Nieuws

Luisteren versus meten, door John Siau

  Thursday 23 February 2023, 11:42

Level Matching is van cruciaal belang
Een uitdaging bij luistertests is dat een klein verschil in niveau de resultaten scheeftrekt. We matchen niveaus met een precisie van +/- 0,1 dB bij het uitvoeren van luistertests. Kleine verschillen in niveaus kunnen merkbaar zijn en deze verschillen kunnen de tests scheeftrekken, vooral als we luisteren naar kleine verschillen. ABX Luistertesten - Vooroordelen van luisteraars elimineren Een andere uitdaging van luistertesten is dat het voor de luisteraar moeilijk kan zijn om objectief te blijven als de luisteraar de identiteit van de bronnen kent. Als we denken een verschil te horen tussen twee bronnen, wenden we ons vaak tot een ABX-test om te controleren of het verschil hoorbaar is.

We hebben een relaisgestuurde ABX-testbox die kan worden gebruikt om twee DAC's, twee voorversterkers of twee eindversterkers te vergelijken. We hebben ook op software gebaseerde ABX-spelers die kunnen worden gebruikt om twee digitale opnames te vergelijken. In beide gevallen stelt de ABX-testapparatuur de luisteraar in staat een onbekende bron "X" te vergelijken met bron "A" en bron "B". In elk van een reeks proeven is "X" een willekeurige selectie van "A" of "B". In elke poging kan de luisteraar schakelen tussen A, B en X in elke volgorde, elke snelheid en een willekeurig aantal keren voordat X wordt geïdentificeerd als A of B. Een hoge score van correcte pogingen is het bewijs dat er een hoorbaar verschil werd gehoord door de luisteraar. Op onderstaande foto ziet u de afstandsbediening van onze ABX testset.

Zoals alle luistertesten heeft ook een ABX-test beperkingen. Een ABX-test kan aantonen dat er een hoorbaar verschil is, maar geeft geen indicatie welke bron beter klinkt. Als de invoer en uitvoer van een apparaat of DSP-proces echter worden vergeleken, kan een ABX-test bevestigen dat het apparaat of proces een hoorbaar verschil maakt. Als het doel transparantie is, zou dit hoorbare verschil bewijzen dat er een defect bestaat. Sommige critici van ABX-tests suggereren dat langetermijneffecten, zoals door vervorming veroorzaakte vermoeidheid van de luisteraar, niet kunnen worden gedetecteerd in een ABX-test. Het belangrijkste punt is dat elke luistertest beperkingen heeft en dat het belangrijk is om die beperkingen te begrijpen voordat je conclusies trekt.

Benchmarks testlaboratorium
Ons engineering lab is uitgerust met een Audio Precision APx555b teststation. Dit is absoluut het beste audioteststation dat er is. We hebben ook een selectie van oudere teststations waaronder een AP2722 en een AP2522. Deze tools zijn onmisbaar als het gaat om het opsporen van defecten, waaronder vele die onhoorbaar zijn.

Meettechnieken moeten worden aangestuurd door luistertests
Luistertesten zijn nooit perfect en daarom is het essentieel dat we metingen ontwikkelen voor elk artefact dat we in een luistertest identificeren. Een APx555-testset heeft veel meer resolutie dan het menselijk gehoor, maar heeft geen intelligentie. We moeten het precies vertellen wat het moet meten en hoe het te meten. Als we iets horen dat we niet kunnen meten, doen we gewoon niet de juiste metingen.

Luistertesten brengen problemen aan het licht, maar niet de hoofdoorzaak
Elk ontwerpproces dat uitsluitend berust op luistertests is gedoemd te mislukken. Als we gewoon luisteren, herontwerpen en dan herhalen, slagen we er niet in de oorzaak van het defect te identificeren en benaderen we nooit perfectie. We kunnen tot een oplossing komen die het artefact gewoon maskeert met een ander, minder verwerpelijk artefact. Aan de andere kant, als we ons concentreren op het elimineren van elk artefact dat we kunnen meten, kunnen we snel convergeren naar een oplossing die sonische transparantie benadert. Als we bij Benchmark een artefact kunnen meten, proberen we niet te bepalen of het laag genoeg is om onhoorbaar te zijn, maar proberen we het gewoon te elimineren. Dit proces elimineert alle, behalve de meest ongrijpbare artefacten.

Hoorbare artefacten die traditionele metingen ontwijken
Tot op heden is een van de meest ongrijpbare artefacten die we zijn tegengekomen de kwestie van intersample-overs.

Dit zijn intersample-pieken die hoger zijn dan 0 dBFS, terwijl de sample-waarden zelf nooit hoger zijn dan 0 dBFS. Deze pieken kunnen oplopen tot +3 dBFS en kunnen DSP-overbelastingen veroorzaken in fixed-point PCM sigma-delta-converters en sample rate-converters. Het is belangrijk op te merken dat de DSP-overbelastingen worden veroorzaakt door de eindige grenzen van de vaste-puntberekening en niet door een inherent defect in PCM of in het upsamplingproces. De onderstaande figuur toont een +3 dBFS A/D-conversie. De analoge audio (blauwe lijn) wordt correct weergegeven door de samples (weergegeven in rood). Merk op dat de monsters net de maximale digitale codes bereiken (weergegeven als 1 en -1 in de onderstaande afbeelding). In een 16-bits PCM-systeem zou "1" overeenkomen met +32.767 en "-1" zou overeenkomen met -32.768. Om deze discussie te vereenvoudigen, gebruiken we 1 en -1 om de limieten van de digitale codes weer te geven. De piek van de sinusoïdale golfvorm bereikt 1.414 en -1.414, wat veel verder is dan de maximale numerieke waarden waarvoor digitale PCM-systemen met een vast punt zijn ontworpen.

De originele analoge golfvorm (blauwe lijn) kan met exacte precisie worden gereconstrueerd door een analoog laagdoorlaatfilter aan de uitgang van een niet-oversamplede D/A-converter te plaatsen. Daarentegen zullen de meeste overbemonsterde D/A-converters dit signaal afsnijden. De volgende afbeelding toont een 4X-interpolator met een vast punt die probeert geïnterpoleerde monsters in te voegen voorafgaand aan de reconstructie. Er zijn 3 geknipte monsters op elke piek van de sinusgolf. De uitvoer van deze traditionele sigma-delta DAC zal lijken op een blokgolf wanneer wordt geprobeerd deze sinusgolf met hoge amplitude te reconstrueren.

Het resultaat van deze clipping kan het beste worden omschreven als een kunstmatig snare- of hi-hatgeluid dat aan de muziek wordt toegevoegd.

Deze clipping heeft ook de neiging om een kunstmatige helderheid toe te voegen aan de schijnbare frequentierespons. In onze luistertests hadden sample rate converters met THD+N beter dan -135 dB (0.000018%) een hoorbare impact op het geluid en we konden dit met geen van de conventionele audiometingen verklaren. We kunnen geen vervorming horen bij -135 dB, maar we hoorden iets! Uiteindelijk ontdekten we dat intersample-pieken de DSP-verwerking met een vast punt konden overbelasten bij interpolatie in een reconstructiefilter, en de resulterende THD was erg hoog (enkele procenten). Nadat we de oorzaak hadden geïdentificeerd, was de test eenvoudig uit te voeren. We hebben nu een testsignaal van 11,025 kHz, met een samplefrequentie van 44,1 kHz, dat een zuivere toon bevat bij +3,01 dBFS. Onze nieuwe DAC2- en DAC3-converters interpoleren zonder clipping en geven deze toon zonder vervorming door. De onderstaande afbeelding toont een high-headroom 4X-interpolator die de samplefrequentie met een factor 4 verhoogt. De interpolator in de DAC2- en DAC3-converters draait op een veel hogere ratio, maar deze afbeelding illustreert het proces.

Vrijwel alle andere D/A-converters zullen vervormen. Dit artefact is waarschijnlijk het belangrijkste hoorbare verschil tussen PCM en DSD en het is waarschijnlijk een van de belangrijkste verschillen tussen overbemonsterde en niet-overbemonsterde "ladder DAC"-omzetters.

Niet-overbemonsterde converters zijn immuun voor intersample-over-problemen, maar ze hebben een andere reeks problemen die vaak hoorbare artefacten veroorzaken.

Deze defecten hebben de neiging om te ontsnappen aan detectie in elementaire audiometingen. Deze "ladder-DAC's" hebben lineariteitsproblemen die worden veroorzaakt door niet-overeenkomende binair gewogen elementen. Het is fysiek onmogelijk om gewogen elementen af te stemmen op iets veel beters dan 16-bits nauwkeurigheid, en deze afstemming verandert met de temperatuur. Bijgevolg hebben alle niet-overbemonsterde ladder-DAC's aanzienlijke lineariteitsproblemen. De ergste lineariteitsfout treedt normaal gesproken op bij de nuldoorgang, maar chipfabrikanten voegen doorgaans een DC-offset toe om deze fout weg te halen van de nuldoorgang. Dit verbetert de manier waarop de DAC meet in traditionele THD+N-tests enorm, en het kan een kleine verbetering in het geluid opleveren. Desalniettemin doet deze truc waarschijnlijk meer voor het specificatieblad dan voor de luisteraar. Als we een IMD-test of een lineariteitstest uitvoeren, komen deze slim verborgen defecten aan het licht. Als we niet de juiste tests uitvoeren, kunnen we de defecten die inherent zijn aan alle ladder-DAC's niet detecteren.

Vals spelen bij testen
Ik denk dat je zou kunnen zeggen dat ladder-DAC's vals spelen bij tests.

Dit doen ze door slim te ontwerpen. Ze worden alleen gepakt als we een zwaardere test afnemen. Op school kan een leerling vals spelen bij een meerkeuzetoets, maar het zal moeilijk zijn om vals te spelen bij een schriftelijke toets. Tests moeten worden ontworpen om valsspelers te vangen. Een van die tests is de Dynamic Range-test. In zekere zin is het gemaakt om valsspelen bij SNR-tests (signaal-naar-ruis) te voorkomen. Sommige vroege cd-spelers hadden auto-mute-circuits die de D/A-omzetter uitschakelden als er geen gegevens aanwezig waren. Een gunstig resultaat was een aanzienlijke vermindering van uitgangsruis wanneer een nummer werd gepauzeerd of gestopt. Een tweede voordeel was een uitstekende SNR op het specificatieblad. De Dynamic Range-test voegt een toon van -60 dB toe bij het meten van het uitvoergeluid van een audioapparaat. Deze lage toon is bedoeld om auto-mute-circuits te omzeilen en de aanwezigheid ervan in de uitvoer verifieert de geldigheid van het ruisgedeelte van de meetreeks. Houd er rekening mee dat de hierboven beschreven DC-offset- en auto-mute-circuits niet noodzakelijkerwijs zijn gemaakt om de productspecificatiebladen te verbeteren. Beide circuits leverden enig voordeel op voor de luisteraar. Het ongelukkige neveneffect was een overdreven genereus "cijferrapport" op het specificatieblad.

Vreemd genoeg hebben sommige circuits de gave om vals te spelen zonder menselijke tussenkomst. Een-bits sigma-delta-converters produceren lage inactieve tonen wanneer ze geen audio afspelen. Deze lage tonen verminderen de SNR van de converter, maar ze ontgaan detectie in de Dynamic Range-test. De toon van -60 dB, die wordt gebruikt voor de geluidsmeting, verbreekt de rusttonen, waardoor een te optimistische Dynamic Range-meting ontstaat. Ik denk dat we zouden kunnen zeggen dat 1-bit converters vals spelen bij de test die bedoeld was om valsspelers te vangen! Wat nog indrukwekkender is, is dat niemand hen vertelde hoe ze vals moesten spelen.

De les uit deze voorbeelden is  dat we een uitgebreide reeks tests op audiocircuits moeten uitvoeren voordat we kunnen concluderen dat ze vrij zijn van defecten. De circuits zullen vals spelen als ze kunnen!

Als we een zeer uitgebreide set standaard audiotests op D/A-converters zouden uitvoeren, zouden de beste multi-bit sigma-delta DAC's veel beter meten dan de beste ladder-DAC's of 1-bit DSD DAC's. Gegeven een keuze tussen een DSD (1-bit sigma-delta DAC), niet-overbemonsterde PCM (ladder-DAC) en overbemonsterde PCM (multi-bit sigma-delta DAC), zouden onze metingen duidelijk aantonen dat de derde keuze de meest transparante zou moeten zijn . Desalniettemin slaagde een vroeg prototype van de DAC2 niet voor het eindexamen, maar voor de luistertest. Onze luistertests brachten het eerder beschreven inter-sample-over-probleem aan het licht. Nadat de oorzaak met laboratoriummetingen was vastgesteld, konden we het prototype repareren en een nieuwe test aan ons arsenaal toevoegen. Als we deze nieuwe +3 dBFS inter-sample over-test uitvoeren, mislukken traditionele multi-bit sigma-delta DAC's jammerlijk, maar onze DAC2- en DAC3-converters slagen met eer.

Het hoorbare defect werd niet veroorzaakt door oversampling of door een inherent defect in PCM, het werd veroorzaakt door een gebrek aan headroom in de DSP-verwerking met vast punt. We hebben het intersample-over-probleem opgelost door de amplitude van het inkomende audiosignaal met 3 dB te verminderen vóór oversampling. We hebben ook voldoende analoge headroom toegevoegd om +3 dBFS-pieken weer te geven zonder clipping. De resultaten zijn beter dan die verkregen met ladder DAC's of met 1-bit DSD DAC's.

De DAC2 en DAC3 zijn geslaagd voor het eindexamen en voor zover we weten hebben ze niet vals gespeeld bij de test. Toch houden we ze en al onze producten nauwlettend in de gaten.

Het originele artikel is te vinden op de Benchmark Media website.