Особенности тестирования проигрывателей оптических дисков
Обычно среди технических характеристик, которые приводят фирмы в описаниях, присутствуют частотный диапазон, выходная мощность, коэффициент нелинейных искажений, отношение сигнал/шум. Однако существует множество и других параметров, о которых, как правило, изготовители ничего не сообщают.
Среди технических параметров, которые являются предметом умолчания по причине своей якобы простоты и понятности, есть, например, фаза. Наиболее явно это понятие визуализируется при подключении акустики, когда инструкции требуют соблюдения «фазировки»: плюс к плюсу, а минус к минусу. Еще такое же дискретное изменение фазы сигнала на противоположную осуществляется, например, в активных сабвуферах с помощью соответствующего переключателя. Но за понятием фазы, особенно в отношении цифровых источников, скрывается значительно больше.
Как правило, измерения проводятся с использованием синусоидальных тестовых сигналов. И если сравнивать на экране осциллографа, например, два синусоидальных сигнала, сдвинутых относительно друг друга по фазе, то будет видно, что один имеет временную задержку. О заметности подобных искажений нет общего мнения. Некоторые считают, что они заметны, другие полагают обратное. Еще в 19 веке знаменитый физик Гельмгольц экспериментально продемонстрировал, что относительный фазовый сдвиг двух синусоид незаметен на слух. Скорее всего, это происходит потому, что в спектре синусоидального сигнала присутствует только одна частота.
Но все музыкальные сигналы имеют очень сложный характер. Во-первых, звуки музыкальных инструментов содержат много высших гармоник. А во-вторых, они еще и взаимно модулируются сложной комбинацией гармоник звуков других инструментов. Поэтому для исследования аппаратуры, предназначенной для воспроизведения музыки, желательно использовать и другие сигналы. Первым и самым простым приближением является измерение интермодуляции, при котором используются два синусоидальных сигнала (низкочастотный и высокочастотный), очень отдаленно имитирующих взаимодействие в реальном сигнале. Тут желательно использовать сигналы, которые, с одной стороны, легко генерировать, а с другой — являются хотя бы отдаленным подобием музыкального. Этим условиям удовлетворяет прямоугольный периодический сигнал (меандр), который содержит некоторое число нечетных гармоник. Так меандр частотой 1 кГц содержит компоненты с частотами 3, 5, 7, 9 кГц и выше.
Рис.1 Исходный прямоугольный импульс (синий) и тот же импульс (красный) после прохождения через схему с фазовой задержкой
Рис.2 Спектр на выходе CD-проигрывателя содержит, кроме тестового сигнала (1) множество гармоник, помех и ложных сигналов
Рис 3. Выходной спектр (1) при изменении частоты тестового сигнала (шкала 1– 21 кГц) содержит гармонику (2) и остатки наложения спектров (3)
Рис.4 У этого DVD-проигрывателя наложение спектров приводит к появлению ложных сигналов и в звуковой области
Другими словами, такой сигнал состоит из суммы нескольких синусоидальных сигналов с определенными соотношениями амплитуд и фаз. Если теперь эта сумма проходит через устройство с линейной фазовой характеристикой (показывающей зависимость фазы от частоты), то, как и в случае с одной синусоидой, форма меандра не изменится. Так, например, сигнал частотой 11 кГц при сдвиге фазы на 180° имеет такую же временную задержку, как и сигнал частотой 22 кГц со сдвигом 360°. И если временная задержка, которая пропорциональна сдвигу фазы и обратно пропорциональна частоте, для всех частот одинакова, то это просто приведет к временному сдвигу (задержке) сигнала. Еще это называют групповой задержкой, то есть для группы частот. Но большинство реальных устройств имеет нелинейную фазовую характеристику. В таком устройстве вполне возможна ситуация, когда сигнал частотой 11 кГц будет иметь сдвиг 90°, и задержка составит 23 мкс, а для сигнала частотой 22 кГц со сдвигом 360° она будет около 45 мкс. То есть в этом случае разные компоненты многочастотного сигнала сдвинутся относительно друг друга. На графике (рис. 1) синим цветом показан исходный прямоугольный сигнал, а красным — воспроизведенный типичным CD-проигрывателем. Появившиеся выбросы фронта и колебания вершины импульса наши читатели многократно наблюдали в результатах наших тестов. Для двухтональных сигналов такая характеристика устройства приведет к сдвигу огибающей сигнала (более низкочастотной) относительно высокочастотного заполнения.
Человеческий голос и звуки музыкальных инструментов, которые представляют собой несущую модулированную основным тоном и его гармониками, могут быть подвержены данному виду искажений. Необходимо учитывать, что теоретически неправильная обработка сигнала, например, при использовании дешевого оборудования, может возникнуть еще при цифровой записи. То есть из-за неправильной фильтрации возможно появление подобных искажений уже в самой записи на диске. А отсюда и несоответствие звука первоисточнику.
Однако вернемся к проигрывателям цифровых дисков. Цифровая обработка сигналов приводит к специфическим искажениям исходных сигналов. Наиболее сильно проявляются фазовые искажения и результаты наложения спектров. Представление о результатах цифровой обработки в проигрывателях дает в наибольшей степени трехмерный график, показывающий зависимость спектра выходного сигнала от частоты испытательного. Даже при беглом взгляде на рисунки 3 и 4 видна их громадная разница. Но и представленное на первом графике (рис. 3) является далеко не идеальным и требует пояснений.
При идеальной обработке должно присутствовать только горизонтальное "плато", над которым возвышается дуга испытательного сигнала (1 на рис. 3). Что касается "плато", то оно характеризует уровень шумов в выходном сигнале. Оно должно быть максимально плоское без возвышений, в том числе и за пределами звуковых частот, то есть выше 20 кГц. Для удобства сравнения различных аппаратов вертикальная шкала уровня (в дБ) имеет цветовую окраску. И чем меньше уровень шумов, тем более фиолетовой будет горизонтальная часть графика. Заметим попутно, что, например, при измерении характеристик стандартного компьютерного CD-ROM'a, подобный график приобрел устойчивую голубую окраску. То есть уровень шумов оказался в среднем на 20–25 дБ выше, чем для DVD-проигрывателя, характеристика которого представлена на рис. 3.
Возникновение дополнительных сигналов, которые отсутствуют в исходном спектре, вызывается разными причинами. На том же графике видна вторая дуга (2 на рис. 3), едва возникающая из шумового фона — вторая гармоника сигнала. Дальше могут следовать, точно так же повторяя ход основного сигнала, третья, четвертая и другие высшие гармоники. Просто в данном случае они ниже уровня шумов, а потому не видны. Это добавки можно рассматривать как неизбежные, но теоретически устранимые. При повышении линейности амплитудной характеристики звукового тракта, и, в первую очередь, выходных аналоговых каскадов, их уровень будет понижаться. Каждый разработчик выбирает для себя приемлемый компромисс между допустимым (то есть, другими словами, заметным по отношению к шумам) уровнем искажений и стоимостью электронной начинки.
При неправильно выбранном соотношении между частотой дискретизации и исходным сигналом в результирующем сигнале возможно появление ложных частот, вызванных наложением спектров. Это происходит при относительно низкой частоте дискретизации и приводит к появлению сигналов с частотой выше половины частоты дискретизации. Результат можно видеть на том же графике — это дополнительный "хребет" частот (3 на рис. 3). Если посмотреть на выходной спектр для одного испытательного сигнала, то легко можно увидеть все новые ложные частоты и искажения. Такой продольный спектральный разрез (рис. 2) показан для частоты сигнала около 12 кГц. Сам тестовый сигнал имеет нулевой уровень (1 на рис. 2). В надтональной области мог бы присутствовать только плохо подавленный сигнал частоты дискретизации 44,1 кГц (2 на рис. 2). Между ними появились четыре больших спектральных составляющих нового паразитного спектра. При этом их амплитуда даже больше, чем у второй гармоники тестового сигнала: маленький пичок в центре. Но самое плохое для данного аппарата — это появление еще одной ложной составляющей частотой около 4 кГц (3 на рис. 2).
Явление крайне неприятное и в англоязычной литературе носит название aliasing, а специальные фильтры, предназначенные для подавления помех спектрального наложения, — anti-aliasing filter. Самый простой способ борьбы с этим нежелательным явлением при воспроизведении CD — повышение частоты дискретизации или пересэмплирование, то есть восстановление сигнала до более высокого разрешения. Таким образом, при повышении частоты дискретизации даже в четыре раза, что, кстати, широко использовалось в CD-проигрывателях еще в 80-х годах, удается перенести спектр помехи в частотную область вокруг 176 кГц. А затем осуществить окончательную фильтрацию аналоговым фильтром, имеющим гарантированно небольшие фазовые искажения.
На последнем графике (рис. 4) приведен результат измерения DVD-проигрывателя (к сожалению, одного известного изготовителя), из которого последствия плохой цифровой фильтрации наглядно выпирают. Здесь присутствуют не только составляющие зеркального спектра, возникающие в результате наложения испытательного сигнала и частоты дискретизации (44,1 кГц) в диапазоне выше 20 кГц. Наиболее страшны для качества воспроизведения дополнительные составляющие, те самые ложные частоты, в пределах звукового диапазона. Причем обратите внимание, что их уровень значительно превышает уровень высших гармоник основного сигнала.