ANTI-ALIASING-FILTER, was ist das?


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ANTI-ALIASING-FILTER, was ist das?

Anti-Aliasing Filters

Ein Anti-Aliasing-Filter ist ein Tiefpassfilter (LPF), das auf den ADC-Eingang angewendet wird, um die Qualität der Signalabtastung zu verbessern. Wenn F d die Abtastfrequenz des ADC ist, ist die Grenzfrequenz des Anti-Alias-Tiefpassfilters ungefähr gleich der Hälfte von 0,5 * F d. Das Unterdrücken von Signalfrequenzen über der Hälfte der ADC-Abtastrate eliminiert den Effekt des Aliasing auf das Signal oder eliminiert, wie es in der klassischen DSP-Literatur allgemein genannt wird, den Effekt des Aliasing. Das Anti-Folding-Filter liefert tatsächlich die spektrale Wiedergabetreue der ADC-Konvertierung, ausgenommen die Seitentöne der Signal-Konvertierungs-Artefakte (um die Terminologie der Tonanwendung zu verwenden).

Antialiasing Filter

Abbildung 1 zeigt einen typischen Frequenzgang (im Frequenzbereich 0 bis F d) eines Audio-ADCs hoher Qualität. Hier wird das Signal mit der maximal möglichen Amplitude für einen gegebenen ADC-Eingang als Null Dezibel angenommen. Dieser Frequenzgang wird durch ein mehrstufiges System digitaler Filter in der Sigma-Delta-ADC-Architektur bereitgestellt, die mit einer hohen Modulatorfrequenz (um ein Vielfaches höher als F d) arbeiten. In Kombination mit digitalen Filtern (falls vorhanden) werden analoge Filter mit einer deutlich geringeren Steigung des Frequenzgangs verwendet, um die Unterdrückung hoher Frequenzen im Eingangspfad des ADC zu gewährleisten.

Der ADC mit Anti-Aliasing-Filter wird in Schall-, Akustik- und Vibrometrieanwendungen in Bereichen eingesetzt, in denen die Genauigkeit der spektralen Umwandlung und die maximale Genauigkeit von Wechselstrommessungen wichtig sind. Im Fall des obigen Frequenzgangs des Wandlers ist die höchste Wandlungsqualität garantiert, wenn das effektive Frequenzband des Signals mit einem kleinen Spielraum dem Frequenzband 0 bis 0,5 * F d entspricht. In diesem Fall wird das Optimum in Bezug auf Signal-Rausch- und Signal-Rausch-Verhältnisse erreicht, selbst weil die Spiegelumwandlungsfrequenzen unterdrückt werden (wenn eine Unterdrückung von Frequenzen über F d vorgesehen ist).

Bei der Vibrometrie, bei der Phasenverzögerungen gemessen werden, wird dem gesamten ADC-Wandlungspfad einschließlich des Anti-Aliasing-Filters eine zusätzliche Anforderung an die Linearität des Phasenfrequenzgangs auferlegt.

Im System der linearen Terme – nichtlineare Effekte des Messpfads – kann argumentiert werden, dass der Anti-Aliasing-Filter den Einfluss der nichtlinearen Effekte der ADC-Abtastoperation drastisch reduziert, wodurch die Abtastoperation zu einer Transformation wird. fast linear (wenn wir mögliche Nichtlinearitätsfaktoren unterschiedlicher Art nicht berücksichtigen, z. B. mögliche Nichtlinearität in den ADC-Quantisierungsstufen).

Es kann jedoch nicht argumentiert werden, dass das Vorhandensein eines Anti-Aliasing-Filters im ADC-Konvertierungspfad für alle Digitalisierungsaufgaben für physikalische Signale akzeptabel ist. Ein spezieller Strobe-Betriebsmodus ist beispielsweise nur für einen ADC ohne Anti-Aliasing-Filter (z. B. einen SAR-ADC) möglich, bei dem die obere Durchlassbandfrequenz deutlich höher als die Hälfte der Frequenz von ist Probenahme. Ein weiteres Beispiel: Wenn digitalisierte gepulste Signale mit schnellen Abfällen mit einer Signalspektrumbreite digitalisiert werden, die die Bandbreite eines ADC mit einem Anti-Aliasing-Filter überschreitet, ist eine verlängerte Oszillationsnatur der Filterantwort auf schnelle Signalabfälle möglich. und solche Reaktionen werden nicht für alle gelösten Probleme akzeptabel sein.

Beachten Sie für eine korrekte Interpretation des Begriffs Folgendes:

In der Fachliteratur gibt es auch einen physikalisch ähnlichen Antialiasing-Begriff, der auf dem Gebiet der Bildverarbeitung verwendet wird. Bei Messproblemen (bei der Signalverarbeitung) ist es jedoch korrekter, den in GOST R 8.714-2010 und GOST R verwendeten Begriff Antialiasing-Filter zu verwenden ISO 13373-2-2009.
In der Fachliteratur zu eingebauten Sigma-Delta-ADCs wird ein Anti-Aliasing-Filter häufig als externes analoges Hochfrequenz-Tiefpassfilter bezeichnet, während diese eingebauten ADCs in den Zonen häufig einen ausgeprägten Anti-Aliasing-Frequenzgang bieten Niederfrequenz.
Wenn in den Handbüchern der ADC 2-Module über das Vorhandensein eines Anti-Aliasing-Filters gesprochen wird, wird impliziert, dass das Modul einen entsprechenden Anti-Aliasing-Frequenzgang hat, der durch den Frequenzgang von bereitgestellt wird den gesamten Messpfad des Moduls unter Berücksichtigung des Frequenzgangs seines analogen Pfads, integrierter ADCs, digitaler Filter auf dem ADC-Modul (z. B. auf FPGAs) und Filtern auf der “höheren” Softwareebene, falls enthalten in der mitgelieferten Software.
Wir erwähnen auch mögliche Implementierungen externer Anti-Aliasing-Filter in Bezug auf AD-Module


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SOUNDQUALITÄT: EIN NEUER ANSATZ FÜR HARDWARE-TESTEN

SOUNDQUALITÄT: EIN NEUER ANSATZ FÜR HARDWARE-TESTEN

Audio Equipment Quality

Wir alle wissen genau, dass die Auswahl der Audiogeräte nicht einfach ist, da sich selbst innerhalb derselben Preiskategorie verschiedene Modelle im Klang deutlich unterscheiden. Jetzt wundert sich niemand mehr darüber, dass ein Verbraucher vor dem Kauf einer Audiokomponente neben Passdaten auch die Meinung eines kompetenten Experten dazu wissen möchte und sogar schüchtern versucht, deren Klang selbst zu “schmecken”.

AUDIO EQUIPMENT QUALITY

Warum müssen Geräte “verkostet” werden, während die meisten Industrieprodukte wie Bügeleisen, Glühbirnen und Kühlschränke nicht “verkostet” werden müssen? Es würde niemandem in den Sinn kommen, den Verkäufer zu bitten, ein Gutachten über die Qualität des Bügelns mit einem neuen Eisenmodell abzugeben. Es reicht aus, wenn Sie wissen, wie viel Energie es verbraucht, wie viel es wiegt und welchen Komfort es bietet. Denken wir jedoch daran, dass die Hersteller von HiFi-Geräten in den frühen 1970er Jahren, die absichtlich versuchten, eine Analogie zwischen Audiogeräten und Platten zu ziehen, aktiv eine Reihe technischer Anforderungen an die Herren in die Köpfe der Verbraucher einführten [ 1] die angeblich eine hohe Klangqualität der Geräte garantieren. Hersteller von Audiogeräten, die sich nur auf objektive Parameter stützten, wurden bereits als Objektivisten bezeichnet – Ende der 1970er Jahre erwartete sie Enttäuschungen. Das Verkaufsvolumen der von ihnen hergestellten Geräte begann stetig zu sinken, und dies trotz der Tatsache, dass sich die objektiven Parameter ständig verbesserten. Dieser Trend kann als Zielparameterinflation bezeichnet werden. Die Inflation wurde in der Tatsache ausgedrückt, dass die Anzahl der Nullen nach dem Dezimalpunkt in den Werten der harmonischen Verzerrung, des Intermodulationsverzerrungskoeffizienten, der Ungleichmäßigkeit des Frequenzgangs, der Ausgangsimpedanz des Verstärkers usw. wuchs, während sich die Klangqualität von Audiogeräten nicht nur nicht verbesserte, sondern sich auch erheblich verschlechterte. Diese Verschlechterung gab der Massenbewegung der Subjektivisten Impulse. Ihr Motto lautete: “Wenn es Widersprüche zwischen objektiven Parametern und subjektiven Bewertungen gibt, sollten die Ergebnisse objektiver Messungen nicht berücksichtigt werden” [2]. Es waren die Subjektivisten, die die Audio-Design-Ingenieure herausforderten: “Die physikalischen Effekte, die die Klangqualität von Verstärkern verschlechtern, werden bei objektiven Messungen nicht erkannt, da sie der orthodoxen Ingenieurwissenschaft nicht bekannt sind.” * 1 Solche Aussagen überraschten viele “Old School” -Audioingenieure. Auf den Seiten der Zeitungen kam es zu heftigen Kontroversen. Diese Kontroverse wurde von Paul Messenger im September 1976 * Hi-Fi News gestartet. Er gab nach heutigen Maßstäben eine ziemlich gewichtete Aussage ab, dass die Bewertung der Qualität von Audiogeräten in Zukunft fast vollständig subjektiv sein wird und dass die auditive Wahrnehmung zwar versagt, aber dennoch das empfindlichste Instrument zur Bewertung von Schall ist. . Solche Aussagen überraschten viele “Old School” -Audioingenieure. Auf den Seiten der Zeitungen kam es zu heftigen Kontroversen. Diese Kontroverse wurde von Paul Messenger im September 1976 * Hi-Fi News gestartet. Er gab nach heutigen Maßstäben eine ziemlich gewichtete Aussage ab, dass die Bewertung der Qualität von Audiogeräten in Zukunft fast vollständig subjektiv sein wird und dass die auditive Wahrnehmung zwar versagt, aber dennoch das empfindlichste Instrument zur Bewertung von Schall ist. . Solche Aussagen überraschten viele “Old School” -Audioingenieure. Auf den Seiten der Zeitungen kam es zu heftigen Kontroversen. Diese Kontroverse wurde von Paul Messenger im September 1976 * Hi-Fi News gestartet. Er gab nach heutigen Maßstäben eine ziemlich gewichtete Aussage ab, dass die Bewertung der Qualität von Audiogeräten in Zukunft fast vollständig subjektiv sein wird und dass die auditive Wahrnehmung zwar versagt, aber dennoch das empfindlichste Instrument zur Bewertung von Schall ist. .
Der Sieg der Subjektivisten über die Objektivisten wurde offensichtlich. Zum Gedenken an diesen Sieg wurde die hochwertigste und teuerste Ausrüstung als “High End” bezeichnet.
High-End-Shopping ist zu einem Ritual geworden, das an den Kult erinnert. Das Erscheinungsbild der Geschäfte unterschied sich nun deutlich von den Geschäften, in denen HiFi-Geräte “in großen Mengen” verkauft wurden, und der Kundenservice war völlig anders. Der Käufer der Audiogeräte wurde mit dem Verkäufer-Audio-Experten und gleichzeitig mit einem Hypnotiseur in einem Raum, der speziell für die Durchführung einer Vorschlagsitzung ausgestattet war, dem sogenannten Hörraum, allein gelassen. Wandteppiche, überfüllte Sessel, gespenstisches Licht *: Alles führte zu auditorischer Hypnose.

Wie wird die Klangqualität gemessen?

Wie wird die Klangqualität gemessen?

Sound Quality

Seit mehr als zwei Jahrzehnten gibt es eine Debatte darüber, wie Qualität gemessen werden kann. Es gibt ein Meer von Meinungen, aber alle sind sich einig, dass der Wert der harmonischen Verzerrung eines Signals nichts bedeutet.

sound quality

Über “gute” Verzerrungen. Es gibt eine stabile und orthodoxe Klasse von Audiophilen, die Fans von Röhrensound sind. Beim Vergleich des Klangs von Verstärkern ohne negative Rückkopplung (NF), die die harmonische Verzerrung verringern, und von Verstärkern mit NF bevorzugen sie Verstärker ohne NF. Dies ist logisch, da der Röhrenverstärker aufgrund der Verwendung von Transformatoren ein engeres Frequenzband aufweist. Das Überwiegen von Harmonischen niedrigerer Ordnung in Ihrem Klang verbessert den Klang subjektiv. Hier ein Beispiel: Der berühmte Röhrenguru A. Likhnitsky lobte vor einigen Jahren seinen Amp-Korrektor für einen Plattenspieler. Darin führte er eine positive Rückkopplung ein, die die nichtlineare Verzerrung erhöht. Die daraus resultierende Überbelichtung des Klangs erscheint dem Autor der Entwicklung richtig, obwohl ich sagen muss, dass dies alles andere als eine universelle Lösung ist. Für viele Menschen, deren Hörempfindlichkeit gegenüber hohen Frequenzen zunimmt, ist dieses Gerät einfach unerträglich zu hören.

In vielen Büchern und Artikeln kann gelesen werden, dass eine Person den Ort einer Schallquelle bestimmt, weil sie die Phasendifferenz in den von ihren Ohren empfangenen Signalen spürt. Tatsächlich kennt die Natur keinen Parameter wie die Phase des Signals; Dies ist eine mathematische Abstraktion, die für Berechnungen geeignet ist. Das Hören hingegen funktioniert:

– Intensität und erkennt Signale in einem Bereich von nicht mehr als 40 dB während eines kurzen Zeitintervalls. Wenn auf einen lauten Ton ein Ton folgt, dessen Pegel um 40 dB unter dem ersten liegt, ist er nicht hörbar. Der Übergang zu anderen Intensitäten erfordert mehr oder weniger Anpassungszeit.

– Häufigkeit. Die Struktur des Ohrs und des Nervensystems enthält durchschnittlich etwa 2000 Frequenzanalysatoren. Es gibt wirklich eine Erweiterung. Seien Sie also nicht beleidigt, wenn Sie nicht auf das hören, was andere hören. Alle Aussagen beziehen sich auf Ihr eigenes Erbe.

– Zeit. Das Hören und das Gehirn bestimmen den Unterschied in der Ankunftszeit von Signalen in verschiedenen Ohren, nicht die Phase. Und die Zeitauflösung wird in Mikrosekunden gemessen!

Die gesamte “Hardware” ist doppelt und hat Speicher. Eine Lokalisierung ist nicht möglich, wenn der Unterschied in Intensität und Ankunftszeit gleichzeitig gering ist.

Norbert Wiener sagte, dass die Sprache des Gehirns nicht mathematisch ist. Moderne Geräte verwenden einen mathematischen Apparat, um die zeitliche Folge von Signalen in den Spektralbereich zu transformieren, wo eine mathematische Verarbeitung möglich ist. Der grundlegende Nachteil dieser Technik besteht darin, dass sie in Teilen funktioniert: Ein Satz von Abtastwerten wird gespeichert, eine Konvertierung wird “dort” durchgeführt, sie wird verarbeitet, dann eine Konvertierung “zurück” oder eine Steueraktion. Und das Hören funktioniert in Echtzeit in einem Spektrum. Darüber hinaus können Sie im Speicher mehrmals “scrollen”, um das Klangbild detaillierter zu erkennen, sei es eine verbale Nachricht oder eine räumliche Information. Dank dieser Eigenschaften des Hörens ist eine “tiefe Lokalisierung” möglich. Sein Kern ist überhaupt nicht, dass das Hören die Spektren des empfangenen und zuvor “aufgezeichneten” Signals vergleicht, angeblich gibt es eine Erinnerung daran, wie der Ton in verschiedenen Entfernungen gehört werden soll, sondern in der Tatsache, dass es die Zeitreihen analysiert und auswählt Ein Teilstring darin, der nicht zum Hauptsignal, sondern zu seinem Hallklang gehört und durch die Zeitdifferenz den Abstand zur Schallquelle bestimmt. (Nachhall ist der Zerfallsprozess von Schall, der mit seinen Reflexionen einhergeht. Das bekannteste Beispiel ist das Echo sowie das Rumpeln eines leeren Raums.) Deshalb kann eine Person die Entfernung zu einer Schallquelle bestimmen, die sie noch nie gehört hat. Das “auditive Gehirn” -System verfügt über bemerkenswerte Fähigkeiten. Es ist ein kombinierter Filter mit kolossaler äquivalenter Verarbeitungsleistung, der es ihm ermöglicht, den erwarteten Satz von Geräuschen aus viel höheren Geräuschpegeln zu “extrahieren”.

Das Vorhandensein eines Kamms von 2000 separaten Frequenzsensoren im Höranalysator führt nicht zu einer Grobheit der Hörempfindungen. Jeder kann es überprüfen. Nehmen Sie einen hochwertigen Lautsprecher, schließen Sie einen Audio-Sinus-Generator an den Verstärker an und verwenden Sie das Schalldruckmessgerät (an der Hörposition!), Um den Frequenzgang mit einem gleichmäßigen Frequenzschlupf zu beseitigen. Sie werden überrascht sein, wie ungleichmäßig dieser Graph sein wird als der, der mit der RTA-Methode in einem Drittel der Oktavbänder mit rosa Rauschen erhalten wird. Hören Sie dann mit der Tabelle in der Hand erneut auf den Lautsprecher.

Tonqualität

Tonqualität

Sound Quality

Wenn es um Klangqualität geht, unterscheiden sich nicht nur die Meinungen, sie führen die Diskussion oft in eine Sackgasse.Sound Quality

Grund dafür ist in der Regel ein anderes Verständnis des Qualitätsbegriffs. In diesem Artikel werden wir versuchen, die grundlegenden Fragen zu beantworten und klare Definitionen zu geben, die zweifellos dazu beitragen können, diese Diskussionen auf einen gemeinsamen Nenner zu bringen.

Aber zuerst müssen Sie das Konzept der Qualität klar definieren. Der einfachste Weg, dies zu tun, besteht darin, eine Reihe von Anforderungen für bestimmte Merkmale und Prozesse festzulegen und anschließend den Grad ihrer Einhaltung in Bezug auf die Merkmale des erzielten Ergebnisses zu ermitteln. Diese Definition stammt aus einem etwas anderen Bereich, aber all das gilt auch für den Klang. Stellen Sie beispielsweise bereits in der Entwicklungsphase die maximal zulässige Menge an harmonischen Verzerrungen ein, die durch eine der beiden Manipulationen in das Audiosignal eingeführt werden. Auf dieser Grundlage können wir sagen, dass die Qualität umso höher ist, je näher die Eigenschaften des Ergebnisses an den vorgegebenen Anforderungen liegen. Einige Hersteller missbrauchen diese Definition jedoch möglicherweise, um ihre Produkte besser zu machen als sie wirklich sind. Rein hypothetisch: Wenn Sie im Prinzip eine niedrige Messlatte setzen, können Sie die Qualität zumindest auf dem Papier theoretisch verbessern. Dieser Trick wird häufig von Herstellern von HiFi-Geräten im unteren Preissegment verwendet.

Bevor ein Gespräch über die Klangqualität begonnen wird, sollte dieses Konzept zunächst in zwei separate Kategorien unterteilt werden, die einerseits eng miteinander verbunden sind und andererseits verschiedene technische und ästhetische Aspekte beschreiben Daher sind sie oft verwirrt.

Audio Qualität

Das Konzept von Audio bezieht sich auf alle Objekte, die auf die eine oder andere Weise verbunden sind und am Prozess der Übertragung, Verarbeitung und Speicherung von Signalen in analoger oder digitaler Form beteiligt sind, die das ursprüngliche akustische Signal darstellen. Ein Beispiel hierfür können sowohl die Schallquelle als auch die Verbindungskabel, Mischer, Equalizer, Verstärker, Prozessoren und Lautsprechersysteme sein. Die Audioqualität wird durch den Grad der Wiedergabetreue bei der Darstellung des ursprünglichen Audiosignals bestimmt, unabhängig von der absichtlichen Art der Manipulation (siehe unten). In diesem Fall können die Begriffe beispielsweise Impedanz, Dynamikbereich, Pegel, Frequenzbereich, Flüchtigkeit, Signal-Rausch-Verhältnis und dergleichen sein.

Tonqualität

Es beschreibt die subjektive Beurteilung dessen, was ein einzelner Zuhörer gehört hat, und basiert daher häufig auf individuellen Vorlieben, Vorurteilen und sogar Vorurteilen. Darüber hinaus können auch visuelle Aspekte die subjektive Wahrnehmung und Beurteilung der Klangqualität beeinflussen. Bei der Klangqualität werden lockerere Begriffe verwendet, z. B. Wärme, Transparenz, Detailgenauigkeit, Dichte, Helligkeit oder Deckkraft.

Um die Klangqualität eines Audiosystems zu bestimmen, müssen Sie zunächst die Klangqualität der Quelle berücksichtigen, als ob sich zwischen dem Hörer und der Klangquelle kein Audiosystem befindet. So setzt sich beispielsweise die Klangqualität eines Instruments aus einer Kombination von Faktoren wie der Melodie der Komposition, der Virtuosität des Musikers und natürlich den charakteristischen Merkmalen des Instruments selbst zusammen.