenüber Phasenverzerrungen, obwohl es äußerst empfindlich gegenüber relativen Phasenbeziehungen innerhalb gehörter Geräusche ist. Die Komplexität unserer Empfindlichkeit gegenüber Phasenfehlern, gepaart mit dem Fehlen eines praktischen Tests, der eine leicht verständliche Qualitätsbewertung liefert, ist der Grund dafür, dass er nicht Teil herkömmlicher Audiospezifikationen ist. Mehrtreiber-Lautsprechersysteme können komplexe Phasenverzerrungen aufweisen, die durch Frequenzweichen, Treiberplatzierung und das Phasenverhalten des jeweiligen Treibers verursacht oder korrigiert werden. Einschwingverhalten Ein System kann für ein stationäres Signal eine geringe Verzerrung aufweisen, jedoch nicht bei plötzlichen Transienten. In Verstärkern kann dieses Problem in einigen Fällen auf Netzteile, unzureichende Hochfrequenzleistung oder übermäßige negative Rückkopplung zurückgeführt werden. Verwandte Messungen sind Anstiegsrate und Anstiegszeit. Verzerrungen im Einschwingverhalten können schwer zu messen sein. Es wurde festgestellt, dass viele ansonsten gute Leistungsverstärkerdesigns nach modernen Maßstäben unzureichende Anstiegsraten aufweisen. Bei Lautsprechern wird das Einschwingverhalten durch die Masse und Resonanzen von Treibern und Gehäusen sowie durch Gruppen- und Phasenverzögerung beeinflusst, die durch Crossover-Filterung oder unzureichende zeitliche Ausrichtung der Treiber des Lautsprechers verursacht werden. Die meisten Lautsprecher erzeugen erhebliche transiente Verzerrungen, obwohl einige Designs dafür weniger anfällig sind (z. B. elektrostatische Lautsprecher, Plasmabogen-Hochtöner, Bändchenhochtöner und Horngehäuse mit mehreren Eintrittspunkten). Dämpfungsfaktor Eine höhere Zahl wird allgemein als besser angesehen. Dies ist ein Maß dafür, wie gut ein Leistungsverstärker die unerwünschte Bewegung eines Lautsprechertreibers steuert. Ein Verstärker muss in der Lage sein, Resonanzen zu unterdrücken, die durch mechanische Bewegung (z. B. Trägheit) eines Lautsprecherkegels, insbesondere eines Niederfrequenztreibers mit größerer Masse, verursacht werden. Bei herkömmlichen Lautsprechertreibern geht es dabei im Wesentlichen darum, dass die Ausgangsimpedanz des Verstärkers nahe Null liegt und dass die Lautsprecherdrähte ausreichend kurz sind und einen ausreichend großen Durchmesser aufweisen. Der Dämpfungsfaktor ist das Verhältnis der Ausgangsimpedanz eines Verstärkers und der Verbindungskabel zum Gleichstromwiderstand einer Schwingspule, was bedeutet, dass lange, hochohmige Lautsprecherkabel den Dämpfungsfaktor verringern. Ein Dämpfungsfaktor von 20 oder mehr wird für Live-Beschallungssysteme als ausreichend angesehen, da der Schalldruckpegel der trägheitsbedingten Treiberbewegung 26 dB unter dem Signalpegel liegt und nicht zu hören ist. Eine negative Rückkopplung in einem Verstärker senkt seine effektive Ausgangsimpedanz und erhöht somit seinen Dämpfungsfaktor.
MechanicalEdit
Wow und Flutter Diese Messungen beziehen sich auf die physikalische Bewegung in einer Komponente, die größtenteils der Antriebsmechanismus analoger Medien wie Schallplatten und Magnetbänder ist. „Wow“ ist eine langsame Geschwindigkeitsvariation (einige Hz), die durch längerfristige Drift der Drehzahl des Antriebsmotors verursacht wird, während „Flattern“ eine schnellere Geschwindigkeitsvariation (einige zehn Hz) ist, die normalerweise durch mechanische Defekte wie Unrundheit der Winde eines Bandtransportmechanismus verursacht wird. Die Messung erfolgt in % und eine niedrigere Zahl ist besser. Rumble Das Maß für das niederfrequente Rauschen (viele zehn Hz), das vom Plattenspieler eines analogen Wiedergabesystems verursacht wird. Es wird durch unvollkommene Lager, ungleichmäßige Motorwicklungen, Vibrationen in Antriebsbändern bei einigen Plattenspielern, Raumvibrationen (z. B. durch Verkehr) verursacht, die von der Plattenspielerhalterung und so auf die Phonokassette übertragen werden. Eine niedrigere Zahl ist besser.
DigitalEdit
Beachten Sie, dass digitale Systeme nicht unter vielen dieser Effekte auf einem Signalpegel leiden, obwohl die gleichen Prozesse in der Schaltung auftreten, da die zu behandelnden Daten symbolisch sind. Solange das Symbol die Übertragung zwischen Komponenten überlebt und perfekt regeneriert werden kann (z. B. durch Pulsformungstechniken), bleiben die Daten selbst perfekt erhalten. Die Daten werden typischerweise in einem Speicher gepuffert und von einem sehr präzisen Quarzoszillator getaktet. Die Daten degenerieren normalerweise nicht, da sie viele Stufen durchlaufen, da jede Stufe neue Symbole für die Übertragung regeneriert.
Digitale Systeme haben ihre eigenen Probleme. Die Digitalisierung fügt Rauschen hinzu, das messbar ist und von der Audio-Bittiefe des Systems abhängt, unabhängig von anderen Qualitätsproblemen. Zeitfehler in Abtasttakten (Jitter) führen zu einer nichtlinearen Verzerrung (FM-Modulation) des Signals. Eine Qualitätsmessung für ein digitales System (Bitfehlerrate) bezieht sich auf die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers beim Senden oder Empfangen. Andere Metriken zur Qualität des Systems werden durch die Abtastrate und die Bittiefe definiert. Im Allgemeinen sind digitale Systeme viel weniger fehleranfällig als analoge Systeme; Fast alle digitalen Systeme haben jedoch analoge Ein- und / oder Ausgänge, und sicherlich alle, die mit der analogen Welt interagieren, tun dies. Diese analogen Komponenten des digitalen Systems können analoge Effekte erleiden und möglicherweise die Integrität eines gut gestalteten digitalen Systems beeinträchtigen.
Jitter Eine Messung der Variation der Periode (periodischer Jitter) und des absoluten Timings (zufälliger Jitter) zwischen dem gemessenen Takttakt und einem idealen Takt. Weniger Jitter ist im Allgemeinen besser für Probenahmesysteme. Abtastrate Eine Angabe der Rate, mit der das analoge Signal gemessen wird. Dies wird in Abtastungen pro Sekunde oder Hertz gemessen. Eine höhere Abtastrate ermöglicht eine größere Gesamtbandbreite oder einen größeren Frequenzgang im Durchlassband und ermöglicht die Verwendung weniger steiler Anti-Aliasing / Anti-Imaging-Filter im Stoppband, was wiederum die Gesamtphasenlinearität im Durchlassband verbessern kann. Bittiefe Bei Audio mit Pulscodemodulation ist die Bittiefe die Anzahl der Informationsbits in jedem Sample. Die Quantisierung, ein Prozess, der beim digitalen Audio-Sampling verwendet wird, erzeugt einen Fehler im rekonstruierten Signal. Das Signal-zu-Quantisierungs-Rauschverhältnis ist ein Vielfaches der Bittiefe. Audio-CDs verwenden eine Bittiefe von 16 Bit, während DVD-Video- und Blu-ray-Discs 24-Bit-Audio verwenden können. Der maximale Dynamikbereich eines 16-Bit-Systems beträgt etwa 96 dB, während er bei 24 Bit etwa 144 dB beträgt. Dither kann beim Audio-Mastering verwendet werden, um den Quantisierungsfehler zufällig zu bestimmen, und einige Dithersysteme verwenden Rauschformung, um die Form des Quantisierungsrauschbodens zu bestimmen. Die Verwendung von Shaped Dither kann den effektiven Dynamikbereich von 16-Bit-Audio auf etwa 120 dB erhöhen. Um den maximalen theoretischen Dynamikumfang eines digitalen Systems zu berechnen (Signal-zu-Quantisierungs-Rausch-Verhältnis (SQNR)), verwenden Sie den folgenden Algorithmus für die Bittiefe Q: S Q N R = 20 log 10 ( 2 Q) ≈ 6.02 ⋅ Q d B {\displaystyle \mathrm {SQNR} =20\log _{10}(2^{Q})\approx 6.02\cdot Q\ \mathrm {dB} \,\!}
Beispiel: Ein 16-Bit-System hat 216 verschiedene Möglichkeiten, von 0 – 65.535. Das kleinste Signal ohne Dithering ist 1, also ist die Anzahl der verschiedenen Pegel eins weniger, 216 – 1. Für ein 16-Bit-Digitalsystem beträgt der Dynamikbereich also 20 * log (216 − 1) ≈ 96 dB. Sample-Genauigkeit / Synchronisation Nicht so sehr eine Spezifikation als eine Fähigkeit. Da unabhängige digitale Audiogeräte jeweils von einem eigenen Quarzoszillator betrieben werden und keine zwei Kristalle genau gleich sind, unterscheidet sich die Abtastrate geringfügig. Dies führt dazu, dass die Geräte im Laufe der Zeit auseinander driften. Die Auswirkungen davon können variieren. Wenn ein digitales Gerät zur Überwachung eines anderen digitalen Geräts verwendet wird, führt dies zu Aussetzern oder Verzerrungen im Audio, da ein Gerät pro Zeiteinheit mehr oder weniger Daten produziert als das andere. Wenn zwei unabhängige Geräte gleichzeitig aufnehmen, wird eines im Laufe der Zeit immer mehr hinter dem anderen zurückbleiben. Dieser Effekt kann mit einer Wordclock-Synchronisation umgangen werden. Es kann auch im digitalen Bereich unter Verwendung eines Driftkorrekturalgorithmus korrigiert werden. Ein solcher Algorithmus vergleicht die relativen Raten von zwei oder mehr Geräten und löscht oder fügt Samples aus den Streams von Geräten hinzu, die zu weit vom Mastergerät entfernt sind. Die Abtastrate variiert auch im Laufe der Zeit geringfügig, da sich die Kristalle in der Temperatur usw. ändern. Siehe auch Taktwiederherstellungslinearität Differentielle Nichtlinearität und integrale Nichtlinearität sind zwei Messungen der Genauigkeit eines Analog-Digital-Wandlers. Grundsätzlich messen sie, wie nahe die Schwellwertpegel für jedes Bit an den theoretischen Pegeln mit gleichem Abstand liegen.