오디오 분석기
Audio analyzer오디오 분석기는 전자 및 전기 음향 장치의 오디오 성능을 객관적으로 계량하기 위해 사용되는 시험 및 측정 기구다. 오디오 품질 지표는 레벨, 게인, 노이즈, 고조파 및 상호변조 왜곡, 주파수 응답, 신호의 상대 위상, 채널 간 크로스스토크 등을 포함한 다양한 매개변수를 다룬다. 또한 많은 제조업체는 특정한 시험과 확인이 필요한 오디오 장치의 동작과 연결에 대한 요구사항을 가지고 있다.
오디오 분석은 시험 대상 장치가 알려진 특성의 자극 신호를 수신해야 하며, 출력 신호(반응)는 특정 측정에서 표현되는 차이를 결정하기 위해 분석기에 의해 비교될 수 있다. 이 신호는 분석기 자체에 의해 생성되거나 제어되거나 원하는 측정과 관련된 특성이 정의되는 한 다른 소스(예: 기록)에서 발생할 수 있다.
시험 및 측정 장비로서 오디오 분석기는 시험 대상의 일반적인 장치(DUT)를 훨씬 뛰어넘는 성능을 제공해야 한다. 고품질 오디오 분석기는 가치 있는 것으로 간주되기 위해 소음, 왜곡 및 간섭 수준을 현저히 낮음을 입증해야 하며, 엔지니어와 설계자가 신뢰할 수 있도록 일관되고 신뢰할 수 있어야 한다. 예를 들어 상용 CD 플레이어는 1kHz에서 약 -98dB의 총 고조파 왜곡 + 노이즈(THD+N) 비율을 달성할 수 있지만, 고품질 오디오 분석기는 -121dB의 낮은 THD+N을 나타낼 수 있다(이것은 오디오 정밀도 APx555의 지정된 일반적인 성능이다).
오디오 분석기는 제품의 개발과 생산에 모두 사용된다. 설계 엔지니어는 제품 성능을 이해하고 개선할 때 매우 유용하다는 것을 알게 되며, 생산 엔지니어는 단위가 규격을 충족하는지 신속하게 확인하기 위한 테스트를 수행하기를 원할 것이다. 매우 자주 오디오 분석기는 이 두 가지 사례 중 하나에 최적화된다.
현재 인기 있는 오디오 분석기 모델로는 APx585 및 APx555(오디오 정밀도), dScope M1 및 Series III(스펙트럼 측정, 이전 프리즘 사운드), U8903A(애질런트), UPP 및 UPV 분석기(로데 & 슈바르츠)가 있다.
역사
오디오 테스트에 사용된 가장 초기 신뢰할 수 있는 소스 중 하나는 HP200A 오디오 오실레이터인 Hewlett-Packard가 1939년에 만든 첫 번째 제품이었다. HP200A의 영리하고 저렴한 설계 덕분에 테스터는 시험에 사용될 수 있는 매우 높은 품질의 낮은 왜곡 사인파를 생성할 수 있었다. 이는 1941년 회사가 HP320A와 HP320B 왜곡 분석기를 도입한 데 이은 것이다.
이러한 초기 분석기들은 총 고조파 왜곡과 노이즈 조합만을 판단할 수 있었고, DUT의 출력에서 자극 신호의 기본 주파수를 제거하기 위해 가파른 노치 필터를 채택하여 작동했다. 나머지 신호는 AC 전압으로 측정되었고, 따라서 총 노이즈 및 왜곡을 최소 0.1%까지 수동으로 계산할 수 있었다.
HP, Wandell &, Goltermann, 래드 퍼드, 마르코니, 음향 기술, 그리고 호박에서 후속 제품은 1950년대에서 1970년대까지 쭉 측정 능력을 개선하고자 하지만, 사용의 모델 비교적 일정하게 남았습니다, 장비의 신호 발생기 자동이 별도의 조각들, 그리고 시험은 하나씩의 세심한 튜닝 관련된 계속했다.기술력이 뛰어난 사람 이것은 1980년에 수준 설정, 주파수 튜닝 및 무효화 과정을 자동화한 Tektronix AA501 왜곡 분석기의 도입으로 바뀌었다. 이와 함께 휴렛팩커드는 고품질 신호 발생기와 분석기를 단일 장치에 결합한 인기 HP8903B를 선보였다.
80년대 중반까지, 텔트로닉스는 오디오 테스트 장비의 생산을 중단했고, 1984년에 AA501을 개발한 팀원들은 오디오 정밀도를 시작했다. 최초의 오디오 정밀도 제품은 시스템 원(System One)으로, 통합 발생기와 분석기를 연결된 PC와 결합해 테스트 절차를 완전히 자동화하고 당시 다른 제품에서 사용하던 단순한 마이크로프로세서보다 훨씬 높은 수준의 연산력을 제공한다. PC의 새로운 사용은 높은 수준의 사용자 지정 자동화를 가능하게 했고 결과의 시각적 표시를 근본적으로 다르게 할 수 있게 했다.
PC 기술과 오디오 분석기의 결합은 프리즘 사운드(dScope), 로데와 슈바르츠(UPL), 스탠퍼드 리서치(SR1) 등이 채택했다. 사용 가능한 PC의 성능이 증가함에 따라, 오디오 분석기에 의해 내부적으로 수행되는 측정에서 FFT(Fast Fourier Transform) 계산을 수행하는 연결된 PC에서 실행되는 애플리케이션으로 측정 자체가 마이그레이션되어 많은 결과의 유연성과 분해능이 크게 향상되었다.
아날로그 외에도 오늘날 오디오 분석기는 여러 가지 다른 유형의 디지털 I/O에서 오디오 신호를 생성하고 측정할 수 있는 경우가 많다. For example, the Rohde and Schwarz UPP offers AES/EBU, S/PDIF, I²S and HDMI options; the Audio Precision APx500 Series analyzers support AES/EBU, S/PDIF, I²S, HDMI, PDM (Pulse Density Modulation), and Bluetooth radio, and are fully DSP based.
블록 다이어그램 및 작동
최신 오디오 분석기는 다음과 같이 구성된다.
- 아날로그와 디지털 모두 DUT에 자극을 제공하는 오디오 생성기.
- 아날로그 및 디지털 DUT에서 응답을 수신하고 분석을 위해 적절한 신호(아날로그 또는 디지털)로 변환하는 오디오 입력 단계
- 응답을 필터링하고 측정 결과를 계산하는 신호 분석기(일반적으로 현대의 솔루션에 연결되거나 내장된 PC)
- 사용자에게 출력하는 형식(디스플레이, 보고서 등)
폐쇄 루프 테스트에서 분석 엔진은 아래와 같이 DUT 출력을 동시에 측정하면서 오디오 발생기를 제어한다.
신호 분석기는 오디오 발생기와 오디오 입력 단계 모두에 제어 기능을 제공하여 테스트 조건이 충족되도록 보장할 수 있다. 이것은 또한 DUT의 자극과 반응 사이의 정확한 시간 관계를 결정할 수 있다.
오픈 루프 테스트에서 신호 분석기는 DUT를 구동하는 오디오 소스를 제어할 수 없으므로 사용자는 소스가 적절한 특성의 신호를 제공하는지 확인해야 한다. 개방형 루프 테스트는 CD나 MP3 플레이어와 같이 직접 신호 입력이 없는 DUT를 측정하는 데 유용하다.
전기 음향 장치
확성기, 마이크 등 전기음향 장치는 공기를 통해 신호를 수신하거나 전송해야 하기 때문에 분석에 특별한 문제가 있다. 이 경우 위에 표시된 모델의 DUT는 확성기, 확성기, 측정 마이크 및 마이크 프리앰프를 구동하는 파워앰프 등 완전한 전기기계 시스템으로 교체해야 한다. 시험 중인 실제 장치는 이 시스템의 다른 장치가 완전히 특성화된 경우에만 측정할 수 있으므로 이러한 장치의 기여도를 반응에서 뺄 수 있다. 현대의 많은 오디오 분석기들은 이 절차를 자동화하는 측정 시퀀스를 포함하고 있으며, 최근 개발의 초점은 준 무반향 측정에 맞춰져 있다. 이러한 기법을 통해 무반향실(Anechoic chamber)이 필요 없이 비이상적(소음) 환경에서 확성기를 특성화할 수 있어 대량 생산 라인 제조에 이상적으로 적합하다. 대부분의 준 무반향 측정은 로그 스케일에 주파수가 쓸리는 사인파에서 생성된 임펄스 응답을 기반으로 하며, 음향 반사를 제거하기 위해 윈도우 기능을 적용한다. 로그 스윕 사인 방식은 신호 대 잡음 비를 증가시키고, 이전에는 MLS(Maximum Length Sequence)와 같은 기존 분석 기법으로는 불가능한 나이키스트 주파수까지 개별 왜곡 고조파 측정을 허용한다.
오디오 생성기
시험과 측정에 적합한 오디오 발생기는 아날로그 자극과 디지털 자극 모두에 적용되는 몇 가지 기준을 충족해야 한다.
- 다양한 파형 유형 생성 기능
- 사인
- 사각형
- 멀티톤(동시 사인파의 그룹)
- 스위프(지정된 주파수 간에 연속적으로 이동)
- 표준 인터 변조 파형(SMPTE, DIN, DFD, DIM)
- 임의 파형
- 극도로 낮은 잔류 변형 및 소음
- 충분한 진폭 범위
- 충분한 주파수 범위
- 진폭의 매우 높은 정확도
- 극히 높은 주파수 정확도
- 조정 가능하고 정확한 소스 임피던스
- 균형/균형하지 않은 출력 옵션(아날로그)
- AC 및 DC 커플링
또한 발전기는 DUT에 제시된 자극의 정확한 주파수 범위와 진폭을 정의할 수 있다. 이는 DUT 특성에 따라 시험 조건을 정렬할 때 매우 중요하다.
신호 분석기
통합형 오디오 분석기가 도입되기 전에는 오디오 생성기와 오디오 분석기가 별도의 장비였다. 이 글에서 신호 분석기는 실제 측정을 실행하는 현대 오디오 분석기의 요소를 가리킨다.
아날로그 회로, DSP(디지털 신호 처리) 또는 FFT에서 실현되었든 간에 분석기 엔진은 다음과 같은 고정밀 구현을 제공해야 한다.
대부분의 현대적인 계측기는 디지털 기반이기 때문에 FFT 기반 계산을 사용하여 신호 분석을 자주 수행하므로 단일 테스트 패스로 많은 결과를 계산할 수 있다.
이러한 측정 결과는 보고되는 특정 측정에 따라 분석기에 의해 전압, dB, dB, dBu, SPL, 옴, 상대 비율 등 다양한 표준 단위와 형식을 사용하여 판독 가능한 데이터로 처리된다. 파생된 결과는 몇 가지 주요 결과를 계산된 결과에 결합함으로써 달성된다.
측정 및 결과
오디오 분석기는 많은 유형의 파라미터를 측정할 수 있다. 기본 측정값은 다음과 같다.
- 레벨과 이득: 레벨은 신호의 크기를 설명하며 절대적 또는 상대적 용어로 표현될 수 있다. 공통 절대 단위는 전압, 와트, dBV 및 dBu일 수 있으며, 상대 측정은 dB로 가장 일반적으로 표현된다. 레벨은 피크 측정 또는 RMS 측정으로도 조절할 수 있다. 게인은 DUT 출력의 신호 레벨을 입력의 신호 레벨로 나눈 비율이며, 일반적으로 dB로 표현된다.
- 주파수 응답: 주파수의 함수로서 DUT의 출력 레벨을 측정한다. 레벨은 위와 동일한 단위로 표시되며, 일반적으로 dBV 및 dBu이다.
- 총 고조파 왜곡 플러스 노이즈(THD+N): 고조파 왜곡 제품은 자극 주파수의 배수인 반면, 노이즈는 입력 신호와 수학적으로 무관한 에너지다. 신호 결과 THD+N은 자극에 포함되지 않은 DUT 응답의 모든 신호 함량으로 간주할 수 있다.
- 신호 대 잡음 비(SNR): DUT에서 발생하는 원치 않는 노이즈 대비 원하는 신호의 비율(dB).
- 크로스스토크: DUT의 다른 오디오 채널에 나타나는 한 오디오 채널의 신호의 원치 않는 존재. 이것은 비율이기 때문에 dB로 표현된다.
- 위상: 신호 주기의 일부로 표현되는 동일한 주파수의 두 신호 사이의 시간 관계. 이것은 보통 각도로 표현되는데, 한 번의 사인파 신호의 완전한 사이클은 360도 이다.
- 상호변조 왜곡(IMD): 두 개 이상의 신호, 즉 일반적으로 서로 다른 주파수에서 두 개의 사인파 또는 사인파와 사각파의 합을 비선형 혼합하여 발생하는 왜곡. 주파수의 조화 배수에서의 왜곡 생산물 외에도, 제품은 총량의 배와 원래 주파수의 차이에서도 발견된다.
- 시간 영역 디스플레이: 신호의 오실로스코프 디스플레이와 동일하며, 시간의 함수로 순간 진폭을 보여준다.
