Категория: Windows: Здоровье
Принцип действия анализатора спектра параллельного (одновременного) действия поясняется рисунком.
Рис. 12. 1 Структурная схема анализатора спектра параллельного типа.
В состав анализатора входят следующие основные элементы:
· аттенюатор, предназначенный для согласования входного сопротивления анализатора с выходным сопротивлением источника сигнала и измерения уровня входного сигнала;
· полосовые фильтры с полосой пропускания, соответствующей определенному участку спектра исследуемого сигнала;
· детекторы, предназначенные для получения огибающего сигнала на выходах соответствующих полосовых фильтров;
· индикатор для отображения спектра исследуемого сигнала.
Такие анализаторы могут измерять спектры любых сигналов за короткое время, но из-за большого числа фильтров сложны при реализации и обладают большими габаритными размерами.
Принцип работы анализатора спектра последовательного типа с перестраиваемым фильтром состоит в выделении отдельных составляющих спектра исследуемого сигнала с помощью одного полосового фильтра путем перестройки его резонансной частоты.
Основными элементами такого прибора являются аттенюатор, перестраиваемый полосовой фильтр, детектор, индикатор, генератор линейно изменяющегося напряжения.
Рис. 12.1. Структурная схема анализатора с перестраиваемым фильтром.
В данной схеме закономерность изменения резонансной частоты полосового фильтра и напряжение развертки индикатора определяется одним устройством – ГЛИН, что обеспечивает своевременный вывод амплитуды соответствующей гармоники на горизонтальную линию индикатора. В таких анализаторах можно исследовать только сигналы, спектр которых за время анализа, т.е. за время перестройки фильтра в полосе обзора, не изменяется. Это периодически повторяющиеся сигналы. В анализаторах спектра с перестраиваемым полосовым фильтром снимается конструктивная избыточность, присущая анализаторам параллельного типа. Однако перестройка резонансной частоты полосового фильтра приводит к изменению его добротности, что в свою очередь приводит к изменению амплитуды отклика и полосы пропускания. Этот недостаток устраняется в гетеродинных системах с не перестраиваемым полосовым фильтром.
Принцип действия гетеродинного анализатора спектра последовательного типа состоит в выделении отдельных составляющих спектра таким образом, что в полосу пропускания полосового не перестраиваемого фильтра по очереди попадают спектральные составляющие с различными частотами. Это достигается введением в схему анализатора управляемого гетеродина, смесителя и усилителя промежуточной частоты. Кроме того, в состав схемы входят аттенюатор, ГЛИН, детектор, индикатор и калибратор, состоящий из генератора и модулятора.
Рис. 12.2 Структурная схема гетеродинного анализатора спектра.
Сигнал с аттенюатора поступает на смеситель и одновременно с ним на смеситель поступает сигнал с генератора качающейся частоты (гетеродина), частота которого изменяется во времени по линейному закону. Гетеродин настраивается таким образом, чтобы его средняя частота была близка к несущей частоте исследуемого сигнала. Линейная генерация по частоте осуществляется с помощью специального генератора пилообразного напряжения. Это напряжение поступает также в канал горизонтального отклонения индикатора, т.е. перестройка частоты гетеродина синхронизирована с движением пятна на экране ЭЛТ. Преобразованный сигнал с выхода смесителя усиливается в УПЧ. После детектирования выделенный сигнал поступает на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ, что позволяет представить горизонтальную ось ЭЛТ в частотном масштабе. Чем больше амплитуда выделенного в УПЧ сигнала (гармоники), тем больше отклонение луча в вертикальном направлении. Высота изображения линии на экране будет пропорциональна среднему значению мощности соответствующего участка спектра в полосе частот, пропускаемых УПЧ.
Данная схема анализатора представляет, по сути, комбинацию супергетеродинного приемника и электронного осциллографа. Супергетеродинный приемник при этом выполняет функции узкополосного автоматического перестраиваемого фильтра. Перестройка осуществляется за счет изменения частоты гетеродина, что эквивалентно перемещению спектра исследуемого сигнала по шкале частот относительно средней частоты настройки узкополосного фильтра. Благодаря синхронной работе гетеродина и разверток осциллографа на экране ЭЛТ можно наблюдать амплитудно-частотный спектр исследуемого сигнала.
При работе с данными приборами необходимо иметь в виду и учитывать наличие динамической составляющей погрешности. Если время переходного процесса в фильтре соизмеримо с временем изменения частоты колебаний на его входе в диапазоне, соответствующем полосе пропускания фильтра, то разрешающая способность анализатора будет ухудшаться и возникнут искажения изображения спектра. Для определения некоторых параметров спектра в анализаторе обычно предусматривают калибратор.
Цифровые анализаторы спектра (ЦАС). В настоящее время широко распространены цифровые методы анализа спектра, основой которых является преобразование исследуемого сигнала в цифровой код и вычисление составляющих спектра с помощью ЭВМ.
Цифровой анализатор со сжатием сигнала во временной области. В таких приборах при небольшом времени анализа за счет искусственного расширения спектра исследуемого сигнала удается обеспечить высокую разрешающую способность. Расширение спектра при этом реализуется в цифровой форме.
Суть положительного эффекта такого устройства можно пояснить на основе того, что если искусственно в n раз расширить спектр сигнала и во столько же раз увеличить полосу пропускания, то продолжительность анализа сократится во столько же раз при неизменной разрешающей способности. Принцип действия блока сжатия информации строится на предварительном преобразовании сигнала, поступающего на его вход. Из анализируемого сигнала берутся выборки мгновенных значений с частотой, определяемой теоремой Котельникова. С помощью АЦП они преобразуются в цифровой код и последовательно записываются в ЗУ. Записанный в ЗУ блок информации считывается, но со скоростью, значительно превышающей скорость записи (в десятки тысяч раз). Затем считанная информация преобразуется в аналоговую форму. Таким образом, получается сжатая во времени копия сигнала, которая может быть получена анализатором последовательного типа. Спектр сжатой копии и полоса пропускания анализирующего фильтра расширяются. Однако время анализа уменьшается во столько раз, во сколько длительность сжатой копии меньше длительности сигнала, записанного в ЗУ.
Анализаторы на цифровых фильтрах. Цифровые фильтры (ЦФ) выполняют операцию частотной фильтрации и позволяют получать при наличии управляющих воздействий различные АЧХ и ФЧХ, обеспечивая высокую стабильность параметров ЦФ, не нуждаются в подстройке.
Рис. 12.3 Блок сжатия во временной области.
Рис. 12.4 Структурная схема анализатора спектра на цифровых фильтрах.
ЦФ могут быть реализованы как аппаратными, так и программными средствами. Процедура фильтрации в ЦФ представляет собой определенный алгоритм обработки входного сигнала, в результате чего на выходе фильтра появляются новые цифровые коды, соответствующие результатам фильтрации.
Передаточная функция ЦФ может быть представлена в виде дискретного преобразования Лапласа. Коэффициенты передаточной функции определяют характеристики фильтра, для изменения которых достаточно задать другие значения некоторым коэффициентам, т е. занести в ячейки памяти новые числа.
Таким образом, результат фильтрации определяется формой анализируемого сигнала и параметрами АЧХ фильтра, зависящими от значений коэффициентов реализуемой передаточной функции фильтра.
Упрощенная схема анализатора спектра на цифровых фильтрах представлена на рисунке.
Рис. 12.5 Структурная схема анализатора спектра на основе БПФ.
Входной сигнал преобразуется в последовательность кодов, соответствующих числовым значениям сигнала в моменты выборки. Совокупность кодов с выхода ЦФ поступает на цифровой детектор, где рассчитывается среднеквадратическое значение напряжения. После усреднения данных спектр сигнала отображается на экране анализатора в виде спектральных полос.
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.
PAS Analysis Center v3.5Итак, 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.
4Pockets PocketRTA PC v1.0Данный 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.
Pinguin Audio Meter v2.2Этот 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.
Что такое анализатор спектра? С данным изделием вы никогда не столкнетесь в быту, это довольно специфический прибор, причем достаточно дорогой. В этой статье мы рассмотрим общее назначение и применение таких устройств. Если в двух словах, то анализатором спектра называют прибор, который можно охарактеризовать как частотно-избирательный вольтметр, который реагирует на амплитуду, он настроен таким образом, чтобы отображать среднеквадратичную величину синусоидальной волны. И это только в двух словах, на самом деле все гораздо сложнее и интереснее.
Важно понимать, что этот прибор не является измерителем мощности, даже несмотря на то что анализатором спектра можно напрямую отображать значение этого параметра. Если нам известно среднее или пиковое значение синусоидальной волны и величина сопротивления, то можно настроить прибор на отображение значения мощности. Благодаря развитию цифровых технологий современные анализаторы спектра обладают поистине широкими возможностями.
Чтобы понять назначение данного прибора, необходимо рассмотреть, что же измеряют анализатором спектра. Из названия прибора можно понять, что он служит для измерения спектра. А что это за характеристика? Спектр представляет собой набор волн синусоидальной формы, которые при определенных комбинациях способны дать рассматриваемый сигнал в разрезе временной области. В идеальном случае сигнал имеет вид одиночной классической синусоиды. На практике в частотной области с помощью анализатора спектра можно увидеть, что спектр сигнала состоит из двух волн и более, в нем может содержаться вторая гармоника и др. Во временной области легко можно измерить продолжительность фронта импульса и его спад, а также выбросы и биения сигнала. Измерения сигналов анализатором спектра в частотной области просто необходимо при конструировании схем беспроводной связи. Только с помощью этого прибора можно выявить и впоследствии устранить внеполосное и паразитное излучение. Как писалось выше, прибор позволяет выявить дополнительные гармоники сигнала, а этот параметр в радиопередающей аппаратуре имеет большое значение, потому как дополнительные гармоники могут попадать на занятые частоты и тем самым создавать помехи.
Также этот прибор выступает как анализатор звукового спектра. Что это значит? Иногда необходимо провести измерения шума, как обыкновенного сигнала. Любое устройство или активная цепь генерируют шум. Измерения коэффициента такого шума и отношение сигнал/шум являются важными характеристиками устройства и общим показателем системы.
Подводя итоги, скажем, что радиоконструкторам для проверки и отладки проектируемой аппаратуры просто необходим анализатор спектра. Цена такого устройства довольно существенна и колеблется в большом диапазоне. Например, один из самых простых приборов (Rigol DSA815) будет стоить около 50-60 тысяч рублей, а вот за профессиональный анализатор спектра (Agilent Technologies) придется заплатить 750-800 тысяч рублей. Радиолюбитель для своей домашней мастерской вряд ли станет покупать такой прибор, а вот фирмам или лабораториям предприятий, занимающихся разработкой радиоэлектронной техники, он просто необходим.
У каждого начинающего звукорежиссера в наборе плагинов обязательно должен присутствовать инструмент, как программный анализатор спектра. Анализатор спектра – это прибор в данном случае плагин, который служит для наблюдения и измерения относительного распределения энергии в полосе частот.
В чем плюсы? С помощью него можно увидеть частоты на отрисованном графике, которые из-за особенности нашего слухового аппарата просто не услышим, а именно тот набор частот, находящегося ниже 20 Гц и выше 20000 Гц (инфразвук и ультразвук ). Из-за своего присутствия в миксе они запросто могут перегрузить звуковоспроизводящую аппаратуру. Поэтому в результате применения данного прибора и фильтра можно миновать эти проблемы.
Вторым плюсом является то что, анализируя каждый инструмент возможно избежать конфликта между инструментами. Допустим имеется бас дорожка и дорожка с бочкой, среди таких инструментов запросто возникает конфликт, потому что они находятся в одном частотном диапазоне. Решается эта проблема с помощью анализатора спектра, он позволяет посмотреть основную частоту бочки, далее нужно найти эту частоту у баса и, прибрав её освободить место под бочку.
Понятно, что такое vst анализатор спектра и какое его назначение. Теперь возникает вопрос какие существуют? В связи с тем, что работа проводится с программным обеспечением, то будем использовать виртуальные. Их существует достаточно много, они могут быть встроенные в сам секвенсор или аудиоредактор, а также выпускаться сторонними производителями.
При сведении и мастеринге удобнее, конечно же использовать, которые работают в реальном времени. Перепробовав множество остановился на трех: Waves PAZ Analyzer, Elemental Audio Inspector и VoxengoSPAN.
Waves PAZ Analyzer
Один из любимых анализаторов. Отличный дизайн, небольшая нагрузка на центральный процессор, в VST3 линии более мягкие, имеется возможность просматривать значения rms и peak, минус только в том, что платный.
Elemental Audio Inspector XL
Отличный инструмент для спектрально анализа. Удобный интерфейс, небольшая нагрузка на центральный процессор, три варианта спектрального анализа, минус в том, что платный.
VoxengoSPAN
Вы спросите, почему я не рассмотрел в этой статье другие? Ответ мой прост в большинстве из них очень сильная нагрузка на центральный процессор или высокая цена. Так же можете посмотреть плагины от таких производителей как Blue Cat’s, NuGen Audio и т. д. выбор за вами.
Как, с помощью чего можно получить частотные спектры аудио файла?
Получить спектр трека или просто проверить качественные характеристики аудио файла можно с помощью различных программ.
Настройки спектрограммы по-настоящему инженерные: можно выбирать глубину нахлёста окон, шкалы просмотра и способы отбора значений бинов, очень удобна навигация. Отдельно нужно отметить высокую скорость прорисовки и расчёта спектра.
К официальной информации, пожалуй нужно добавить: уверенно работает на win7 x64, не требует установки (выполнена в виде единого запускаемого файла), имеет полностью русскоязычный интерфейс и не оставляет програмных файлов в папках с проверяемым аудио материалом.
Работа с Sonic Visualiser
Скачиваем программу с официального сайта. кладем в удобное место и отправляем ярлык на рабочий стол. Все, можно приступать к работе.
Затягиваем мышкой исследуемый файл на ярлык программы и видим:
Можно затащить файл мышкой в окно программы или открыть через окно импорта: Файл > Импортировать звуковой файл
Убираем ненужную нам Панель Свойств: Вид > Показывать панели свойств
Теперь переходим непосредственно к спектру: Окно > Добавить спектрограмму > Все каналы сведены
Можно выбрать просмотр спектра по каждому каналу в отдельности.
Растягиваем окно спектра на всю ширину.
В правой нижней части окна имеются колеса масштабирования: вертикальное - для шкалы частот, горизонтальное для шкалы времени.
Удобно воспоьзоваться инструментом Измеритель, для получения более точных данных.
На практике, особенно в диапазоне радиочастот, широко используют прибор, называемый анализатором спектра. Это устройство формирует изображение на осциллографе в координатах XY, причем координата Y представляет интенсивность сигнала (обычно используется логарифмический масштаб, т. е. децибеллы), а координата X служит для представления частоты. Иначе говоря, анализатор спектра позволяет рассматривать частотную область и строить график зависимости значения входного сигнала от частот. Можно также считать, что производится разложение входного колебания на гармонические составляющие (если вы имеете представление о таком разложении), или можно рассматривать график как отклик, который получается при настройке высококачественного приемника (имеет широкий динамический диапазон, высокую стабильность и чувствительность) в частотном диапазоне. Эта возможность очень полезна при анализе модулированных сигналов, изучении результатов взаимной модуляции составляющих сложных сигналов и искажений, анализе шума и сдвигов, при точных измерениях частоты слабых сигналов в присутствии более сильных сигналов и при выполнении множества других измерений.
Существуют две основные разновидности анализаторов спектра: с разверткой частоты и с реальным масштабом времени. Анализаторы с разверткой частоты распространены наиболее широко, и принцип их работы иллюстрирует рис. 15.43. Схема представляет собой аналог супергетеродинного приемника (см. разд. 13.16) с локальным генератором (ЛГ), для развертки которого используется пилообразное колебание, сгенерированное внутри схемы. По мере того как производится развертка частоты ЛГ, результаты ее смешения с различными входными частотами поступают на усилитель ПЧ и затем на фильтр. Например, представим, что для анализатора спектра промежуточная частота составляет 200 МГц, а частоту ЛГ можно разворачивать в диапазоне от 200 до 300 МГц. Когда частота ЛГ равна 210 МГц, входной сигнал с частотой 10 МГц ширина полосы пропускания фильтра ПЧ) проходит на детектор и создает напряжение вертикального отклонения на осциллографе. Сигналы с частотой 410 МГц (с «зеркальной» частотой) также будут проходить через эту цепочку, поэтому на входе установлен фильтр НЧ. В любой момент времени детектируются входные частоты, лежащие ниже частоты ЛГ на 200 МГц.
Рис. 15.43. Анализатор спектра на основе локального генератора с разверткой.
Реальные анализаторы спектра обладают большой гибкостью в отношении частоты развертки, центральной частоты, ширины полосы пропускания фильтра, масштаба изображения и т. д. Обычно диапазон входной частоты охватывает значения от герц до гигагерц, а избираемая полоса частот может иметь ширину от герц до мегагерц. Кроме того, в сложных современных анализаторах спектра предусмотрены такие возможности, как калибровка амплитуды, запоминание спектров для предотвращения мерцания при развертке, дополнительная память для выполнения сравнения и нормализации и отображение на экране цифровой информации. Эти замечательные анализаторы спектра позволяют рассматривать изменение фазы относительно частоты, формировать частотные маркеры, программировать работу от микропроцессорной шины IEEE 488, а также включать следящие генераторы (для работы в увеличенном динамическом диапазоне), выполнять прецизионные измерения частоты в спектре, генерировать напряжения шумов для возбуждения исследуемых систем и даже выполнять усреднение сигнала (что особенно полезно при наличии шума).
Отметим, что анализатор спектра с разверткой частоты рассматривает в каждый момент времени только одну частоту и генерирует полный спектр путем развертки во времени. Иногда это может создавать большие неудобства, например при исследовании переходных процессов. Кроме того, при работе с узкой полосой пропускания скорость развертки должна быть небольшой. И наконец, в каждый момент времени используется только небольшая часть входного сигнала.
Эти недостатки анализаторов спектра с разверткой частоты устранены в анализаторах спектра, работающих в реальном времени. Здесь также существует несколько подходов. Один громоздкий метод основан на использовании набора узкополосных фильтров, которые позволяют выделять различные частоты диапазона одновременно. В последнее время большую популярность приобретают сложные анализаторы, основанные на методах цифрового анализа Фурье (в частности, используется известное быстрое преобразование Фурье). Эти приборы преобразуют аналоговый входной сигнал (после смешения и других процедур) в числа с помощью быстродействующего аналого-цифрового преобразователя. Затем специализированная вычислительная машина осуществляет соответствующие операции и формирует цифровой частотный спектр. Этот метод позволяет обрабатывать все частоты одновременно, в связи с этим он обладает очень высокой чувствительностью и высоким быстродействием и его можно использовать для анализа переходных процессов. Он особенно полезен при анализе тех сигналов, для которых быстродействие анализаторов спектра с разверткой частоты оказывается слишком низким. Кроме того, он позволяет выделить корреляцию между сигналами.
Рис. 15.44. Спектры, полученные с помощью анализатора спектра.
В связи с тем что результаты представляются в цифровом виде, естественно в полной мере использовать усреднение сигналов, и эта возможность заложена в некоторых приборах, предназначенных для широкого применения.
Следует отметить, что цифровые анализаторы спектра имеют ограничения по скорости вычислений и обладают гораздо более узкой полосой пропускания, чем радиочастотные анализаторы спектра (ЛГ с разверткой частоты). Например, популярный анализатор типа фирмы HP работает на частотах от до . Конечно, можно сделать так, чтобы анализатор работал с полосой , отцентрированной на более высокой частоте - преобразование этой полосы к более низкой частоте выполняется с помощью гетеродина.
В некоторых анализаторах спектра, работающих в реальном времени, используют так называемое импульсное . Для этого метода в анализаторе с разверткой (рис. 15.43) полосовой фильтр ПЧ заменяют диспергирующим фильтром (в котором время задержки пропорционально частоте). При согласовании скорости развертки ЛГ с дисперсией фильтра на выходе будет получена картина, очень похожая на ту, которую дает спектроанализатор с разверткой на -линейная развертка частоты по времени. Однако в отличие от анализатора с разверткой эта схема собирает сигналы по всей ширине полосы пропускания. Еще один интересный пример анализатора спектра, работающего в реальном времени, представляет собой ячейка Брэгга (или «акустико-оптический ), в которой сигнал промежуточной частоты используется для генерации акустических колебаний в прозрачном кристалле. Эти деформации дифрагируют лазерный луч и формируют частотный спектр в реальном масштабе времени в виде зависимости интенсивности света от местоположения. Схему анализатора завершает решетка фотодетекторов на выходе. Брэгговские спектрометры используют в радиоастрономии. Типовой прибор имеет полосу пропускания шириной , которая распределяется по 16000 каналам, ширина полосы пропускания каждого составляет . При выборе типа анализатора спектра следует решить, какие параметры имеют для вас решающее значение - ширина полосы пропускания, разрешающая способность, линейность или динамический диапазон.
На рис. 15.44 представлены радиочастотные спектры, полученные с помощью анализатора спектра, который должен понравиться тем, кто имеет дело с частотами выше 1 МГц.
Четыре первых спектра представляют генераторы: а формирует чистые синусоидальные колебания, б имеет искажения (на что указывают гармонические колебания, в характеризуется наличием шумов по краям спектра и г обладает некоторой частотной нестабильностью (дрейфовая или остаточная ЧМ). Можно измерить составляющие внутренней модуляции, как на примере д, где частоты внутренней модуляции второго, третьего и четвертого порядка видны на выходе усилителя, на которой подается тестовый «двухтоновый» сигнал, состоящий из чистых синусоидальных колебаний с частотами и . И наконец, пример е иллюстрирует необычное поведение смесителя с двойной балансировкой; наблюдается наводка как от ЛГ, так и от входного сигнала, помимо того, сказывается искажение на частотах Этот спектр на самом деле может характеризовать вполне приемлемую работу смесителя в зависимости от масштаба, выбранного для вертикальной оси. Анализаторы спектра разрабатывают с очень большим динамическим диапазоном (составляющие внутренних искажений ослабляются на 70 дБ, а при наличии предварительной избирательной схемы - на 100 дБ), благодаря чему можно наблюдать недостатки даже очень хороших схем.
Пример на рис. 15.44 показывает, что произойдет, если слишком быстро производить развертку ЛГ в анализаторе с разверткой. Если развертка ЛГ такова, что сигнал проходит через полосу пропускания фильтра за более короткое время, чем , то его частотный спектр расширится примерно на .
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.
Зачем анализировать спектр?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.
Полосовые спектроанализаторыПервые 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 ФурьеПреобразование 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 Xk и фазами φk . Частоты этих синусоид равны kF/N. где F – частота дискретизации сигнала, а N – число отсчётов исходного сигнала x (n ) на анализируемом интервале. Набор коэффициентов Xk 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-анализаторыFFT (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 Xk . 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 .
Весовые окнаОдин 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.