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, 51,559 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:
Эта программа имитирует двухканальный запоминающий осциллограф.
Следующие элементы управления доступны:
Позволяет регулировать усиление Оси Y в шагах на 10 дБ. В 0 дБ, на экране, показывает полномасштабный звуковой вход.
Копирование данных
.
В настоящее время показываемые данные могут быть скопированы в Windows.
Эта программа моделирует узкополосный анализатор спектра. Показывает уровень (Ось Y) и частоту (Ось X) со следующими средствами управления:
Частота Макс
Выбирает самую высокую показанную частоту: 5, 10 или 20 кГц, соответствующих типовым показателям 11025, 22050 или 44100 Гц.
Частота Exp/Lin
Выбирает линейный или логарифмический масштаб частоты,
Лин полезна для рассмотрения гармоники, Регистрация ближе к тому, как человеческое слушание интерпретирует масштаб частоты.
Уровень Max
Измеряет Ось Y в шагах на 10 дБ относительно входа полного масштаба.
Уровень dB/Lin
Выбирает линейный или логарифмический (dB) масштаб уровня. Лин полезна для рассмотрения сигналов, поскольку пики обнаруживаются ясно. dB полезен для создания измерений, особенно сигналов широкого диапазона или низкого уровня.
Время Exp/Lin
Линейное время, составляя в среднем вычисляет среднюю амплитуду за группу по спектрам N, затем останавливается.
Дисплей
Показывает:
Спектр как единственную линию, вертикальные бары или барные схемы.
Уровень входного сигнала, пиковый уровень и уровень маркера показаны рядом с кнопкой Run/Stop.
Копирование данных
Нажатие на Copy в меню Edit скопирует текущие частоты группы и уровни к разграниченному счетом списку.
Эта программа дает следующие показания с входов звуковой карты:
Пиковые значения стерео: от 0 до -18dB.
Пиковые значения стерео: от 0 до -96dB.
RMS (средние значения) стерео: от 0 до -96dB.
Phase Correlation meter: От 0 до 180
Vectorscope: мгновенный захват уровня
Peak Hold: высший уровень.
Генератор сигнала может произвести испытательные тоны от 20 Гц до 20 кГц плюс бело-розовый шум. 1/3-octave диапазона и музыкальные ноты (based on A440) могут быть непосредственно отобраны из меню.
Размер: 0.55 Mб
Интерфейс: Английский
Платформа : Windows 3.1 и выше
***************************************************************************************
ICE Book Reader Professional Russian
ICE Book Reader
- это мощная читалка электронных текстов (книг). Программа ICE Book Reader русифицирована и создана для того, чтобы сделать чтение электронных книг удобным и комфортным. Это действительно важно. Чтение документации или почты сильно отличается от чтения электронных книг. Всё отличие заключается в объёме материала. Поэтому чтение книг требует, гораздо больше времени. И как следствие этого, увеличивается нагрузка на глаза. Программа ICE Book Reader снимет все неудобства от чтения электронных книг.
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 - это запись алгоритма решения задачи в виде последовательности команд или операторов языком, который понимает компьютер. Конечной целью любой компьютерной программы является управление аппаратными средствами.
Служебный уровень
Программы этого уровня взаимодействуют как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Назначение служебных программ (утилит) состоит в автоматизации работ по проверке и настройки компьютерной системы, а также для улучшения функций системных программ. Некоторые служебные программы (программы обслуживания) сразу входят в состав операционной системы, дополняя ее ядро, но большинство являются внешними программами и расширяют функции операционной системы. То есть, в разработке служебных программ отслеживаются два направления: интеграция с операционной системой и автономное функционирование.
Классификация служебных программных средств
1. Диспетчеры файлов (файловые менеджеры). С их помощью выполняется большинство операций по обслуживанию файловой структуры: копирование, перемещение, переименование файлов, создание каталогов (папок), уничтожение объектов, поиск файлов и навигация в файловой структуре. Базовые программные средства содержатся в составе программ системного уровня и устанавливаются вместе с операционной системой
2. Средства сжатия данных (архиваторы). Предназначены для создания архивов. Архивные файлы имеют повышенную плотность записи информации и соответственно, эффективнее используют носители информации.
3. Средства диагностики. Предназначены для автоматизации процессов диагностики программного и аппаратного обеспечения. Их используют для исправления ошибок и для оптимизации работы компьютерной системы.
4. Программы инсталляции (установки). Предназначены для контроля за добавлением в текущую программную конфигурацию нового программного обеспечения. Они следят за состоянием и изменением окружающей программной среды, отслеживают и протоколируют образование новых связей, утерянных во время уничтожения определенных программ. Простые средства управления установлением и уничтожением программ содержатся в составе операционной системы, но могут использоваться и дополнительные служебные программы.
5. Средства коммуникации. Разрешают устанавливать соединение с удаленными компьютерами, передают сообщения электронной почты, пересылают факсимильные сообщения и т.п..
6. Средства просмотра и воспроизведения. Преимущественно, для работы с файлами, их необходимо загрузить в "родную" прикладную программу и внести необходимые исправления. Но, если редактирование не нужно, существуют универсальные средства для просмотра (в случае текста) или воспроизведения (в случае звука или видео) данных.
7. Средства компьютерной безопасности. К ним относятся средства пассивной и активной защиты данных от повреждения, несанкционированного доступа, просмотра и изменения данных. Средства пассивной защиты - это служебные программы, предназначенные для резервного копирования. Средства активной защиты применяют антивирусное программное обеспечение. Для защиты данных от несанкционированного доступа, их просмотра и изменения используют специальные системы, базирующиеся на криптографии.
52. Средства «сжатия» дисков. Методы сжатия. Форматы сжатия.
Средства сжатия данных (архиваторы). Предназначены для создания архивов. Архивные файлы имеют повышенную плотность записи информации и соответственно, эффективнее используют носители информации. Современные программные средства архивации данных называют диспетчерами архивов, ввиду своих больших функциональных возможностей, выходящих за рамки простого сжатия данных.
К базовым функциям, которые выполняют большинство современных диспетчеров архивов, относятся: извлечение файлов из архивов; создание новых архивов; добавление файлов в имеющийся архив; создание самораспаковывающихся архивов; создание распределенных архивов на носителях малой емкости; тестирование целостности структуры архивов; полное или частичное восстановление поврежденных архивов; защита архивов от просмотра и несанкционированной модификации. Самораспаковывающиеся архивы. Такие архивы создают при необходимости передачи документа потребителю, если нет уверенности в наличии у пользователя требуемого программного средства. Самораспаковывающийся архив готовится с помощью обычного архива путем присоединения к нему небольшого программного модуля. Архив получает расширение.EXE, характерное для исполнимых файлов. Распаковка самораспаковывающегося архива происходит автоматически.Распределенные архивы. При необходимости передачи большого архива на носителях малой емкости (например, на ГМД) возможно распределение одного архива в виде малых фрагментов на нескольких носителях. Диспетчер WinZip выполняет такое разбиение сразу на диски, а WinRAR и WinArj предварительно делает разбиение архива на фрагменты заданного размера на жестком диске, которые затем копируются на внешние носители. При использовании диспетчера WinZip каждый том архива дает файлы с одинаковыми именами, поэтому следует маркировать каждый диск пометками на наклейке, чтобы не перепутать последовательность немаркированных томов. Для того чтобы узнать номер тома по метке на диске используйте пункт Свойства контекстного меню дисковода 3,5 (А:) в окне Мой компьютер. Номер тома можно узнать на вкладке Общие в поле Метка тома. В других Защита архивов выполняется с помощью пароля, который запрашивается при попытке просмотра, распаковки или изменения архива. Для наибольшей защиты архива используйте в пароле не только символы английского алфавита и цифры, но и русский алфавит.
К дополнительным функциям диспетчеров архивов относятся сервисные функции, делающие работу более удобной (порой требуется подключение дополнительных служебных программ): просмотр файлов различных форматов без извлечения их из архива; поиск файлов и данных внутри архива; установка программ из архивов и проверка отсутствия компьютерных вирусов в архиве без предварительной распаковки; криптографическая защита архивной информации; декодирование сообщений электронной почты; создание самораспаковывающихся многотомных архивов; выбор и настройка коэффициента сжатия информации и др.
Сжатие информации, компрессия, англ. data compression - алгоритмическое преобразование данных (кодирование), при котором за счет уменьшения их избыточности уменьшается их обьём.
Сжатие данных - процедура перекодирования данных, производимая с целью уменьшения их объёма. Применяется для более рационального использования устройств хранения и передачи данных.
Сжатие бывает без потерь (когда возможно восстановление исходных данных без искажений) или с потерями (восстановление возможно с искажениями, несущественными с точки зрения дальнейшего использования восстановленных данных). Сжатие без потерь обычно используется при обработке компьютерных программ и данных, реже - для сокращения объёма звуковой, фото- ивидеоинформации. Сжатие с потерями применяется для сокращения объёма звуковой, фото- и видеоинформации, оно значительно эффективнее сжатия без потерь.
Сжатие основано на устранении избыточности информации, содержащейся в исходных данных. Примером избыточности является повторение в тексте фрагментов (например, слов естественного или машинного языка). Подобная избыточность обычно устраняется заменой повторяющейся последовательности более коротким значением (кодом). Другой вид избыточности связан с тем, что некоторые значения в сжимаемых данных встречаются чаще других, при этом возможно заменять часто встречающиеся данные более короткими кодами, а редкие - более длинными (вероятностное сжатие). Сжатие данных, не обладающих свойством избыточности (например,случайный сигнал или шум, зашифрованная информация), невозможно без потерь.
Сжатие с потерями против сжатия без потерь
Преимущество методов сжатия с потерями над методами сжатия без потерь состоит в том, что первые существенно превосходят по степени сжатия, продолжая удовлетворять поставленным требованиям, а именно - искажения д.б. в допустимых пределах чувствительности человеческих органов.
Методы сжатия с потерями часто используются для сжатия аналоговых данных - чаще всего звука или изображений.
В таких случаях распакованный файл может очень сильно отличаться от оригинала на уровне сравнения «бит в бит», но практически неотличим для человеческого уха или глаза в большинстве практических применений.
Много методов фокусируются на особенностях строения органов чувств человека. Психоакустическая модель определяет то, как сильно звук может быть сжат без ухудшения воспринимаемого качества звука. Недостатки, причинённые сжатием с потерями, которые заметны для человеческого уха или глаза, известны как артефакты сжатия.
Звуковые данные, прошедшие сжатие с потерями, не принимаются судами как вещественные доказательства (и даже не берутся во внимание) [ источник? ] . по причине того, что информация, прошедшая сжатие, приобретает артефакты сжатия и теряет естественные шумы среды, из которой производилась запись, в связи с чем невозможно установить подлинная ли запись или синтезированная. Поэтому важные записи рекомендуется производить в формате ИКМ (PCM) или использовать плёночный диктофон. Фотографии, записанные в формате JPEG, могут быть приняты судом (несмотря на то, что данные прошли сжатие с потерями). Но при этом должен быть предоставлен фотоаппарат, которым они сделаны, или соответствующая фототаблица цветопередачи.
Команда NET DIAGS
Используется для интерактивной загрузки утилиты диагностики сети.
NET DIAGS -Утилита диагностики Personal NetWare (Network Diagnostics utility) позволяет отслеживать операции сети. Эта информация представляет в основном интерес для тех пользователей, которые хорошо понимают функции сети.
В частности, она позволяет просматривать и отслеживать дру- гие группы в сети, сравнивать трафик клиентов и серверов, сравни- вать использование серверов, информацию о диске клиента, просмат- ривать информацию о конфигурации, статистику по серверам и клиен- там, а также тестировать подключения сервера и клиента.
Утилита сетевой диагностики имеет версии для DOS и MS Win- dows, которые имеют аналогичные функции, однако некоторые средс- тва уникальны и имеются только в версии для DOS.
По умолчанию диагностика сети разрешается при ее инсталляции. Чтобы запретить или вновь разрешить ее после запрещения, используйте утилиту SETUP. Эта утилита автоматически добавляет в файл NET.CFG вашего компьютера команду VLM=NMR.VLM. При включении этой команды при запуске операционной системы автоматически запускается модуль Network Management Responder.
В Windows утилита сетевой диагностики имеет графический интерфейс. Для доступа к ней откройте в Program Manager группу Per- sonal NetWare и выберите пиктограмму Network Diagnostics. Выводится окно NetWork Diagnostics.
Версия для DOS имеет все диагностические средства, включенные в версию для Windows, а также некоторые дополнительные средства. Для доступа к ним наберите в ответ на системную подсказку команду:
PNWDIAGS
или
NET DIAGS
Выводится основное меню. Здесь дополнительное (отсутствующее в версии для Windows) средство Select Data позволяет просмотреть другую рабочую группу сети и управлять именами сетевых файлов не выходя из своей рабочей группы. Save LANalyzer Name File позволяет сохранять файлы, созданные с помощью Associate Network Names, как файлы, доступные для просмотра в LANalyzer for Windows.
Для просмотра активности другой рабочей группы выберите в основном меню Select a Workgroup и в выводимом списке рабочих групп задайте нужную. В списке могут выводиться не все рабочие группы. Для поиска нужной группы используйте команду NET WGFIND.
Для просмотра доступны все сегменты сети. Каждая сеть идентифицируется уникальным шестнадцатиричным номером. Для просмотра другой сети выберите в основном меню Select Data и в меню Data Selection Items пункт Select a Network. Выводится список доступных сетевых номеров. Выберите в нем нужную сеть, вернитесь в основное меню и выберите View Configuration. Вы увидите все компьютеры (узлы) сети, включая клиентов и серверы. Показывают только имена узлов. Associate Network Names option позволяет вывести их имена.
Для получения сетевых имен выберите в основном меню Select Data, а в меню Data Selection Items - Select a Network. Выберите сеть и Associate Network Names в меню Data Selection Items. Затем выберите в меню Network Names пункт Find Diagnostics User Names. Для просмотра имен, связанных с каждым узлом, вернитесь в основное меню и выберите View Configuration.
Информация о сетевом трафике позволяет вам выявить причины возникших проблем или перегрузки конкретного компьютера. Эту информацию вы можете получить с помощью Compare Data и Select No- des. В меню Compare Options выберите Traffic. Сетевой трафик будет выводиться для выбранных узлов. Для выхода нажмите Esc.
Просматривая информацию об использовании сервера Server uti- lization, вы можете видеть отношение обрабатываемых компьютером локальных запросов к удаленным и фактическое число обработанных сервером пакетов. Это помогает распределять системные ресурсы. Кроме этого вы можете видеть информацию о подключении, число открытых файлов и активность сервера. Для получения этой информации в меню Compare Options выберите Local/Remote Utilization или Ser- ver Utilization. F1 выводит справочный экран.
Выбор в меню Compare Options пунктов Resource Distribution или Resource Efficiency позволяет получить данные об использовании дисков. С помощью Select View Statistics вы можете выбрать нужные узлы сети и просмотреть статистику по ним, а Choose Test Connections выводит меню Connection Tests и дает возможность проверить связь между выбранными компьютерами сети (пункт Point to point) или все связи между всеми компьютерами.
