Содержание
Я купил bluetooth-наушники Motorola Pulse Escape. Звучание в целом понравилось, но остался непонятен один момент. Согласно инструкции, в них имеется переключение эквалайзера. Предположительно, наушники имеют несколько вшитых настроек, которые переключаются по кругу. К сожалению, я не смог определить на слух, какие там настройки и сколько их, и решил выяснить это при помощи измерений.
Итак, мы хотим измерить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) наушников — это график, который показывает, какие частоты воспроизводятся громче, а какие — тише. Оказывается, такие измерения можно произвести «на коленке», без специальной аппаратуры.
Нам понадобится компьютер с Windows (я использовал ноутбук), микрофон, а также источник звука — какой-нибудь плеер с bluetooth (я взял смартфон). Ну и сами наушники, конечно.
(Под катом — много картинок).
Вот такой микрофон у меня нашёлся среди старых гаджетов. Микрофон копеечный, для разговоров, не предназначенный ни для записи музыки, ни тем более не для измерений.
Конечно, такой микрофон имеет свою АЧХ (и, забегая вперёд, диаграмму направленности), поэтому сильно исказит результаты измерений, но для поставленной задачи подойдёт, потому что нас интересуют не столько абсолютные характеристики наушников, сколько то, как они изменяются при переключении эквалайзера.
У ноутбука имелся всего один комбинированный аудиоразъём. Подключаем туда наш микрофон:
Windows спрашивает, что за прибор мы подключили. Отвечаем, что это микрофон:
Windows — немецкий, извините. Я ведь обещал использовать подручные материалы.
Тем самым единственный аудиоразъём оказывается занятым, поэтому и нужен дополнительный источник звука. Скачиваем на смартфон специальный тестовый аудиосигнал — так называемый розовый шум. Розовый шум — это звук, содержащий весь спектр частот, причём равной мощности по всему диапазону. (Не путайте его с белым шумом! У белого шума другое распределение мощности, поэтому его нельзя использовать для измерений, это грозит повреждением динамиков).
Настраиваем уровень чувствительности микрофона. Нажимаем правую кнопку мыши на значке громкоговорителя в Windows и выбираем регулировку устройств записи:
Находим наш микрофон (у меня он получил название Jack Mic):
Выбираем его в качестве устройства записи (птичка в зелёном кружочке). Выставляем ему уровень чувствительности поближе к максимуму:
Microphone Boost (если есть) убираем! Это автоматическая подстройка чувствительности. Для голоса — хорошо, а при измерениях будет только мешать.
Устанавливаем на ноутбук измерительную программу. Я люблю TrueRTA за возможность видеть сразу много графиков на одном экране. (RTA — по-английски АЧХ). В бесплатной демо-версии программа измеряет АЧХ с шагом в октаву (то есть соседние точки измерения отличаются по частоте в 2 раза). Это, конечно, очень грубо, но для наших целей сойдёт.
При помощи скотча закрепляем микрофон около края стола, так чтобы его можно было накрыть наушником:
Важно зафиксировать микрофон, чтобы не сдвинулся в процессе измерений. Подсоединяем наушники проводом к смартфону и кладём одним наушником поверх микрофона, так чтобы плотно закрыть его сверху — примерно так наушник охватывает человеческое ухо:
Второй наушник свободно висит под столом, из него мы будем слышать включённый тестовый сигнал. Убеждаемся, что наушники лежат стабильно, их тоже нельзя сдвигать в процессе измерений. Можно начинать.
Запускаем программу TrueRTA и видим:
Основная часть окна — поле для графиков. Слева от него находятся кнопки генератора сигналов, он нам не понадобится, потому что у нас внешний источник сигнала, смартфон. Справа — настройки графиков и измерений. Сверху — ещё кое-какие настройки и управление. Ставим белый цвет поля, чтобы лучше видеть графики (меню View → Background Color → White).
Выставляем границу измерений 20 Hz и количество измерений, скажем, 100. Программа будет автоматически делать указанное количество измерений подряд и усреднять результат, для шумового сигнала это необходимо. Выключаем отображение столбчатых диаграмм, пусть вместо них рисуются графики (кнопка сверху с изображением столбиков, отмечена на следующем скриншоте).
Сделав настройки, производим первое измерение — это будет измерение тишины. Закрываем окна и двери, просим детей помолчать и нажимаем Go:
Если всё сделано правильно, в поле начнёт вырисовываться график. Подождём, пока он стабилизируется (перестанет «плясать» туда-сюда) и нажмём Stop:
Видим, что «громкость тишины» (фоновых шумов) не превышает -40dBu, и выставляем (регулятор dB Bottom в правой части окна) нижнюю границу отображения в -40dBu, чтобы убрать фоновый шум с экрана и покрупнее видеть график интересующего нас сигнала.
Теперь будем измерять настоящий тестовый сигнал. Включаем плеер на смартфоне, начав с малой громкости.
Запускаем измерение в TrueRTA кнопкой Go и постепенно прибавляем громкость на смартфоне. Из свободного наушника начинает доноситься шипящий шум, а на экране возникает график. Добавляем громкость, пока график не достигнет по высоте примерно -10. 0dBu:
Дождавшись стабилизации графика, останавливаем измерение кнопкой Stop в программе. Плеер тоже пока останавливаем. Итак, что мы видим на графике? Неплохие басы (кроме самых глубоких), некоторый спад к средним частотам и резкий спад к верхним частотам. Напоминаю, что это не настоящая АЧХ наушников, свой вклад вносит микрофон.
Этот график мы возьмем в качестве эталонного. Наушники получали сигнал по проводу, в этом режиме они работают как пассивные динамики без всяких эквалайзеров, их кнопки не действуют. Занесём график в память номер 1 (через меню View → Save to Memory → Save to Memory 1 или нажав Alt+1). В ячейках памяти можно сохранять графики, а кнопками Mem1..Mem20 в верхней части окна включать или отключать показ этих графиков на экране.
Теперь отсоединяем провод (как от наушников, так и от смартфона) и подключаем наушники к смартфону по bluetooth, стараясь не сдвинуть их на столе.
Снова включаем плеер, запускаем измерение кнопкой Go и, регулируя громкость на смартфоне, приводим новый график по уровню к эталонному. Эталонный график изображён зелёным, а новый — синим:
Останавливаем измерение (плеер можно не выключать, если не раздражает шипение из свободного наушника) и радуемся, что по bluetooth наушники выдают такую же АЧХ, как по проводу. Заносим график в память номер 2 (Alt+2), чтоб не ушёл с экрана.
Теперь переключаем эквалайзер кнопками наушников. Наушники рапортуют бодрым женским голосом «EQ changed». Включаем измерение и, дождавшись стабилизации графика, видим:
Хм. Кое-где есть отличия в 1 децибел, но это как-то несерьёзно. Скорее похоже на погрешности измерений. Заносим и этот график в память, переключаем эквалайзер ещё раз и после измерения видим ещё один график (если очень хорошо присмотреться):
Ну, вы уже поняли. Сколько я ни переключал эквалайзер на наушниках, никаких изменений это не давало!
На этом, в принципе, можно заканчивать работу и делать вывод: у этих наушников работающего эквалайзера нет. (Теперь понятно, почему его не получалось услышать).
Однако тот факт, что мы не увидели никаких изменений в результатах, огорчает и даже вызывает сомнения в правильности методики. Может, мы измеряли что-то не то?
Чтобы убедиться, что мы измеряли АЧХ, а не погоду на Луне, давайте покрутим эквалайзер в другом месте. У нас же есть плеер в смартфоне! Воспользуемся его эквалайзером:
И вот результат измерений:
Вот это другое дело! Новый график заметно отличается от старых. Занесём его тоже в память (у меня получился номер памяти 6) и найдём разность между новым графиком и эталонным, TrueRTA это умеет (меню Utilities → Difference):
Вычитаем из графика номер 6 график номер 1 и помещаем результат в память номер 12. Убираем остальные графики с экрана кнопочками Mem1, Mem2 и т. д., оставляем только Mem12:
Не правда ли, эта кривая приблизительно напоминает то, что обещал эквалайзер?
Выключаем эквалайзер, с ним всё понятно. А ещё я говорил вначале, что нельзя двигать наушники и микрофон между измерениями. А что будет, если сдвинуть на сантиметр?
Смотрите-ка, от сдвига график слегка изменился: басов поубавилось, верхов добавилось. Это говорит, скорее всего, о том, что у микрофона различная чувствительность к звукам, приходящим с разных направлений (это называется диаграммой направленности).
Проведём ещё один опыт: измерим звучание, отказавшись от закрытого объёма. Вот так:
Я купил bluetooth-наушники Motorola Pulse Escape. Звучание в целом понравилось, но остался непонятен один момент. Согласно инструкции, в них имеется переключение эквалайзера. Предположительно, наушники имеют несколько вшитых настроек, которые переключаются по кругу. К сожалению, я не смог определить на слух, какие там настройки и сколько их, и решил выяснить это при помощи измерений.
Итак, мы хотим измерить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) наушников — это график, который показывает, какие частоты воспроизводятся громче, а какие — тише. Оказывается, такие измерения можно произвести «на коленке», без специальной аппаратуры.
Нам понадобится компьютер с Windows (я использовал ноутбук), микрофон, а также источник звука — какой-нибудь плеер с bluetooth (я взял смартфон). Ну и сами наушники, конечно.
(Под катом — много картинок).
Вот такой микрофон у меня нашёлся среди старых гаджетов. Микрофон копеечный, для разговоров, не предназначенный ни для записи музыки, ни тем более не для измерений.
Конечно, такой микрофон имеет свою АЧХ (и, забегая вперёд, диаграмму направленности), поэтому сильно исказит результаты измерений, но для поставленной задачи подойдёт, потому что нас интересуют не столько абсолютные характеристики наушников, сколько то, как они изменяются при переключении эквалайзера.
У ноутбука имелся всего один комбинированный аудиоразъём. Подключаем туда наш микрофон:
Windows спрашивает, что за прибор мы подключили. Отвечаем, что это микрофон:
Windows — немецкий, извините. Я ведь обещал использовать подручные материалы.
Тем самым единственный аудиоразъём оказывается занятым, поэтому и нужен дополнительный источник звука. Скачиваем на смартфон специальный тестовый аудиосигнал — так называемый розовый шум. Розовый шум — это звук, содержащий весь спектр частот, причём равной мощности по всему диапазону. (Не путайте его с белым шумом! У белого шума другое распределение мощности, поэтому его нельзя использовать для измерений, это грозит повреждением динамиков).
Настраиваем уровень чувствительности микрофона. Нажимаем правую кнопку мыши на значке громкоговорителя в Windows и выбираем регулировку устройств записи:
Находим наш микрофон (у меня он получил название Jack Mic):
Выбираем его в качестве устройства записи (птичка в зелёном кружочке). Выставляем ему уровень чувствительности поближе к максимуму:
Microphone Boost (если есть) убираем! Это автоматическая подстройка чувствительности. Для голоса — хорошо, а при измерениях будет только мешать.
Устанавливаем на ноутбук измерительную программу. Я люблю TrueRTA за возможность видеть сразу много графиков на одном экране. (RTA — по-английски АЧХ). В бесплатной демо-версии программа измеряет АЧХ с шагом в октаву (то есть соседние точки измерения отличаются по частоте в 2 раза). Это, конечно, очень грубо, но для наших целей сойдёт.
При помощи скотча закрепляем микрофон около края стола, так чтобы его можно было накрыть наушником:
Важно зафиксировать микрофон, чтобы не сдвинулся в процессе измерений. Подсоединяем наушники проводом к смартфону и кладём одним наушником поверх микрофона, так чтобы плотно закрыть его сверху — примерно так наушник охватывает человеческое ухо:
Второй наушник свободно висит под столом, из него мы будем слышать включённый тестовый сигнал. Убеждаемся, что наушники лежат стабильно, их тоже нельзя сдвигать в процессе измерений. Можно начинать.
Запускаем программу TrueRTA и видим:
Основная часть окна — поле для графиков. Слева от него находятся кнопки генератора сигналов, он нам не понадобится, потому что у нас внешний источник сигнала, смартфон. Справа — настройки графиков и измерений. Сверху — ещё кое-какие настройки и управление. Ставим белый цвет поля, чтобы лучше видеть графики (меню View → Background Color → White).
Выставляем границу измерений 20 Hz и количество измерений, скажем, 100. Программа будет автоматически делать указанное количество измерений подряд и усреднять результат, для шумового сигнала это необходимо. Выключаем отображение столбчатых диаграмм, пусть вместо них рисуются графики (кнопка сверху с изображением столбиков, отмечена на следующем скриншоте).
Сделав настройки, производим первое измерение — это будет измерение тишины. Закрываем окна и двери, просим детей помолчать и нажимаем Go:
Если всё сделано правильно, в поле начнёт вырисовываться график. Подождём, пока он стабилизируется (перестанет «плясать» туда-сюда) и нажмём Stop:
Видим, что «громкость тишины» (фоновых шумов) не превышает -40dBu, и выставляем (регулятор dB Bottom в правой части окна) нижнюю границу отображения в -40dBu, чтобы убрать фоновый шум с экрана и покрупнее видеть график интересующего нас сигнала.
Теперь будем измерять настоящий тестовый сигнал. Включаем плеер на смартфоне, начав с малой громкости.
Запускаем измерение в TrueRTA кнопкой Go и постепенно прибавляем громкость на смартфоне. Из свободного наушника начинает доноситься шипящий шум, а на экране возникает график. Добавляем громкость, пока график не достигнет по высоте примерно -10. 0dBu:
Дождавшись стабилизации графика, останавливаем измерение кнопкой Stop в программе. Плеер тоже пока останавливаем. Итак, что мы видим на графике? Неплохие басы (кроме самых глубоких), некоторый спад к средним частотам и резкий спад к верхним частотам. Напоминаю, что это не настоящая АЧХ наушников, свой вклад вносит микрофон.
Этот график мы возьмем в качестве эталонного. Наушники получали сигнал по проводу, в этом режиме они работают как пассивные динамики без всяких эквалайзеров, их кнопки не действуют. Занесём график в память номер 1 (через меню View → Save to Memory → Save to Memory 1 или нажав Alt+1). В ячейках памяти можно сохранять графики, а кнопками Mem1..Mem20 в верхней части окна включать или отключать показ этих графиков на экране.
Теперь отсоединяем провод (как от наушников, так и от смартфона) и подключаем наушники к смартфону по bluetooth, стараясь не сдвинуть их на столе.
Снова включаем плеер, запускаем измерение кнопкой Go и, регулируя громкость на смартфоне, приводим новый график по уровню к эталонному. Эталонный график изображён зелёным, а новый — синим:
Останавливаем измерение (плеер можно не выключать, если не раздражает шипение из свободного наушника) и радуемся, что по bluetooth наушники выдают такую же АЧХ, как по проводу. Заносим график в память номер 2 (Alt+2), чтоб не ушёл с экрана.
Теперь переключаем эквалайзер кнопками наушников. Наушники рапортуют бодрым женским голосом «EQ changed». Включаем измерение и, дождавшись стабилизации графика, видим:
Хм. Кое-где есть отличия в 1 децибел, но это как-то несерьёзно. Скорее похоже на погрешности измерений. Заносим и этот график в память, переключаем эквалайзер ещё раз и после измерения видим ещё один график (если очень хорошо присмотреться):
Ну, вы уже поняли. Сколько я ни переключал эквалайзер на наушниках, никаких изменений это не давало!
На этом, в принципе, можно заканчивать работу и делать вывод: у этих наушников работающего эквалайзера нет. (Теперь понятно, почему его не получалось услышать).
Однако тот факт, что мы не увидели никаких изменений в результатах, огорчает и даже вызывает сомнения в правильности методики. Может, мы измеряли что-то не то?
Чтобы убедиться, что мы измеряли АЧХ, а не погоду на Луне, давайте покрутим эквалайзер в другом месте. У нас же есть плеер в смартфоне! Воспользуемся его эквалайзером:
И вот результат измерений:
Вот это другое дело! Новый график заметно отличается от старых. Занесём его тоже в память (у меня получился номер памяти 6) и найдём разность между новым графиком и эталонным, TrueRTA это умеет (меню Utilities → Difference):
Вычитаем из графика номер 6 график номер 1 и помещаем результат в память номер 12. Убираем остальные графики с экрана кнопочками Mem1, Mem2 и т. д., оставляем только Mem12:
Не правда ли, эта кривая приблизительно напоминает то, что обещал эквалайзер?
Выключаем эквалайзер, с ним всё понятно. А ещё я говорил вначале, что нельзя двигать наушники и микрофон между измерениями. А что будет, если сдвинуть на сантиметр?
Смотрите-ка, от сдвига график слегка изменился: басов поубавилось, верхов добавилось. Это говорит, скорее всего, о том, что у микрофона различная чувствительность к звукам, приходящим с разных направлений (это называется диаграммой направленности).
Проведём ещё один опыт: измерим звучание, отказавшись от закрытого объёма. Вот так:
АЧХ-метр из свистка
В статье будет рассмотрено применение RTL-SDR совместно с генератором шума BG7TBL. Попробуем снять АЧХ фильтров и сравним их с графиками настоящего АЧХ-метра, а также, попробуем настроить фильтр с нуля.
Обращаю внимание, что все написанное ниже справедливо для новой версии генератора с прямоугольными усилителями. У старой версии с круглыми микросхемами ERA уровень шума и прочие параметры будут немного отличаться.
Для более точных измерений желательно поместить генератор в экранирующий корпус. В качестве свистка будет применяться RTL-SDR.COM V3.
Программа
Для измерения АЧХ удобнее всего использовать программу rtl-sdr dongle panorama. Она проста в установке, не требует много ресурсов и содержит все необходимые регулировки.
Готовый архив со всеми нужными файлами: Dongle_panorama.zip. Нужно распаковать, запустить rtlpan.exe и нажать START.
Чтобы сгладить линию: Настройки — Rtl_power options… — crop present, ставим значение по вкусу. Зависит от полосы обзора, необходимой точности и допустимого периода сканирования.
График будет еще плавнее, если выбрать step size 1М, но я не рекомендую, т.к. нельзя будет отличить наводки от реальных неровностей АЧХ. На 100к они вполне отличимы, далее будет видно на примере FM вещалок.
Выставляем частотные границы, ставим галочку Auto dB (автошкала по оси dB). Галочка AGC (АРУ) обязательно должны быть снята. Если используется простой свисток, не забываем вводить коррекцию частоты в ppm.
Очень важно подобрать оптимальное усиление. Проще это делать на реальном фильтре, подбирая значение усиления по максимальному динамическому диапазону (разности между максимумом и минимумом).
Спектр шума
Результирующий график спектр шума + чувствительность свистка:
Сначала нужно проверить, не возникает ли перегрузки. Добавляем аттенюатор 20 дБ.
Некоторая перегрузка имеется. Т.е. при измерениях до 500 МГц нужен аттенюатор.
Здесь аттенюатор уже не нужен.
Коррекция мощности шума
Как видно из графиков 24-500 МГц, нужно как-то снизить уровень шума. Программно это не сделаешь, усиление и так 0.
Первый способ — добавить аттенюатор. ГШ уже имеет выходной аттенюатор 3 дБ, более-менее согласующий его в широкой полосе частот, так что можно обойтись одним аттенюатором 20 дБ между фильтром и свистком.
Второй способ — изменение напряжения питания. Рассогласование фильтра со свистком не должно быть настолько сильное, чтобы заметно искажать АЧХ (дальше сравним). К тому же, если фильтр будет использоваться со свистком, то интереснее будет его АЧХ не на 50 Омах, а именно с данным конкретным свистком.
Зависимость уровня шума генератора от напряжения питания:
Напряжение питания для снижения уровня шума на 20-30 дБ составляет как раз около 5 В. Можно запитать генератор от USB, используя такой шнурок:
Если напряжение USB проседает ниже 4,8 В, можно закоротить диод D2, это даст еще пол-вольта запаса.
Переходим к измерению АЧХ фильтров.
FM режектор
Фильтр настроен грубовато — специально взял такой, чтобы было побольше изгибов АЧХ для сравнения.
Подключаем к фильтру генератор шума + свисток, питание 12 В:
Как уже выяснили, уровень шума на данных частотах слишком высок. Поэтому картинка АЧХ сильно отличается от реальной.
Запитываем генератор шума от USB. Подбираем усиление.
Другое дело! Неровности графика можно сгладить увеличением crop present, правда, период измерения тоже увеличится.
По частоте все довольно точно. Значения дБ зависят от правильности выбора усиления. Получить динамику больше 40 дБ у меня не получилось, но для столь бюджетного решения это приемлемо.
Для эксперимента, вернем питание 12 В и добавим на выход фильтра аттенюатор 20 дБ.
Графики похожи, так что можно регулировать уровень шума только напряжением питания ГШ.
Перегрузка проявляется так:
Поскольку график снимается кусочками, то перегрузка влияет только на участки с небольшим затуханием. Таким образом, можно специально ставить излишнее усиление, чтобы дополнительно исследовать «глубины» АЧХ, т.е. места с большим затуханием.
Из-за отсутствия экранирующего корпуса видно наводки от FM станций.
ПАВ фильтр 1090 МГц
TA1090EC + разделительные конденсаторы + защитные диоды.
Измеренная с помощью генератора шума (питание от USB):
На таких частотах питания 5 В уже не хватает. Даже при максимальном усилении мы видим подробно вершину айсберга, но значительная его часть скрыта «под водой».
Запитываем от 12 В:
Теперь видна вся АЧХ целиком. Почти вся, т.к. немного срезан провал в районе 1140 МГц. Но его можно посмотреть отдельно, как было описано ранее.
Теоретически, таким образом можно делать два измерения, компоновать их в одно и получать динамику больше исходных 40 дБ.
И еще — мы видим относительную картинку. Мы не увидели, что фильтр в полосе пропускания имеет затухание 5 дБ. Если на графике нужен уровень 0, то делаем следующее.
- Подключаем ГШ напрямую к свистку и запускаем сканирование. Усиление лучше немного уменьшить, чтобы точно не было перегрузки.
- Ставим галочку Maximus.
- Не останавливая сканирование, подключаем между свистком и ГШ исследуемый фильтр. Тут главное нечаянно не выдернуть приемник, иначе придется начинать сначала.
Получается такой график:
Красная линия это нулевой уровень. Получилось затухание около 5 дБ, что соответствует реальности. Естественно, на отображение этих потерь теряем 5 дБ и без того небольшой динамики.
Измерения на КВ с помощью конвертера
Подопытными будут КВ фильтры для V3 (2,6-14,4 и 14,4-28,8 МГц).
В программе ввод смещения частоты не предусмотрен, поэтому частоту LO нужно держать в уме. В данном случае, это 125 МГц.
Реальная АЧХ фильтра 2,6-14,4 МГц:
Измеренная с помощью ГШ и конвертера:
Конвертер вносит значительные искажения АЧХ, поэтому сначала ГШ напрямую (красная линия), потом измеряем фильтр. В целом похоже, но смотреть на такой перекошенный график неприятно. И данная неравномерность «съела» половину ДД.
Реальная АЧХ фильтра 14,4-28,8 МГц:
Измеренная с помощью ГШ и конвертера:
В начале видно перегрузку от неподавленной несущей.
Можно добавить усиление, чтобы поднять площадку до 0.
Измерять АЧХ с помощью КВ конвертера в принципе можно, но не очень удобно. Во первых, нет возможности ввести LO, чтобы сразу видеть реальные частоты. Во вторых и главное, это неравномерная АЧХ самого конвертера. Также, из-за неподавленной несущей, фактически теряются первые 3 МГц (зависит от конвертера).
Измерения на КВ в режиме Direct Sampling
В этой программе есть режим Direct Sampling, но он почему-то не работает. Такое чувство, что вместо Q включается I branch. Так что попробовать пока не получилось.
Настройка фильтра
Имеется некий FM режектор.
Катушки привел в исходное положение и попробовал настроить заново генератором шума.
В программе получилось так:
Получилось почти идеально, ожидал худшего. Самое неприятное это после каждого действия ждать сканирование, в данном примере около 4с. Это время можно уменьшить за счет точности и полосы обзора, но все равно, процесс настройки фильтра может затянуться.
Подводя итоги, можно сказать, что измерять АЧХ и настраивать фильтры с помощью генератора шума можно, но есть много нюансов. Подойдет для фильтров УКВ, если настройка требуется редко и требования к настройке невысоки. В иных случаях, рекомендуется купить хотя бы NWT.
