Know Audio: Verzerrung Teil Eins

Wenn Sie audiophilen Rezensenten folgen, werden Sie wissen, dass ihr Stock-in-Trade eine sehr schicke Art ist, absolut nichts von quantifizierbarer Substanz über das Thema zu sagen und gleichzeitig sachkundig über die eingebildeten Unterschiede zwischen Geräten zu klingen, die ohnehin alle von höchster Qualität sind. Wenn Sie uns folgen, werden wir Ihnen sagen, dass die einzigen Bewertungen, die von Bedeutung sind, reale Messungen der Audioleistung und blinde Hörtests sind. Wir müssen Ihnen nicht erklären, wie man Musik hört, aber vielleicht ist es an der Zeit, in unserer Know Audio-Reihe einen Blick darauf zu werfen, wie die Audioleistung gemessen wird.

Bevor wir zur Bank greifen, müssen wir uns zunächst fragen, was genau wir messen. Welche Eigenschaften sind in einer Audiokette wichtig, oder anders ausgedrückt: Was macht ein Audiogerät gut?

Natürlich gibt es viele Dinge, die gemessen werden können, aber das Wichtigste in diesem Zusammenhang ist wahrscheinlich die Verzerrung. Sie sind wahrscheinlich an Verzerrungen in der Musik gewöhnt, während eine klassische Gitarre wie eine gezupfte Saite klingt, während eine Rockgitarre … wütend klingt.

Dies liegt daran, dass der Rockgitarrist ein Effektpedal verwendet, das den ansonsten recht sauberen Gitarrensound hörbar verzerrt. Es gibt viele verschiedene Gitarreneffektpedale, aber einige der einfachsten treiben lediglich einen Verstärker in den Clipping-Bereich, um etwas näher an eine Rechteckwelle zu bringen. Aber um zu verstehen, was wirklich vor sich geht, ist es notwendig, die Wellenform nicht im Zeitbereich als Sinuswelle oder Rechteckwelle zu betrachten, sondern im Frequenzbereich als Spektrum.

Wenn Sie einen perfekten Sinuswellenoszillator nehmen und ihn an einen Spektrumanalysator anschließen würden, würden Sie erwarten, einen einzelnen Peak zu sehen, der der Frequenz der Sinuswelle entspricht. Wenn Sie diese Sinuswelle verzerren, zeigt der Spektrumanalysator je nach Art der Verzerrung Spitzen bei anderen Frequenzen an.

Es ist ein Thema, mit dem wir uns hier bei Hackaday in der Vergangenheit ausführlich befasst haben, und wir vermuten, dass viele von Ihnen mit der mathematischen Ableitung einer Rechteckwelle aus einer Reihe harmonischer Sinuswellen vertraut sein werden. Die Verzerrung in einem Audiogerät wird anhand dieser zusätzlichen Spitzen im Spektrum gemessen und entweder als dB-Wert oder als Prozentsatz ausgedrückt, der ihre relative Stärke im Vergleich zum Originalsignal angibt. Bei diesen Gitarrenpedalen liegt der Wert im zweistelligen Prozentbereich, während er bei einem hochwertigen Audioverstärker nur einen Bruchteil eines Prozents ausmacht. Es ist auch üblich, den Wert als THD+N anzugeben, der die Rauschkomponente im Rest des Spektrums angibt, und ihn auch für eine einzelne Frequenz (normalerweise 1 kHz) anzugeben.

Das Messen von Verzerrungen ist oberflächlich betrachtet ein einfacher Prozess, aber in der Praxis ist es keine leichte Aufgabe, ein Instrument zu konstruieren, das dies effektiv tun kann. Ein zu testendes Gerät wird mit einer möglichst reinen Sinuswelle gespeist, und die Effektivspannung seines Ausgangs wird sowohl direkt von ihm als auch über einen Sperrfilter gemessen, der die Grundfrequenz der Sinuswelle entfernt. Die Idee besteht darin, dass das gefilterte Signal nur die Komponente des Ausgangssignals zurückgibt, die auf die Verzerrung zurückzuführen ist, und daher mit der vollständigen Zahl verglichen werden kann, um diese relative Zahl abzuleiten.

Der Konstrukteur des Instruments muss daher mehrere erhebliche Hürden überwinden, da nicht nur Oszillator und Filter so perfekt wie möglich sein müssen, sondern auch der Rest der analogen Signalkette nicht zur gemessenen Verzerrung beitragen darf. Dies wird noch dadurch erschwert, dass ein typisches Instrument diese Eigenschaften über einen weiten Frequenzbereich erfordert; Wenn ein einzelner Frequenzfilter eine Herausforderung darstellt, ist es bei einem variablen Filter noch viel schwieriger. Ein moderner Audioanalysator ist typischerweise eine computergesteuerte Kombination aus digitalen und analogen Instrumenten, wobei der Oszillator und die Messungen durch einen sehr hochwertigen DAC und ADC ersetzt werden, während der Filter eine analoge Schaltung beibehält.

Das erste HP-Produkt war der HP200A, ein hochwertiger Audio-Oszillator, dessen Schaltkreis bekanntermaßen eine Glühbirne als nichtlineares Element enthielt, um die Amplitude zu stabilisieren und so die Verzerrung seines Ausgangs zu reduzieren. Diese Idee bildet die Grundlage für nachfolgende Schritte zur Reduzierung der Oszillatorverzerrung durch verbesserte Rückkopplungs- und AGC-Schaltkreise.

Wir empfehlen Ihnen, die App-Note 43 von Linear Technologies zu lesen, in der Jim Williams eine umfassende Einführung in dieses Thema liefert, und anschließend die Notiz von Cheng-We Pei über einen Oszillator mit geringer Verzerrung, der einen RMS-zu-DC-Wandler in seiner Rückkopplungsschleife verwendet.

Leider bieten die meisten kostengünstigen Tisch-Funktionsgeneratoren diesen geringen Verzerrungsgrad nicht. Sie verlassen sich entweder auf einen Tiefpassfilter, um eine Rechteckwelle in etwas zu verzerren, das einer Sinuswelle ähnelt, oder verwenden einen einfachen DAC für die digitale Synthese, also für die Audiomessung Es lohnt sich, nach einem ungeliebten älteren analogen Oszillator zu suchen.

HP stellte viele Jahrzehnte lang Derivate des 200A her und unzählige Unternehmen stellten Klone und Kopien her, sodass es vergleichsweise einfach ist, ältere Oszillatoren auf dem Gebraucht- oder Überschussmarkt zu finden.

Die übrigen Komponenten sind etwas schwieriger zu finden, da die Herstellung dieser Filter teuer ist und ein Audioanalysator daher ein unglaublich teures Gerät sein kann. Sogar ältere Instrumente behalten ihren Wert, und ich schätze mich außerordentlich glücklich, dass ich mir meinen vollständig analogen HP334A-Verzerrungsanalysator aus den 1970er-Jahren gesichert habe, ohne mich vom BIP eines kleinen Landes zu trennen. Bei einem entsprechend hochwertigen ADC ist es möglich, den Ansatz der Filterung im digitalen Bereich zu verfolgen, allerdings übersteigt dies möglicherweise die Möglichkeiten einer gewöhnlichen Soundkarte. Ich habe diese Idee vor ein paar Jahren in einem Aprilscherzbeitrag über Goldkabel untersucht, und obwohl das Kabel ein Witz war, ist es immer noch eine gültige Messtechnik, auf die ich vielleicht zu gegebener Zeit zurückkommen werde.

Dies sollte also als grundlegende Einführung in die Audioverzerrung dienen und zeigen, warum dies für Ihr Hörvergnügen wichtig ist. Es folgt ein weiterer Know Audio-Beitrag zum Thema Verzerrung, in dem wir einen Blick auf reale Verzerrungsmessungen werfen und einen genaueren Blick auf die Instrumente werfen.