Работающий на базе устройства Quattro, ACE обеспечивает 32-разрядную с плавающей запятой цифровую обработку сигналов с частотой выборки до 204.8 кГц на всех каналах одновременно. Все входы подсоединяются к специализированному 24-разрядному сигма-дельта АЦП, а оба выхода имеют свои 24-разрядные ЦАПы. Входы и выходы защищены встроенными фильтрами защиты от наложения спектров. Вычислительные возможности обеспечивают в реальном времени динамический диапазон свыше 120 дБ в полосе до 94 кГц, при одновременном измерении и отображении 1600 линий на графиках передаточных функций, когерентности и всех других связанных измерений, а также с легкостью обеспечивают измерения с высоким разрешением до 25600 линий, масштабирование в реальном времени, измерение и отображение 3D графика "Водопада" и одновременную запись на диск. Вся обработка сигналов выполняется центральным сигнальным процессором, встроенным в Quattro, Ваш компьютер с Windows требуется только в качестве интерфейса оператора и для отображения данных.
Купить анализатор спектра в наши дни не составляет проблем. Важно понимать, что имеются огромные различия между этими приборами, в частности, многие компании предлагают компактные приборы с различными названиями: анализатор спектра частот, анализатор спектра вибраций, анализатор частотного спектра, анализатор спектра звука и т.д. Как правило, все эти приборы оснащены экраном со шкалой, на которой испытатель смотрит показания. Такой анализатор спектра реального времени, как правило, не записывает измеренные данные и не имеет возможности проводить полноценный БПФ-анализ. Расшифровка спектра БПФ или алгоритм быстрого вычисления дискретного преобразования Фурье позволяет использовать анализатор сигналов как анализатор спектра.
Цифровые анализаторы спектра SIgnalCalc ACE объединяют в себе все возможности портативных анализаторов, при этом сохраняя компактность.
SignalCalc ACE позволяет проводить анализ виброакустических сигналов в реальном времени, используя БПФ, с возможность записи необработанных данных на жесткий диск компьютера для последующего тщательного постанализа.
ACE Quattro выполняет анализ во временной, частотной, амплитудной и порядковой областях. Используйте синхронное усреднение для восстановления зашумленных повторяющихся событий. Сопоставляйте сигналы для обнаружения их сходства и совмещения по времени (корреляция). Используйте анализ спектра с БПФ (Быстрое Преобразование Фурье) для идентификации доминантных частот и уровней спектральных плотностей. Определяйте линейность систем через их передаточные функции, когерентность и реакции на импульсное возмущение. Измеряйте вероятностные функции и проверяйте нормальность ваших экспериментальных данных.
Высокая скорость вычислений позволяет Вам обрабатывать данные с перекрытием, что ускоряет усреднения. А также позволяет захватывать запуски и остановы машин, речевые сигнатуры и другие, быстро изменяющиеся временные/частотные события. Экран Вашего компьютера становится окном просмотра мгновенного действия, отображающим появление и содержание сигналов.
Каждый из вас наверняка сталкивался с анализаторами звука хотел он того или нет. На прилавках магазинов уже более десяти лет каждый более ли менее приличный музыкальный центр обладает таковым. В народе их обычно называют "цветомузыка", "эквалайзер" и тому подобное. На компьютере тоже многие плееры обладают анализаторами спектра и в некоторых случаях очень мощно визуализируют звук (плагины для Winamp). Но речь сейчас пойдет не о рядовых пользовательских, а именно о профессиональных программах для анализа сигнала (в нашем случае звука). Объясню почему я пишу "сигнала". Фактически, даные программы позволяют анализировать сигнал поступающий на вход звуковой платы, но есть умельцы которые подают не звуковые сигналы и получают нечто вроде осциллографа или мультиметра, но нам это опять же не надо. В свой обзор я включил 3 программы для анализа сигнала (звука): PAS Analysis Center v3.5, 4Pockets PocketRTA PC v1.0 и Pinguin Audio Meter v2.2.
Итак, начнем по порядку: запустив программу мы видим несколько окон (рис. 1). Вот их мы и будем рассматривать далее.
Рисунок 1. Окна в PAS Analysis Center v3.5
Первое из окон - Spectrum Analyzer , собственно анализатор спектра. На первой вкладке (FFT Length) производятся настройки для преобразования Фурье (собственно, сам процесс представления сигнала в спектральном виде). Blackman, Hamming, Parzen и пр. - это так называемые "окна", проще говоря это имена математиков, которые предложили каждый свою весовую функцию для представления спектра звука. Если хотите ощутить между ними разницу, то включите генератор (рис. 2) и сгенерируйте синусоиду (Sine).
Рисунок 2. Включаем генератор
Так как синусоида должна в идеале давать один пик в спектральной области, то можно переключать вышеупомянутые "окна" и посмотреть на результат.
Следующий параметр - FFT Length . Это количество отсчетов при Фурье-преобразовании. Чем это значение больше, тем точнее спектральная характеристика но медленней процесс. И наоборот.
Следующая вкладка - Scale . Здесь находятся настройки шкалы спектроанализатора. Все три характеристики регулируют растяжение/сжатие по осям.
Display . В этой вкладке находятся настройки вида спектроанализатора.
Log Amplitude и Log Frequency - логарифмическая либо линейная шкалы по соответствующим осям. Draw grid - прорисовка сетки. Draw inactive - подсветка спектральных полос. Draw amplitude scale и Draw frequency scale - отображать градуировку шкалы уровня и частоты соответственно. Draw peaks - прорисовка пиковых значений. Peaks hold - отображение последнего пикового значения.
Kind - тип визуализации спектра. Тут особо интересный режим Scroll, т.к. в этом режиме еще включается 3-е измерение - время.
Peaks - настройка отображения пиков. Numbers - толщина пиков. Peak delay - задержка пиков. Peak speed - скорость спада пиков.
Decay - настройка времени регенерации спектральных столбцов. Необходимо для коррекции скорости, т.е. чтоб они не прыгали с бешенной скоростью или наоборот не ворочались еле-еле.
Рисунок 3. Осциллограф
Следующее окно Oscilloscope (осциллограф) (рис. 3). Он показывает форму волны в случае звука, а в общем случае изменение напряжения (или тока в зависимости от подключения) анализируемого сигнала.
FFT Length - как я уже говорил, это настройка для преобразования Фурье.
Scale - здесь настройка подписей шкал. Effect - выбирается разделение по цвету для пиков (Peaks) или для верхней/нижней части (Splitt).
Display - настройка вида. Здесь стоит выделить Scroll - значительное сжатие по времени, удобно для наблюдения более общей картины.
Outfits - тип прорисовки волны.
Trigger mode - эта функция похожа на функцию синхронизации в осциллографах. И полезна она для анализа музыки вряд-ли будет. Up Flag и Down Flag - по какому фронту синхронизировать (заметно на пилообразных сигналах). Trigger level - уровень срабатывания.
И последнее окно - Spectrogram (рис. 4) это фактически перевернутый спектр, растянутый по времени. Амплитуда (уровень) здесь отображается цветом.
Рисунок 4. Спектрограф
FFT Length - см. ранее.
Scale - установки шкалы и усиления. Amp scale - усиление. Sensitive - чувствительность. Freq scale - степень растяжения оси частоты. Freq base - основная (нижняя) частота.
Display - настройки отображения спектрограммы. Accelerate - ускорение во времени. Embossed - смена фона спектрографа, особо эффектно бывает при других подстройках (Black-White в Outfit). Scroll display - прокручивать дисплей по прохождении или возвращаться назад.
Outfit - цветовые настройки спектрограммы.
На этом обзор окон закончен.
Теперь я хочу немного сказать об основных принципах работы этой программы, да и других подобных ей (анализаторов сигнала).
Существует 3 режима работы таких программ: 1. Вживую (анализ звука в реальном времени со входа звуковой платы). Здесь смотри рисунок 5
Рисунок 5. "Живой" режим
2. Проигрыватель файлов. Анализирует уже записанные файлы (см. рис. 6)
Рисунок 6. Режим плеера
3. Режим генератора. О нем я уже упоминал выше (см. рис.2). Полезен для подстроек и настроек.
Данный продукт интересен тем, что он сделан для двух платформ: PC и Pocket PC, т.е. как для настольных так и для карманных ПК. Я буду рассматривать версию для настольного ПК.
Итак, включив программу мы видим основное окно программы (рис. 7).
Рисунок 7. Основное окно 4Pockets PocketRTA PC v1.0
Сверху мы видим уровни входного сигнала. Чуть ниже расположена секция, показывающая уровень самой громкой частоты спектра в виде, собственно, числового значения в герцах, а также приблизительно ноту, соответствующую этой частоте. Еще ниже расположено окно анализатора. В самом низу идет секция настроек. Вот ее мы и рассмотрим поподробнее.
Scale - выбор точности и типа анализатора. Кроме всего есть осциллограф (Sample), спектрограф (Spectrograph) и такая необычная функция как уровень звукового давления (SPL). С помощью SPL определяют отношение сигнал/шум и некоторые характеристики "железа".
Average - функция для удобства наблюдения спектра (замедляет/убыстряет)
Mon - (Monitor channel) выбор типа анализируемых каналов (моно, стерео, левый, правый)
Trace - сохраняет на экране пиковые уровни. Удобно при настройках на octave.
Weight - как утверждают разработчики, на частотах ниже 500 Гц и выше 4 кГц слуховая чувствительность падает, это значит что вне этих частотных пределов человек слышит звуки тише. Для компенсации этого эффекта в профессиональной аппаратуре используют весовые кривые (weight curves). Здесь доступны 4 типа весовой кривой.
Decay - скорость спада спектральных столбцов.
Gain - регулировка усиления. Увеличение на 3 дБ все равно что умножение в 2 раза.
Pause - пауза (а кто сомневался).
Tone - генератор. Доступны 8 синусоидальных пресетов разной частоты и 2 шумовых пресета.
Еще я хочу обратить внимание на то что в режиме спектрального анализатора мы можем увидеть в секции ниже уровней частоту, ноту и уровень в точке куда мы кликнем мышкой. Иногда полезно.
Этот продукт не обладает такими гибкими настройками как его собратья. Но мне он понравился своей простотой и дизайном, ведь далеко не всегда и не всем нужно использовать массу всех сложных настроек.
Программа Pinguin Audio Meter имеет всего 4 окна (рис. 8)
Рисунок 8. Основное окно Pinguin Audio Meter v2.2
Удобство сей программы в том, что каждое окно можно развернуть и так наблюдать гораздо приятнее. При нажатии правой кнопки мыши выскакивает меню с настройками для каждого окна.
PPM Meter - индикатор уровня (рис. 9). Доступные настройки - горизонтальное/вертикальное расположение (horizontal), статическое отображение пиковых уровней (peak hold), отображение пиковых уровней с затуханием (peak decay), время спада уровней (decay time) и цветовые настройки (color).
Рисунок 9. PPM Meter - индикатор уровня в Pinguin Audio Meter
Stereo meter - индикатор фазовой корреляции и ширину стереобазы в X-Y координатах (рис. 10).
Рисунок 10. Stereo meter в Pinguin Audio Meter
Доступны следующие настройки:
Visible points - количество видимых точек, для регулировки четкости картины.
Thick points - жирные или мелкие точки.
Samples - время выборки. Регулируется для снижения нагрузки на процессор.
Spectrum analyzer - анализатор спектра (как несложно догадаться)(рис. 11).
Рисунок 11. Анализатор спектра в Pinguin Audio Meter
В меню настроек доступны те же, что и у индикатора уровня, но есть еще парочку своих.
Windowing - весовые функции преобразования Фурье (см. выше, про Spectra Lab). Доступны 7 функций. Создатели программы считают интересной функцию Уэлша (Welch).
Input mode - режим отображения анализируемых каналов. Здесь, в отличие от рассмотренных ранее программ, нельзя отображать сразу несколько каналов.
Correlation meter - коррелометр. Отображает разность (корреляцию) фаз между двумя каналами (рис. 12). Это своего рода проверка "качества стерео картины". У него всего лишь две настройки - включение (On) и вертикальный/горизонтальный режим (Horizontal).
Рисунок 12. Коррелометр в Pinguin Audio Meter
Вот и все для нашего "пингвиньего анализатора". Да, на панели инструментов есть еще пару настроек типа частоты семплирования (sample rate), выбор устройства (device) и приоритет программы (priority).
Что ж, в завершение я решил свести основные данные в таблицу, т.е. сравнить вышеперечисленные анализаторы.
| Параметр | PAS Analysis Center v3.5 | 4Pockets PocketRTA PC v1.0 | Pinguin Audio Meter v2.2 |
| анализатор спектра | + | + | + |
| спектрограф | + | + | - |
| осциллограф | + | + | - |
| индикатор фазовой корреляции (X-Y) | - | - | + |
| коррелометр | - | - | + |
| настройки БПФ (FFT) | + | + | - |
| генератор сигналов | + | + | - |
| анализ файлов | + | + | - |
| количество "окон" (типов отображения спектра) | 7 | 4 | 7 |
| внешний вид (5-бальная шкала) | 3 | 2 | 4 |
Как видно из сводной таблицы Pinguin Audio Meter v2.2 по функциям слабоват, но обладает несколькими "фишками", которыми не могут похвастать его более мощные собратья - коррелометром и индикатором фазовой корреляции. Внешний вид - оценка лично моя, т.е. достаточно субъективная. Оценивал я по 5-ти бальной шкале. 5 не поставил никому, ведь, согласитесь, можно было и покруче в плане графики сделать (вспомнить те же плагины Winamp-а). Но все же по виду мне понравился "пингвин".
Обратите внимание:
Программы, описываемые в данной статье:
Спектроанализатор - прибор для измерения и отображения спектра сигнала - распределения энергии сигнала по частотам. В этой статье рассматриваются основные виды анализаторов спектра и иллюстрируется их применение для редактирования и реставрации звука. Особое внимание уделяется современным анализаторам, основанным на FFT - быстром преобразовании Фурье.
Традиционно в цифровой звукозаписи аудиодорожка представляется в виде осциллограммы, отображающей форму звуковой волны (waveform), то есть зависимость амплитуды звука от времени. Такое представление достаточно наглядно для опытного звукорежиссёра: осциллограмма позволяет увидеть основные события в звуке, такие как изменения громкости, паузы между частями произведения и зачастую даже отдельные ноты в сольной записи инструмента. Но одновременное звучание нескольких инструментов на осциллограмме "смешивается" и визуальный анализ сигнала становится затруднительным. Тем не менее, наше ухо без труда различает отдельные инструменты в небольшом ансамбле. Как же это происходит?
Когда сложное звуковое колебание попадает на барабанную перепонку уха, оно с помощью серии слуховых косточек передаётся на орган, называемый улиткой. Улитка представляет собой закрученную в спираль эластичную трубочку. Толщина и жёсткость улитки плавно меняются от края к центру спирали. Когда сложное колебание поступает на край улитки, это вызывает ответные колебания разных частей улитки. При этом резонансная частота у каждой части улитки своя. Таким образом улитка раскладывает сложное звуковое колебание на отдельные частотные составляющие. К каждой части улитки подходят отдельные группы слуховых нервов, передающие информацию о колебаниях улитки в головной мозг (более подробно о слуховом восприятии можно прочитать в статье "Основы психоакустики " И. Алдошиной в журнале "Звукорежиссер" №6, 1999). В результате в мозг поступает информация о звуке, уже разложенная по частотам, и человек легко отличает высокие звуки от низких. Кроме того, как мы вскоре увидим, разложение звука на частоты помогает различить отдельные инструменты в полифонической записи, что значительно расширяет возможности редактирования.
Первые звуковые анализаторы спектра разделяли сигнал на частотные полосы с помощью набора аналоговых фильтров. Дисплей такого анализатора (рис. 1) показывает уровень сигнала во множестве частотных полос, соответствующих фильтрам.
Рис. 1. Третьоктавный анализатор Specan32, эмулирующий известный прибор KlarkTeknik DN60
На рис. 2 приведён пример частотных характеристик полосовых фильтров в анализаторе, удовлетворяющем стандарту ГОСТ 17168-82. Такой анализатор называется третьоктавным, так как в каждой октаве частотного диапазона имеется три полосы. Видно, что частотные характеристики полосовых фильтров перекрываются; их крутизна зависит от порядка используемых фильтров.
Рис. 2. Частотные характеристики фильтров третьоктавного спектроанализатора
Важным свойством спектроанализатора является баллистика - инерционность измерителей уровня в частотных полосах. Она может регулироваться заданием скорости нарастания (атаки) и спада уровня. Типичное время атаки и спада в таком анализаторе - порядка 200 и 1500 мс.
Полосовые спектроанализаторы часто применяются для настройки АЧХ (амплитудно-частотной характеристики) акустических систем на концертных площадках. Если на вход такому анализатору подать розовый шум (имеющий одинаковую мощность в каждой октаве), то дисплей покажет горизонтальную линию, с возможной поправкой на вариацию шума во времени. Если розовый шум, проходя через звукоусилительную систему зала, исказился, то изменения его спектра будут видны на анализаторе. При этом анализатор, как и наше ухо, будет малочувствителен к узким провалам АЧХ (менее 1/3 октавы).
Преобразование Фурье - это математический аппарат для разложения сигналов на синусоидальные колебания. Например, если сигнал x (t ) непрерывный и бесконечный по времени, то его можно представить в виде интеграла Фурье:
Интеграл Фурье собирает сигнал x (t ) из бесконечного множества синусоидальных составляющих всевозможных частот ω , имеющих амплитуды X ω и фазы φ ω .
На практике нас больше интересует анализ конечных по времени звуков. Поскольку музыка не является статичным сигналом, её спектр меняется во времени. Поэтому при спектральном анализе нас обычно интересуют отдельные короткие фрагменты сигнала. Для анализа таких фрагментов цифрового аудиосигнала существует дискретное преобразование Фурье :
Здесь N отсчётов дискретного сигнала x (n ) на интервале времени от 0 до N -1 синтезируются как сумма конечного числа синусоидальных колебаний с амплитудами X k и фазами φ k . Частоты этих синусоид равны kF/N , где F - частота дискретизации сигнала, а N - число отсчётов исходного сигнала x (n ) на анализируемом интервале. Набор коэффициентов X k называется амплитудным спектром сигнала . Как видно из формулы, частоты синусоид, на которые раскладывается сигнал, равномерно распределены от 0 (постоянная составляющая) до F /2 - максимально возможной частоты в цифровом сигнале. Такое линейное расположение частот отличается от распределения полос третьоктавного анализатора.
FFT (fast Fourier transform) - алгоритм быстрого вычисления дискретного преобразования Фурье. Благодаря ему стало возможным анализировать спектр звуковых сигналов в реальном времени.
Рассмотрим работу типичного FFT-анализатора. На вход ему поступает цифровой аудиосигнал. Анализатор выбирает из сигнала последовательные интервалы («окна») , на которых будет вычисляться спектр, и считает FFT в каждом окне для получения амплитудного спектра X k . Вычисленный спектр отображается в виде графика зависимости амплитуды от частоты (рис. 3). Аналогично полосовым анализаторам, обычно используется логарифмический масштаб по осям частот и амплитуд. Но из-за линейного расположения полос FFT по частоте спектр может выглядеть недостаточно детальным на нижних частотах или излишне осциллирующим на верхних частотах.
Рис. 3. Дисплей FFT-анализатора
Если рассматривать FFT как набор фильтров, то, в отличие от полосовых фильтров третьоктавного анализатора, фильтры FFT будут иметь одинаковую ширину в герцах, а не в октавах. Поэтому розовый шум на FFT-анализаторе будет уже не горизонтальной линией, а наклонной, со спадом 3 дБ/окт. Горизонтальной линией на FFT-анализаторе будет белый шум - он содержит равную энергию в равных линейных частотных интервалах.
Параметр N
- число анализируемых отсчётов сигнала - имеет решающее значение для вида спектра. Чем больше N
, тем плотнее сетка частот, по которым FFT раскладывает сигнал, и тем больше деталей по частоте видно на спектре. Для достижения более высокого частотного разрешения приходится анализировать более длинные участки сигнала. Если сигнал в пределах окна FFT меняет свои свойства, то спектр будет отображать некоторую усреднённую информацию о сигнале со всего интервала окна.
Когда нужно проанализировать быстрые изменения в сигнале, длину окна N выбирают маленькой. В этом случае разрешение анализа по времени увеличивается, а по частоте - уменьшается. Таким образом, разрешение анализа по частоте обратно пропорционально разрешению по времени. Этот факт называется соотношением неопределённостей .
Один из простейших звуковых сигналов - синусоидальный тон. Как будет выглядеть его спектр на FFT-анализаторе? Оказывается, это зависит от частоты тона. Мы знаем, что FFT раскладывает сигнал не по тем частотам, которые на самом деле присутствуют в сигнале, а по фиксированной равномерной сетке частот. Например, если частота дискретизации равна 48 кГц и размер окна FFT выбран 4096 отсчётов, то FFT раскладывает сигнал по 2049 частотам: 0 Гц, 11.72 Гц, 23.44 Гц, ..., 24000 Гц.
Если частота тона совпадает с одной из частот сетки FFT, то спектр будет выглядеть "идеально": единственный острый пик укажет на частоту и амплитуду тона (рис. 4, белый график).
Если же частота тона не совпадает ни с одной из частот сетки FFT, то FFT "соберёт" тон из имеющихся в сетке частот, скомбинированных с различными весами. График спектра при этом размывается по частоте (рис. 4, зелёный график). Такое размытие обычно нежелательно, так как оно может закрыть собой более слабые звуки на соседних частотах. Можно также заметить, что амплитуда максимума зелёного графика ниже реальной амплитуды анализируемого тона. Это связано с тем, что мощность анализируемого тона равна сумме мощностей коэффициентов спектра, из которых этот тон составлен.
Рис. 4. Спектр синусоидального тона различных частот с весовыми окнами и без них
Чтобы уменьшить эффект размытия спектра, сигнал перед вычислением FFT умножается на весовые окна - гладкие функции, похожие на гауссиан, спадающие к краям интервала. Они уменьшают размытие спектра за счёт некоторого ухудшения частотного разрешения. Если рассматривать FFT как набор полосовых фильтров, то весовые окна регулируют взаимное проникновение частотных полос.
Простейшее окно - прямоугольное: это константа 1, не меняющая сигнала. Оно эквивалентно отсутствию весового окна. Одно из популярных окон - окно Хэмминга. Оно уменьшает уровень размытия спектра примерно на 40 дБ относительно главного пика.
Весовые окна различаются по двум основным параметрам: степени расширения главного пика и степени подавления размытия спектра ("боковых лепестков") . Чем сильнее мы хотим подавить боковые лепестки, тем шире будет основной пик. Прямоугольное окно меньше всего размывает верхушку пика, но имеет самые высокие боковые лепестки. Окно Кайзера обладает параметром, который позволяет выбирать нужную степень подавления боковых лепестков.
Другой популярный выбор - окно Хана. Оно подавляет максимальный боковой лепесток слабее, чем окно Хэмминга, но зато остальные боковые лепестки быстрее спадают при удалении от главного пика. Окно Блэкмана обладает более сильным подавлением боковых лепестков, чем окно Хана.
Для большинства задач не очень важно, какой именно вид весового окна использовать. Главное, чтобы оно было. Популярный выбор - Хан или Блэкман. Использование весового окна уменьшает зависимость формы спектра от конкретной частоты сигнала и от её совпадения с сеткой частот FFT.
Рисунок 4 сделан для синусоид, однако, исходя из него, нетрудно представить, как будет выглядеть спектр реальных звуковых сигналов. Каждый пик в спектре будет иметь некоторую размытую форму, в зависимости от своей частоты и выбранного весового окна.
Чтобы компенсировать расширение пиков при применении весовых окон, можно использовать более длинные окна FFT: например, не 4096, а 8192 отсчета. Это улучшит разрешение анализа по частоте, но ухудшит по времени.
Часто возникает необходимость проследить, как спектр сигнала меняется во времени. FFT-анализаторы помогают сделать это в реальном времени при воспроизведении сигнала. Однако в ряде случаев оказывается удобна визуализация изменения спектра во всём звуковом отрывке сразу. Такое представление сигнала называется спектрограммой
. Для её построения применяется оконное преобразование Фурье
: спектр вычисляется от последовательных окон сигнала (рис. 5), и каждый из этих спектров образует столбец в спектрограмме. 
Рис. 5. Вычисление спектрограммы сигнала
По горизонтальной оси спектрограммы откладывается время, по вертикальной - частота, а амплитуда отображается яркостью или цветом. На спектрограмме гитарной ноты на рис. 6 видно развитие звучания: оно начинается с резкой атаки и продолжается в виде гармоник, кратных по частоте основному тону 440 Гц. Видно, что верхние гармоники имеют меньшую амплитуду и затухают быстрее, чем нижние. Также на спектрограмме прослеживается шум записи - равномерный фон тёмно-синего цвета. Справа показана шкала соответствия цветов и уровней сигнала (в децибелах ниже нуля).
Рис. 6. Спектрограмма гитарной ноты с разными размерами окна FFT
Если менять размер окна FFT, становится хорошо видно, как меняется частотное и временное разрешение спектрограммы. При увеличении окна гармоники становятся тоньше, и их частота может быть определена более точно. Однако размывается во времени момент атаки (в левой части спектрограммы). При уменьшении размера окна наблюдается обратный эффект.
Особенно полезна спектрограмма при анализе быстро меняющихся сигналов. На рис. 7 показана спектрограмма вокального пассажа с вибрато. По ней легко определить такие характеристики голоса, как частота и глубина вибрато, его форма и ровность, наличие певческой форманты. По изменению высоты основного тона и гармоник прослеживается исполняемая мелодия.
Рис. 7. Спектрограмма вокального пассажа с вибрато
Современные средства реставрации звука, такие как программа iZotope RX , активно используют спектрограмму для редактирования отдельных частотно-временных областей в сигнале. С помощью этой техники можно найти и подавить такие нежелательные призвуки, как звонок мобильного телефона во время важной записи, скрип стула пианиста, кашель в зрительном зале и т.п.
Проиллюстрируем использование спектрограммы для удаления свиста поклонников из концертной записи.
Рис. 8. Удаление нежелательных призвуков с помощью спектрограммы
На рис. 8 свист легко находится: это светлая кривая линия в районе 3 кГц. Если бы частота свиста была постоянной, то его можно было бы подавить с помощью режекторного фильтра. Однако в нашем случае частота меняется. Для выделения свиста на спектрограмме удобно воспользоваться инструментом «волшебная палочка» из программы iZotope RX II. Одно нажатие приводит к выделению основного тона свиста, повторное нажатие выделяет гармоники. После этого свист можно удалить, просто нажав на клавишу Del. Однако более аккуратный способ - воспользоваться модулем Spectral Repair: это позволит избежать "дыр" в спектре после удаления свиста. После применения этого модуля в режиме ослабления с вертикальной интерполяцией (Attenuate vertically) свист практически полностью исчезает из записи: как визуально, так и на слух.
Еще одно полезное применение спектрограммы - анализ присутствия в записи следов компрессии MP3 или других кодеков с потерями. У большинства записей оригинального (несжатого) качества частотный диапазон простирается до 20 кГц и выше; при этом энергия сигнала плавно спадает с ростом частоты (как на рис. 6, 7). В результате психоакустической компрессии верхние частоты сигнала квантуются сильнее нижних, и верхняя граница спектра сигнала обнуляется (как на рис. 8). При этом частота среза зависит от содержания кодируемого сигнала и от битрейта кодера. Ясно, что кодер стремится обнулять только те частоты в сигнале, которые в данный момент не слышны (замаскированы). Поэтому частота среза, как правило, меняется во времени, что образует на спектрограмме характерную "бахрому" с островками энергии на тёмном фоне.
Аналогичная ситуация иногда возникает и с низкочастотными помехами, такими как задувание ветра в микрофон или постоянная составляющая (смещение по постоянному току, DC offset). Они могут располагаться на инфранизких частотах и не обнаруживать себя без помощи спектроанализатора или осциллографа.
Среди опытных звукорежиссёров старой школы распространено мнение, что анализировать и редактировать сигналы следует исключительно на слух, не полагаясь на индикаторы и анализаторы. Разумеется, анализаторы - не панацея в случае отсутствия слуха. Вряд ли кто-то серьёзно воспринимает идею сведения композиции "по приборам".
Спектр и спектрограмма - способы представления звука, более близкие к слуховому восприятию, нежели осциллограмма. Надеюсь, что эта статья откроет новые возможности в анализе и редактировании звука для тех, кто ранее с этими представлениями не работал.
Программа представляет собой Open Source амплитудно-частотный звуковой анализатор, действующий в режиме реального времени.
Frequency Analyzer работает с любыми звуковыми колебаниями, включая человеческий голос, выполняя над ними быстрое преобразование Фурье и разбивая их на частотные составляющие.
Когда микрофон преобразует звук в напряжение, звуковая карта работает как очень быстрый цифровой вольтметр, измеряющий напряжение от 11025 до 44100 раз в секунду (в программе можно самостоятельно установить число измерений в секунду). Каждый замер преобразуется в восьми- или шестнадцатиразрядное число. Шестнадцатиразрядные числа позволяют проводить более точный анализ слабых сигналов. В результате выборки удается получить ряд чисел. Они воссоздаются в виде синусоиды в рабочем окне программы под названием «Wave». Помимо этого любой звук может быть показан в виде комбинации синусоидальных волн различных частот. Математически это разделение на составляющие частоты называется преобразованием Фурье. Лучший из всех возможных алгоритмов называется быстрым преобразованием Фурье. Таким образом, окно программы «Frequency Spectrum» показывает спектральный состав звука.
В программе можно выбирать количество замеров, которые будут включены в одно преобразование Фурье. Чем больше замеров, тем больше частот может быть обнаружено в спектре. При изменении этого значения в Frequency Analyzer, график будет меняться.
Для тех, кто хотел бы делать подобные программы самостоятельно, разработчики представили исходный алгоритм быстрого преобразования Фурье, созданный на C + +. Использовать его можно свободно в любом коммерческом программном обеспечении. Также в дистрибутив программы по многочисленным просьбам включен учебник о том, как работать с сигналами, поступающими на микрофон, с помощью Win32 API, полный исходный код Frequency Analyzer и учебник по физике звука. Работает данный программный пакет без инсталляции. Для работы программы необходимо иметь микрофон и звуковую карту.
Количество вычислений преобразований Фурье в секунду можно настроить с помощью параметра программы «Speed (FFT"s per sec)». Однако разработчики предупреждают, что менять эти значения следует с особой осторожностью, поскольку медленные процессоры могут не успевать обрабатывать все присылаемые звуковой картой значения. Это приведет к зависанию компьютера.
Программа Frequency Analyzer была разработана компанией Reliable Software в 1996 году. Это союз четверых независимых программистов двое из которых проживают в Сиэтле, США (Бартош Милевский и Дебби Эрлих) , а двое в Гданьске, Польша (Веслав Калкус и Петр Трояновски). Основной целью своей деятельности компания объявляет борьбу с низким качеством программного обеспечения. Работы по созданию программ проходят удаленно в реальном времени через Skype. Авторы уже создали ряд учебных пособий для Windows и онлайн книгу по программированию, ведут блог, посвященный многопоточному программированию и справочник по Windows API.
Интерфейс приложения английский, русификатора нет. Однако из-за минимального количества настроек разобраться в программе не представляет труда.
Frequency Analyzer работает на персональных компьютерах под управлением операционных систем семейства Microsoft Windows, начиная с версии Windows 98.
Распространение программы: Freeware (бесплатная)
SoundCard Oszilloscope – программа превращающая компьютер в двухканальный осциллограф, двухканальный генератор низкой частоты и анализатор спектра
Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Каждый радиолюбитель знает, что для создания более-менее сложных радиолюбительских устройств необходимо иметь в своем распоряжение не только мультиметр. Сегодня в наших магазинах можно купить практически любой прибор, но – есть одно “но” – стоимость приличного качества любого прибора не менее нескольких десятков тысяч наших рублей, и не секрет, что для большинства россиян это значительные деньги, а посему эти приборы недоступны вовсе, или радиолюбитель покупает приборы давно находящиеся в употреблении.
Сегодня на сайте
, мы попробуем оснастить лабораторию радиолюбителя бесплатными виртуальными приборами –
цифровой двухканальный осциллограф
,
двухканальный генератор звуковой частоты
,
анализатор спектра
. Единственный недостаток этих приборов – все они работают только в полосе частот от 1 Гц до 20000 Гц. На сайте уже давалось описание похожей радиолюбительской программы:
“ “
– программа превращающая домашний компьютер в осциллограф
.
Сегодня я хочу предложить вашему вниманию очередную программу – “
SoundCard Oszilloscope
“. Меня эта программа привлекла неплохими характеристиками, продуманным дизайном, простотой изучения и работы в ней. Данная программа на английском, русского перевода нет. Но я не считаю это недостатком. Во-первых – разобраться как работать в программе очень легко, вы сами это увидите, во-вторых – когда нибудь вы обзаведетесь хорошими приборами (а у них все обозначения на английском, хотя сами китайские) и сразу и легко освоитесь с ними.
Программа разработана C. Zeitnitz и является бесплатной, но только для частного использования. Лицензия на программу стоит около 1500 рублей, и есть еще так называемая “частная лицензия” – стоимостью около 400 рублей, но это скорее пожертвование автору на дальнейшее совершенствование программы. Мы, естественно, будем пользоваться бесплатной версией программы, которая отличается только тем, что при ее запуске каждый раз появляется окошко с предложением купить лицензию.
Скачать программу (последняя версия на декабрь 2012 года):
(28.1 MiB, 50,675 hits)
Для начала давайте разберемся с “понятиями”:
Осциллограф
– прибор предназначенный для исследования, наблюдения, измерения амплитудных и временных интервалов.
Осциллографы классифицируются:
♦ по назначению и способу вывода информации:
– осциллографы с периодической разверткой для наблюдения сигналов на экране (на Западе их называют oscilloscop)
– осциллографы с непрерывной разверткой для регистрации кривой сигнала на фотоленте (на Западе называются oscillograph)
♦ по способу обработки входного сигнала:
– аналоговый
– цифровой
Программа работает в среде не ниже W2000 и включает в себя:
- двухканальный осциллограф с частотой пропускания (зависит от звуковой карты) не менее чем от 20 до 20000 Гц;
– двухканальный генератор сигналов (с аналогичной генерируемой частотой);
– анализатор спектра
– а также имеется возможность записи звукового сигнала для его последующего изучения
Каждая из этих программ имеет дополнительные возможности, которые мы рассмотрим в ходе их изучения.
Начнем мы с генератора сигналов (Signalgenerator):
Генератор сигналов, как я уже говорил, – двухканальный – Channel 1 и Channel 2.
Рассмотрим назначение его основных переключателей и окошек:
1
– кнопки включения генераторов;
2
– окно установки формы выходного сигнала:
sine
– синусоидальный
triangle
- треугольный
square
- прямоугольный
sawtooth
- пилообразный
white noise
– белый шум
3
– регуляторы амплитуды выходного сигнала (максимальная – 1 вольт);
4
– регуляторы установки частоты (нужную частоту можно установить вручную в окошках под регуляторами). Хотя на регуляторах максимальная частота – 10 кГц, но в нижних окошках можно прописать любую допускаемую частоту (зависит от звуковой карты);
5
– окошки для выставления частоты вручную;
6
– включение режима “Sweep – генератор”. В этом режиме выходная частота генератора периодически изменяется от минимального значения установленного в окошках “5” до максимального значения установленного в окошках “Fend” в течение времени, установленного в окошках “Time”. Этот режим можно включить или для любого одного канала или сразу для двух каналов;
7
– окна для выставления конечной частоты и времени Sweep режима;
8
– программное подключение выхода канала генератора к первому или второму входному каналу осциллографа;
9
- установка разности фаз между сигналами с первого и второго каналов генератора.
10
- у
становка скважности сигнала (действует только для прямоугольного сигнала).
Теперь давайте рассмотрим сам осциллограф:
1
– Amplitude
-
регулировка чувствительности канала вертикального отклонения
2
– Sync
– позволяет (установив или сняв галочку) производить раздельную, или одновременную регулировку двух каналов по амплитуде сигналов
3, 4
– позволяет разнести сигналы по высоте экрана для их индивидуального наблюдения
5
– установка времени развертки (от 1 миллисекунды до 10 секунд, при этом в 1 секунде – 1000 миллисекунд)
6
– запуск/остановка
работы осциллографа. При остановке на экране сохраняется текущее состояние сигналов, а также появляется копка Save (16
) позволяющая сохранить текущее состояние на компьютере в виде 3-х файлов (текстовые данные исследуемого сигнала, черно-белое изображение и цветное изображение картинки с экрана осциллографа в момент остановки)
7
– Trigger
– программное устройство, которое задерживает запуск развертки до тех пор, пока не будут выполнены некоторые условия и служит для получения стабильного изображения на экране осциллографа. Имеется 4 режима:
– включение/выключение
. При выключенном триггере, изображение на экране будет выглядеть “бегущим” или даже “размазанным”.
– автоматический режим
. Программа сама выбирает режим (нормальный или одиночный).
– нормальный режим
. В этом режиме осуществляется непрерывная развертка исследуемого сигнала.
– одиночный режим
. В этом режиме осуществляется одноразовая развертка сигнала (с промежутком времени, установленным регулятором Time).
8
– выбор активного канала
9
– Edge
– тип запуска сигнала:
- rising
– по фронту исследуемого сигнала
– falling
– по спаду исследуемого сигнала
10
– Auto Set
– автоматическая установка времени развертки, чувствительности канала вертикального отклонения Amplitude, а так-же изображение выгоняется в центр экрана.
11
- Channel Mode
– определяет как будут выводится сигналы на экран осциллографа:
– single
– раздельный вывод двух сигналов на экран
- СН1 + СН2
– вывод суммы двух сигналов
– СН1 – СН2
– вывод разницы двух сигналов
– СН1 * СН2
– вывод произведения двух сигналов
12 и 13
– выбор отображения на экране каналов (или любой из двух, или два сразу, рядом изображается величина Amplitude
)
14
– вывод осциллограммы канала 1
15
– вывод осциллограммы канала 2
16
– уже проходили – запись сигнала на компьютер в режиме остановки осциллографа
17
– шкала времени (у нас регулятор Time
стоит в положении 10 миллисекунд, поэтому шкала отображается от 0 до 10 миллисекунд)
18
– Status
– показывает текущее состояние триггера а также позволяет выводить на экран следующие данные:
- HZ and Volts
– вывод на экран текущей частоты напряжения исследуемого сигнала
– cursor
– включение вертикальных и горизонтальных курсоров для измерения параметров исследуемого сигнала
– log to Fille
– посекундная запись параметров исследуемого сигнала.
Производство измерений на осциллографе
Для начала давайте настроим генератор сигналов:
1. Включаем канал 1 и канал 2 (загораются зеленные треугольники)
2. Устанавливаем выходные сигналы – синусоидальный и прямоугольный
3. Устанавливаем амплитуду выходных сигналов равную 0,5 (генератор генерирует сигналы с максимальной амплитудой 1 вольт, и 0,5 будет означать амплитуду сигналов равную 0,5 вольта)
4. Устанавливаем частоты в 50 Герц
5. Переходим в режим осциллографа
Измерение амплитуды сигналов:
1. Кнопкой под надписью Measure
выбираем режим HZ and Volts
, ставим галочки у надписей Frequency и Voltage
. При этом у нас сверху появляются текущие частоты для каждого из двух сигналов (почти 50 герц), амплитуда полного сигнала Vp-p
и эффективное напряжение сигналов Veff
.
2. Кнопкой под надписью Measure
выбираем режим Cursors
и ставим галочку у надписи Voltage
. При этом у нас появляются две горизонтальные линии, а внизу надписи, показывающие амплитуду положительной и отрицательной составляющей сигнала (А
), а также общий размах амплитуды сигнала (dA
).
3. Выставляем горизонтальные линии в нужном нам положении относительно сигнала, на экране мы получим данные по их амплитуде:
Измерение временных интервалов:
Проделываем те-же операции, что и для измерения амплитуду сигналов, за исключением – в режиме Cursors галочку ставим у надписи Time . В результате вместо горизонтальных мы получим две вертикальные линии, а внизу будет высвечиваться временной интервал между двумя вертикальными линиями и текущая частота сигнала в этом временном интервале:
Определение частоты и амплитуды сигнала
В нашем случае специально высчитывать частоту и амплитуду сигнала нет необходимости – все отображается на экране осциллографа. Но если вам придется воспользоваться первый раз в жизни аналоговым осциллографом и вы не знаете как определить частоту и амплитуду сигнала мы в учебных целях рассмотрим и этот вопрос.
Установки генератора оставляем как и были, за исключением – амплитуду сигналов устанавливаем 1,0, а установки осциллографа выставляем как на картинке:
Регулятор амплитуды сигнала выставляем на 100 милливольт, регулятор времени развертки на 50 миллисекунд, и получаем картинку на экране как сверху.
Принцип определения амплитуды сигнала:
Регулятор Amplitude
у нас стоит в положении 100 милливольт
, а это означает, что цена деления сетки на экране осциллографа по вертикали составляет 100 милливольт. Считаем количество делений от нижней части сигнала до верхней (у нас получается 10 делений) и умножаем на цену одного деления – 10*100= 1000 милливольт= 1 вольт
, что означает, что амплитуда сигнала у нас от верхней точки до нижней составляет 1 вольт. Точно так-же можно измерить амплитуду сигнала на любом участке осциллограммы.
Определение временных характеристик сигнала:
Регулятор Time
у нас стоит в положении 50 миллисекунд
. Количество делений шкалы осциллографа по горизонтали равно 10 (в данном случае у нас на экране помещается 10 делений), делим 50 на 10 и получаем 5, это значит что цена одного деления будет равна 5 миллисекундам. Выбираем нужный нам участок осциллограммы сигнала и считаем в какое количество делений он умещается (в нашем случаем – 4 деления). Умножаем цену 1 деления на количество делений 5*4=20
и определяем что период сигнала на исследуемом участке составляет 20 миллисекунд
.
Определение частоты сигнала.
Частота исследуемого сигнала определяется по обычной формуле. Нам известно, что один период нашего сигнала равен 20 миллисекунд
, остается узнать сколько периодов будет в одной секунде- 1 секунда/20 миллисекунд= 1000/20= 50 Герц.
Анализатор спектра
Анализатор спектра
– прибор для наблюдения и измерения относительного распределения энергии электрических (электромагнитных) колебаний в полосе частот.
Низкочастотный анализатор спектра
(как в нашем случае) предназначен для работы в диапазоне звуковых частот и используется, к примеру, для определения АЧХ различных устройств, при исследовании характеристик шума, настройки различной радиоаппаратуры. Конкретно, мы можем определить амплитудно-частотную характеристику собираемого усилителя звуковой частоты, настроить различные фильтры и т.д.
Ничего сложного в работе с анализатором спектра нет, ниже я приведу назначение основных его настроек, а вы сами, уже опытным путем легко разберетесь как с ним работать.
Вот так выглядит анализатор спектра в нашей программе:
Что здесь – что:
1. Вид отображения шкалы анализатора по вертикали
2. Выбор отображаемых каналов с генератора часто и вида отбражения
3. Рабочая часть анализатора
4. Кнопка записи текущего состояния осциллограммы при остановке
5. Режим увеличения рабочего поля
6. Переключение горизонтальной шкалы (шкалы частоты) из линейного в логарифмический вид
7. Текущая частота сигнала при работе генератора в свип-режиме
8. Текущая частота в позиции курсора
9. Указатель коэффициента гармоник сигнала
10. Установка фильтра для сигналов по частоте
Просмотр фигур Лиссажу
Фигуры Лиссажу – замкнутые траектории, прочерчиваемые точкой, совершающей одновременно два гармонических колебаниях в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Вид фигур зависит от соотношения между периодами (частотами), фазами и амплитудами обоих колебаний.
Если подать на входы «X » и «Y » осциллографа сигналы близких частот, то на экране можно увидеть фигуры Лиссажу. Этот метод широко используется для сравнения частот двух источников сигналов и для подстройки одного источника под частоту другого. Когда частоты близки, но не равны друг другу, фигура на экране вращается, причем период цикла вращения является величиной, обратной разности частот, например, период оборота равен 2 с - разница в частотах сигналов равна 0,5 Гц. При равенстве частот фигура застывает неподвижно, в любой фазе, однако на практике, за счет кратковременных нестабильностей сигналов, фигура на экране осциллографа обычно чуть-чуть подрагивает. Использовать для сравнения можно не только одинаковые частоты, но и находящиеся в кратном отношении, например, если образцовый источник может выдавать частоту только 5 МГц, а настраиваемый источник - 2,5 МГц.
Я не уверен, что эта функция программы вам пригодится, но если вдруг потребуется, то я думаю, что вам легко удастся разобраться в этой функции самостоятельно.
Функция записи звукового сигнала
Я уже говорил, что программа позволяет записать какой-либо звуковой сигнал на компьютере с целью его дальнейшего изучения. Функция записи сигнала не представляет сложностей и вы легко разберетесь как это делать:
