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MEMSマイクオーディオテストに関するよくある質問 パート1

MEMSマイクは、幅広い用途で使用される極めて小さなマイクロホンです。MEMSマイクに関するよくある質問と、評価する際の注意事項について数回に分けて解説致します。

Q: PDM は何を表すのですか?

A: パルス密度変調(PDM)は、アナログ信号の連続的に可変振幅が、1ビットサンプルストリーム内のフルスケール正または負パルスの平均値をデジタルで表現する方式です。

Q: PDMはアナログ信号にどのように変換しますか?

A: 信号処理として、パルス密度変調(PDM)からパルス符号変調への変換は比較的簡単です。コンバータは基本的に、非常に高いサンプルレートのPDMビットストリームを低いサンプルレートに変換するサンプルレートコンバータです。通常、変換率は 1/32 ~ 1/128 で、1/64 が一般的です。たとえば、3 MHz ビット ストリームは 48 kHz のサンプルレートに変換されます。ダウンサンプリングプロセスと同様に、信号はまず、ローパスフィルタを適用して、サンプルレートが変換される前にエイリアス製品を除去します。変換の考え方は、サンプルレート変換を、間引いたPDM サンプルに応じて、各新しい PCM サンプルが前の N の平均値を表す平均化プロセスとなります。平均または間引くレートの数が増加すると、出力パスバンドが減少します。

図1 PDMマイク@3.072MHzビットレートの出力

PDM マイクロホン @ 3.072 MHz ビットレートの出力。1/512 デシメーションでは、3 kHz の帯域幅のみが使用可能です(青色のトレース)。1/32 デシメーション(緑色のトレース)では、96 kHz の帯域幅が利用可能です。30 kHz 以下から始まるノイズフロアの上昇に注意してください。これは、マイクロホンのシグマデルタ変調器のノイズシェーピングです。

Q: デシメーションレートはありますか?

通常、使用するデシメーション(間引き)率は、DUTの仕様によって定義されます。ただし、前述のように、デシメーションレートは出力パスバンドを決定します。たとえば、テスト仕様で周波数応答を20 kHzに測定する場合、少なくとも20 kHzの帯域幅を提供するビットクロックとデシメーションレートを選択する必要があります。

Q: MEM マイクロホンはどのくらいの頻度でキャリブレーションが必要ですか?

ほとんどの PDM マイクロホンは、MEMS デバイスのダイヤフラムがシリコンウェーハから直接エッチングされるため、非常に良好な安定性を示します。

MEMSマイクテストの詳細については、パート2をお楽しみに!

詳細は下記のリンクを参照願います。

www.ap.com/blog/faqs-mems-mic-audio-test-part-1/

ポーラープロットユーティリティー

ポーラープロットは特定の周波数におけるさまざまな角度に対するスピーカーやマイクロホンの応答を示す測定手法です。図1のような複数のプロット図では、さまざまな周波数で測定した結果を表しています。例えば、図1のプロットから、スピーカーが250Hzで全方位、その他高い周波数でどの方向で強い応答を示しているかが分かります。ただし、同時に複数の周波数のプロっとを行うことは出来ません。

図1.Polar Multiplot view from the APx Polar Plot Utility for a speaker measured with one degree angular resolution

コンタープロットは全周波数の指向性情報を表示することができます。図2は図1で利用したスピーカーのコンタープロットです。横軸は全周波数レンジで、縦軸は0度を中心に360度方位を示しております。コンタープロットは色を使って、周波数による指向性の変化を示す手段となります。

図2.Contour plot of the same speaker directivity data shown in 図1

VACS Software

図2で使ったコンタープロットは、VACSと呼ばれるサードパーティ製ソフトウエアを使って表示しております。このソフトはアコースティック測定データを視覚化、処理、組織化するようなもので、ドイツの開発会社が販売しております。(www.randteam.de)VACS Viewerは無償でダウンロード可能です。機能はVACSと同じように使えますが、プロジェクトファイルを保存することは出来ません。VACSやVACS Viewerをインストールしたら、APxポーラープロットユーティリティーで測定したデータも移植することができます。図3はVACSアプリケーションを使ったコンタープロットです。4つの表示になっています。(左上;コンタープロット、左下;ポーラープロット、右上;周波数応答プロット、右下;ビーム幅のプロット)ポーラーと周波数応答プロットは3次元コンターデータを介して構成しています。カーソールを動かすと、ポーラーや周波数応答プロットは、指定した周波数、角度位置に沿った曲線を更新します。ビーム幅のプロットは、カラーマップ上のカーソールレベルに紐づいており、カーソールからレベルを選択できるようになっています。

図3. A contour plot view in VACS

詳細は以下のサイトをご参照願います。

www.ap.com/blog/improved-polar-plot-utility/

TEDSとは?

アコースティック測定を行う際は、まず、測定マイクの校正、感度調整から始めます。GRAS製品GRAS42AG(下図)のような音声レベル校正器を使うと、特性評価を行いたいDUTを使った測定マイクの感度を取得することが出来ます。しかし、センサーや解析ソフトウエアから直接マイクの感度を電気的に読み取ることはできないものでしょうか?

GRAS 42AG校正器

TEDS–the Transducer Electronic Data SheetはIEEE1451で規定された、プリアンプ内蔵のICにマイクの感度データを保存している方法になります。APx517Bアコースティックアナライザー(下図)やGRAS12BAまたは12BB CCPパワーモジュール(下図)のようなAPx500ソフトウエアや適切場インターフェース機器を組み合わせることで、TEDSのデータを読み取ることが出来ます。

APx517B アコースティックオーディオアナライザー
GRAS 12BB CCPパワーモジュール

利用するマイクを15分~1時間も校正に時間を要し、測定を開始するのではなく、APx測定ソフトウエアのマイク感度を直接読み込み、ボタンをクリックするだけで、校正は終わります。APx500 ソフトウエアは自動的に感度を読取り、測定に反映してくれます。一方、TEDSデータは非常に便利にできます。まず、TEDSデータは書き込まれた時点と同じ値を維持します。次に、アンプやアッテネーター等の影響も受けません。という訳で、定期的にマイクを校正するには十分な効果を発揮します。

APx500ソフトウェアで、TEDSデータを読み込み、マイク感度情報を設定いたします

測定マイクの感動を読取り、適用するにあたって、自動的に実行し、測定工程時間を節約できます。

詳細は以下のリンクを参照願います。

www.ap.com/blog/what-is-teds/

Pythonを使ったAPx500ソフトウエア制御方法とは?

Pythonを使ったAPx500制御

スクリプトでAPx500ソフトウエアを制御する際、APx500 APIを参照して、コマンドはランタイムでコンパイルしなければなりません。APIのライブラリーは.NET assemblies (dll files)に入っており、.NETランタイム環境上でしか実行できないので、標準のPython言語は使えません。カスタマイズしたIronPythonまたは、Pythonnetを追加したパッケージを活用することで、.NETライブラリーに対応致します。

Pythonnetは標準のPythonまたは最新のバージョンを使っている環境に適しております。  2020年12月現在、IronPythonはPython2.7をベースにしており、PythonnetはVersion3.8までの複数のバージョンに対応しています。

対して、APx500ソフトウエアはAPx500アプリケーションに対応したOSでのみ利用できることから、次のステップを行う必要がございます。OSの対応に関しては、以下のリンクを参照願います。

www.ap.com/technical-library/ap-software-windows-version-compatibility

ステップ1:Pythonのインストール

インストールする前に、Pythonnet GitHub Repositoryを使って、対応するPythinnetのバージョンを確認してください。github.com/pythonnet/pythonnet

2020年12月現在、対応しているバージョンは、2.7, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8です。(図1参照)

図1:Python対応リスト

確認後、www.Python.org.からインストールしてください。

ステップ2:Windows PathにPythonを追加します。

Pythonをインストール後、WindowsのコマンドプロンプトからPythonコマンドが使えるようにWindows Pathの設定を変更する必要がございます。Windows10の場合、

1.タスクバーでシステム環境変数の編集で検索すると、システムのプロパティが表示されます。詳細設定の環境変数をクリックします。

2.プロパティのシステム環境変数のPATHを見つけ、編集をクリックします。

3.PythonをインストールしたディレクトリをPathに追加致します。WindowsのタスクバーからPythonを検索し、右クリックで利用したいVersionを選択し、「ファイルを開く」を選択します。

4.Pythonのショートカットを選択し、ショートカットツールの「開く」を選択します。

5.エクスプローラーのアドレスバーから全ファイルのパスをコピーします。

6. システム環境変数の編集に戻って新規を開きます。

7. Pythonのパスを貼り付けて新しいパスを加えます。

8.新規をクリックし、コピーしたパスを貼り付けて、最後に\Scripts\を付け加えます。

9.OKをクリックし、システム環境変数が変更したことを確認します。

Pythonがパスが追加されているかを確認するには、Windowsのコマンドプロンプトを開き、”python-version”をタイプします。コマンドプロンプトはパスについかされたPythonのVersionを表示します。 (例、 Python 3.7.4).

ステップ3 パッケージマネージャーを使ってPythonnetをインストールする

PythonnetパッケージはPythonのパッケージマネージャーのpipを使ってインストールします。PipはPythonの新しいVersionに自動的にインストールされています。

Pipを使ってインストールするには、

  • Windowsのコマンドプロンプトを開きます。
  • pip install pythonnetをタイプします。

これでAPx500ソフトウエアを制御できる環境が整いました。

以下のリンクからPythonのスクリプトのデモが例示されています。例えば、APx500 APIを使ってソフトウェアの初期化やプロジェクトファイルのロード方法、シーケンスを走らせる、シーケンスを終えた後のデータ収集等の例になります。

www.ap.com/download/apx500-pythonnet-example

ItonPythonを使ってAPI開発を行う手順は以下のリンクを参照願います。

www.ap.com/technical-library/controlling-apx500-with-python

詳細は以下のサイトを参照願います。

www.ap.com/blog/controlling-apx500-software-using-python

何故チャープ信号は低→高周波数にスイープするのでしょうか?

チャープ信号は20Hzから20kHzまでの低い周波数から高い周波数を掃引致します。

ただし、従来のステップサイン掃引測定のような高い周波数から低い周波数の構成には対応しておりません。これは、DUTの線形、非線形性が分離されている結果であり、DUTのインパルス応答が高調波歪みの評価を決める一因になります。

図1:Chirp measurement result swept from low to high

図1はチャープ信号測定の結果です。時間-周波数ドメイン例はDUTの線形応答を示しています。高調波歪みも表示され、DUTの応答に平行な点線で表示されます。デコンボリューションという数学的プロセスを使って、DUTのインパルス応答はDUTの出力信号から引き出します。
遅延が取り除かれると、DUTの線形応答は図2の時間軸が0となる大きなインパルスになります。歪み成分はメインパルス前の小さなインパルス(h2,h3…)として表示されます。

図2:Impulse response swept low to high
図3:high to low chrip

図3のように、同じDUTと使って、高いチャープから低いチャープを適用すると、同様の結果が得られます。高調波応答も時間軸に沿って、基本周波数よりも上に表示されます。しかし、高いチャープから低いチャープへの応答がデコンボリューションの場合、高調波はDUTインパルス応答は図4のように右に移ります。

図4:Harmonics to the right of the DUT impulse response.

図からも分かりますように、高調波応答が線形応答が右に位置する場合、DUTインパルス応答は混合されます。必要な要素を分離する機能を防ぎます。この問題は、通常の部屋でアコースティック測定を行うには悪くする要因となります。この為、正確な高調波歪みがデータから引き出せません。これを防ぐために、低いチャープから高いチャープへと実行する測定となっています。

詳細は以下のサイトを参照お願い申し上げます。

www.ap.com/blog/why-are-chirps-always-swept-from-low-to-high/

様々な周波数応答測定

APx500ソフトウエアには様々な周波数応答測定の機能があることはご存知で しょうか? 実は以下の通り、10種類の測定機能があります。

  1. Frequency Response
  2. Continuous Sweep
  3. Acoustic Response
  4. Loudspeaker Production Test
  5. Stepped Frequency Sweep
  6. Bandpass Frequency Sweep
  7. Multitone
  8. Transfer Function – White Noise signal
  9. Transfer Function – Speech signal
  10. Signal Analyzer (FFT) – White Noise

図1のグラフは各測定機能を使って、ヘッドホンの周波数応答を示したものになります。

図1.周波数応答結果グラフ

#1Frequency Response, #2Continuous Sweep, #3Acoustic Response, #4Loudspeaker Production Test の4つの測定は、同じ技術(指数関数サイン波、またはチャープ技術)を使っています。#1Frequency Responseはシンプルに結果を表示します。これはチャープ信号を使って、短時間で測定ができます。#2Continuous Sweepは位相応答や歪み率等が加わっています。これもチャープ信号を使って測定致します。#3Acoustic Response#4 Loudspeaker Production Testはアコースティックトランスデューサーやスピーカーやマイクロホン等を測定する際に利用致します。また、インパルス応答に対する時間窓やゲートを制御できるようにもなっています。これは、無響室でない場所における反射を除外する際に利用できます。

#4Loudspeaker Production Testは周波数応答や歪み率、位相応答、インパルス応答やスピーカーのRub and Buzzやインピータンス測定やThiele-Smallパラメーター等の測定に利用致します。#5Stepped Frequency Sweepは最も古典的な周波数応答の測定方法です。サイン波を規定の間の周波数においてサイン波を発生させ、スイープしていきます。そして周波数応答、THD+N、THDや位相応答を測定致します。チャープ信号を使った測定に比べると、時間を要しますが、周波数の関数として、ノイズや歪み率を測定する唯一のソリューションであり、デファクトスタンダードの測定方法でもあります。

#6Bandpass Frequency Sweepもサイン波を使ったスイープ測定です。アコースティックデバイスを測定する際に利用致しますが、フィルターを用いて、高感度な信号を使ったStepped Frequency Sweepになります。Stepped Frequency Sweep は、広帯域でフィルターがかかっていない為、ノイズや歪みが含まれた結果を表示しますが、この測定を使うと、選択したWindow枠内の結果になるので、非常に高感度な結果を得られます。

#7Multitone Analyzerはオルガンのような多くのトーンを同時に利用した測定で、全てのキーを同時に下げていくようなトーンの音になっています。この測定のメリットは、チャープのような短時間での測定もありますが、ノイズやStepped Frequency Sweepのような非調和相関信号も測定ができます。逆にデメリットとしては、クレストファクターがサイン波やノイズやTD+Nの値よりも非常に高い値がでてしまうことです。これは高調波歪みや混変調歪み等が含まれている影響があります。

#8,9Transfer Functionはデバイスの周波数応答に変わる測定方法になります。昨今のモバイルハンドセットなどの通信機器はサイン波や他の信号を打ち消す最適な信号処理を行っており、従来の測定では、問題となっていました。Transfer functionはソースまたは刺激信号と応答信号の間の相関性を見出す測定になります。Transfer function に欠かせないものは刺激信号が周波数内でエネルギーを持っていることです。広帯域のノイズはテスト用としては非常に大きな信号ですが、人間のスピーチを録音して利用しています。この信号は、100Hz以下や4-10kHzの低いところでは、エネルギーは保有していませんが、有用な測定を行うには、何秒かのスピーチの情報を平均化する必要があります。

#10Signal Analyzerはホワイトノイズを再生する際に、FFTスペクトラムから周波数応答を読み取ろうとする際に利用致します。多くの平均化が求められますが、フラットな周波数応答はフラットなスぺクラムを生み出します。

精度、解析度 全てのチャープをベースにした測定やTransfer functionは非常に高い解析度の測定になっています。短時間の測定の間に数千の測定ポイントを取得する精度となります。一方、Stepped frequency sweeps やMultitoneは100程度の測定ポイントで実行しております。 ノイズ耐性チャープをベースとした測定やMultitoneやBandpass Frequency Sweepは、あいまいなノイズに対して、高い耐性があります。一方 Stepped Frequency Sweepsや Transfer FunctionやSignal Analyzerはノイズを排除できませんし、また環境から発生するノイズによって、 バイアスされる結果となりえます。

詳細は以下のサイトをご参照願います。

www.ap.com/blog/how-many-ways-can-we-measure-frequency-response/

オープンループオーディオテスト

クローズドループとオープンループオーディオテスト

通常のオーディオテストとしては、クローズドループを使っています。

例えば、オーディオアナライザーから発生される高音質のオーディオ刺激信号はDUTに入力し、DUTの出力信号を得られ、解析できます。クローズドループテストは、パワーアンプやオーディオ変換素子、ラウドスピーカーやマイクロホンやミキシングコンソール等の オーディオが即座に透過する装置の測定用途に利用されます。

オープンループはオーディオ信号が発生されず、DUTを介さない中で、測定する方法です。

オープンループテストは、特定のオーディオデバイス向けに利用されます。例えば、再生のみの機器(ブルーレイ/メディアプレーヤー等)はオーディオ入力素子がなく、DUTや接続しているサーバーからのデジタルオーディオファイルとして発信する刺激信号が必需となります。また、DUTからの出力がデジタルオーディオファイルとなる録音デバイスや、PCやタブレット、スマートフォン等多くのデバイスが再生と録音機能を持った装置となります。

これらの測定は個別に測定する必要があります。

オープンループテストを必要とする三つめのグループとしては、TVやラジオ等のストリーミング要素のある放送ネットワークの機器です。この場合、システムの入力は、出力は距離があり、分離されているので、オープンループ技術を駆使する必要があります。

オープンループテストでは、パイロットトーンやトリガーとなる信号が必要となります。その為、アナライザーは入力信号におけるDUTの応答を的確に見出すことができます。

再生用テスト信号の生成

オーディオ機器の再生機能のテストを行うには、高音質で、明らかにオーディオ信号とわかるものを割り当てる必要がございます。Big6のようなレベル、ゲインや周波数、THD+Nやクロストーク等はサイン波を使って測定できます。また、複雑なテストは段階的周波数スイープやピンクノイズ等が不可欠となります。

今回のようなテスト信号の生成用に、Audio Precision社としては、該社のサイトから無料でダウンロードできます、APx Waveform Generator Utilityを準備しております。これは700kB程度の小さなプログラムで、様々なサンプルレートや、チャンネル数やビット長等を生成できるオーディオテスト信号として利用できます。これらは、シーケンスモードで利用できるように設計されています。このユーティリティーソフトを使った周波数スイープは、APxのStepped Frequency Sweep measurementにあるリストの一部として認識し、測定できます。お持ちのアナライザーがデジタルI/Oモジュールを搭載している場合は、デジタルループバックで録音し、高音質のwavファイルを生成できます。

図1.Waveform Generate Utilityのプロパティー一例

frequency response measurementsにおいては、APxソフトウエアは以下の測定が可能です。 (1) オープンループ設定, (2)特定の刺激応答(例、Stepped Frequency Sweep, Multitone Analyzer, Continuous Sweep and Acoustic Response)便利なことに刺激し応答のwavファイルを自動生成致します。ただし、Transfer Function measurementにおいては、オープンループ周波数応答測定は可能ですが、wavファイルの生成はできません。

再生機能向けのテスト

オーディオデバイスの再生機能オープンループテストの方法は図2に示しました。この場合、DUTの出力はオーディオアナライザーの入力に接続され、手順としては以下の通りです。

  1. ジェネレーターを設定し、刺激信号をwavファイルとして保存します。
  2. 必要であれば、wavファイルをエンコード(例、mp3フォーマット等)致します。
  3. DUTに上記の刺激ファイルをインストールします。
  4. APx500 softwareのアナライザー測定を開始致します。
  5. DUTからテスト信号を再生します。
  6. オーディオアナライザーはDUTからの信号を得て、解析結果を表示します。
図2.オーディオデバイスの再生機能オープンループテスト

Wifiスピーカーやスマートスピーカー等のアコースティック再生製品の測定においては、特別な手順が必要となります。この場合は、APx Acoustic Response measurementで測定致します。その際、時間窓は信号を得てからの設定となります。

録音機能テスト

録音機能デバイスのテストは、再生用のテストと反対の設定になります。オーディオアナライザーはDUTの入力に接続し、アナライザーの入力は、’ File (Digital Units)’に設定致します。これはwavファイルからの入力を意味します。アナライザーからの入力信号はDUTに録音され、そのファイルはアナライザーで解析を行うことになります。図3に一連の手順を示しました。

1.オーディオアナライザー内の刺激信号を生成し、DUTで録音開始いたします。                                 2.Signal generatorを開始致します。                  3. 録音を終えたら、停止致します。                   4. 録音したファイル保管し、APxソフトウエア上に移行させます。     5. ファイルの形式がwavファイルでない場合は、wavファイルの形式にデコードします。                               6. wavファイルを測定、解析します。

アコースティックデバイスは特別な手順が必要になります。例えば、マウスシミュレーターを使った信号等が効果的です。

図3.オーディオデバイスの録音機能のオープンループテスト

以上がAPx500オーディオアナライザーを使ったオープンループテストになります。

詳細は以下のリンクを参照願います。

https://www.ap.com/blog/conducting-open-loop-audio-tests-with-apx-audio-analyzers/

  

APx500ソフトウェア デモモードで何ができますか?

図 1.APx500 Software splash screen and hardware detection window

APxアナライザーを接続せずに、APx500ソフトウエアを利用するには、デモモードが有効です。 デモモードで出来ることは限られていますが、以下のようなことが実現できます。

1.プロジェクトファイルの閲覧、編集

2.プロジェクトファイルの作成

3.保存したデータや測定の確認

4.ソフトウエアの評価や動作、挙動評価

APx500ソフトウエアはwww.ap.comから無償でダウンロードできます。デモモードを選択すると、ソフトウエアはデータは無効ですが、アナライザーが接続しているかのように動きます。また、自分で操作し、保存したプロジェクトファイルを自分流で解析、測定をも行えます。そのファイルを同僚や開発メンバーと共有することもでき、便利なモードです。

例えば、遠く離れた同僚が測定で苦慮している際、例えアナライザーを保有していなくても、プロジェクトファイルを共有すれば、シミュレーションして仲間を助けることも出来ます。もちろんデモモードでは、信号は発生しませんので、実際にソフトウエアがどのように動くのかを学びたいというには不向きです。

APx500Version5.0以降では、入出力でASIOを選択し、ASIO LoopbackをDUTとして選択頂くと、図2のように、シグナルジェネレーターが信号を発製し、アナライザーにループバックするというオプション機能が追加されました。

図2. Using the Demo Mode ASIO Loopback capability in APx500 software version 5.0 or later

これは、実際に測定しているかのような仮想測定環境下で、様々な設定方法やアナライザーの オプションを理解するのに役立つ手段となります。APx500デモモードはリモートサイトで働く仲間との間で、有効に測定評価できる手段です。是非試してください。

固定可能なアナログ出力レンジ(APx 500 Ver5からの機能)

今回説明致します機能はAPx500ソフトウエアVer5以降から盛り込まれた機能です。決まった出力レンジでアナログのジェネレーターを設定することでアコースティックデバイスや繊細な入力を持った電子デバイス等の測定に非常にお役に立つ機能になります。

今回の機能は、チャンネル毎にジェネレーターの出力レンジを選択できるようにしています。これは、出力レンジを切り替える際に発生する過渡電圧から保護するために、付加しました。例えば、繊細な電子デバイスのリブートやアンプを通したスピーカーのようなアコースティック測定等では、出力間で予期せぬ過渡電圧から起因するバースト音が発生することもしばしば起こりえます。

出力レンジ制御は、アナログOutput Settingダイアログの中にあります。図1のようにSignal Path SetupのOutput Configuration control groupのConnector Controlの右の歯車のアイコンをクリックすれば、利用できます。

図 1. Click the gear icon button beside the Output Connector control to access the Output Settings dialog.

デフォルトでは、Minimum Range fieldはAutoになっており、Range Maximumは、アナライザーのモデルやバランスド、アンバランスドにもよりますが、アナライザーが生成する最大電圧を示します。例えば、APx555Bで、アナログバランスド出力の条件では、26.66Vrmsを示します。

手動で設定したい場合は、Auto Rangeのチェックボックスを外します。例えば、APx555Bでバランスド出力の条件下で、チャンネル1のMinimum Rangeを1.0Vrmsと設定した場合、最大値は1.768Vrmsと設定されます。この値は、APx555Bの次の高いバランスド出力レンジの値に相当します。結果として、全ての信号は、1.768Vrms以下のレベルで生成され、それ以上の過渡電圧から保護するようになっています。

デフォルトの出力レンジは5dB刻みになっています。しかし、これもアナライザーのモデルに依ります。APx525Bのバランスド最低出力レンジはは377.2μVrmsですが、APx515Bでは284.5mVrmsと異なります。アンバランスドの出力レンジはバランスドの出力の約半分のレンジステップで設定されています。

詳しくは、以下のサイトを参照願います。

APx500で得られる結果

APxソフトウエアで測定できる共通なデータとしては、メーターによる結果です。

例えば、図1aに示しているような、一周波数に対するLevel and Gainの利得の値のようなものになります。図1bのような周波数応答測定の変位する周波数に対して、利得の推移を表すものもあります。また、インピーダンス測定のThiele-Smallパラメーターを使った結果表示は表形式で示されるものもあります。シーケンスモードによる測定では、全ての一次結果はプロジェクトに加えられる際に、有効となります。

図1. Examples of a Primary Meter Result (a) and XY Result (b) in the APx500 software

APx500ソフトウエアで得られる結果を説明する為に、ヘッドフォンの周波数応答の測定に、HATSと呼ばれるテスト機器を使うこともあります。図2はHATSを使って5回のRMSレベルの測定を行った結果を示しております。今回の測定では毎回ヘッドフォンをHATS機器から着脱を行いながら、測定しております。この際、ヘッドフォンの設置位置が重要な要素となります。この空間平均を取得する手法はヘッドフォンのテストの際には実用的な方法として利用されます。

図2. Gras社Kemar HATS機器を使ったアコースティック測定

この平均空間の他に、データ列から計算してマトリックスを生成することも出来ます。

以下はその生成手段の例です。

・グラフの下のFilm Stripの部分にカーソールを置き、右クリックを行い、Add Derived Resultを選択します。

・測定結果から、Addボタンをクリックし、Derived Resultを選択します。

・プロジェクトメニューからAdd Derived Resultを選択します。

Add Derived Resultを開くと、図3aのようなダイアログが開きます。ダイアログでは、ソースの制御やどのデータ、結果を選択し、新しい結果として引き出すか等選択ができます。

図3. The Add Derived Result dialog, showing (a) the Derived result pulldown menu, and Options sub-menus for (b) Min/Max Statistics, (c) Normalize/Invert, (d) Specify Data Points and (e) Smooth.

Add Derived Resultのダイアログにある、Derived controlはプルダウンメニューとなっています。

メニューのリストは、かなり細かい内容となっています。図3(b)(c)は最小/最大の状態を示すような選択ができます。

ヘッドフォンの測定データに戻りますと、図4は左右の空間平均値を示しています。このケースでは、図2のRMSレベル結果から派生される平均電力値が得られます。これを図5に示しました。

図 4. Spatial average of 5 measurements for the Left and Right earphones; Power Average results derived from the data in 図2.

図5. Derived Result Settings for the Power Average Derived Result in 図 4, and Result Specification for the Left Avg trace.

ヘッドフォンの品質における重要な事は、左右のヘッドフォン適合の周波数応答がどこまで一致しているかです。図4の空間平均データセットから得られたCompare Derived Resultを追加することで簡単に数量化できます。これにより、図6の左/右トラックグラフが生成されます。これは、ヘッドフォンの場合、左右のイヤフォンが約 100 Hzから8 kHzで±3 dB(完全に一致すると0 dBでフラットラインになります)。 図7に示すように、この結果は、Ch2の平均化された曲線をCh1の平均化された曲線と比較する比較結果となっています。。 比較結果は、滑らかな結果から得られ、次に電力平均結果から得られ、次にRMSレベルの主要結果から得られています。 このように、任意の数の派生結果をチェーンできます。

図6. Left/Right Track result created using a Compare Derived Result.

図7. Settings for the Compare Derived Result used to create the Left/Right Track result in 図 6.

次に、Meter Derived Resultについて考えてみましょう。 各イヤホンの出力を数値化するために単一の数値を得ようとします。その際、 特定のデータを使用して、500 Hzなどの基準周波数での周波数応答曲線の値を取得できます。 ただし、ヘッドフォンの周波数応答曲線は周波数によって変化するため、図8に示すように、中周波数範囲、たとえば500 Hz〜2 kHzのレベルの電力平均を検討する方が適切な場合があります。この結果は、 図4の空間平均の結果からデータポイントの結果から、周波数範囲内の左右の平均レベルの曲線を生成します。 次に、最小/最大統計–単一値–電力平均結果が、この中間結果から導き出されます。

図 8. Power averaged response from 500 Hz to 2 kHz.

発生結果は、測定データから情報を収集するのに役立つ優れたツールです。

詳細は以下のサイトを参照願います。

複数チャンネル同時入力機能

APx500ソフトウエアVer6では、複数同時入力対応ができる機能を盛り込んでいます。

複数チャンネル入力で、アナログ、デジタルの同時入力による測定ができるようになりました。これにより、例えば、デジタルマイクの感度を、アナログリファレンスマイクのRMSレベルの比較を行うことで、決めていくようなことに有用に利用できます。

複数入力機能は、シーケンスモード、ベンチモードで利用できます。デジタル、アナログ出力を同時に使うようなオーディオデバイスにとって、同時に評価できることもあり、開発用や生産ライン用にも有効に活用できます。デジタルマイクやスマートスピーカーや携帯電話やBluetoothヘッドセット等のデバイスの開発者にとって、アナログのリファレンスマイクとの連動させて、同時測定が行える非常に役に立つ機能です。ただし、FLEXではこの機能は使えませんのでご承知願います。

同時入力の機能を使った例として、

を参照願います。(日本語字幕対応の動画も、適宜アップしていきます。)

詳しいことは以下のサイトを参照願います。

任意の波形に対するAPxジェネレーターレベルの設定方法

APx500ソフトウエアを使うと、wavファイルをロードすることで、様々な任意の波形を生成でき、測定に寄与することが出来ます。しかし、波形の生成レベルを特定するのはかなり難しい 事です。今回、その生成レベルと測定レベルの相関性を述べたいと思います。

APxアナライザーによる測定で得られた波形はwavファイルのような波形ファイルとして保管されていますが、そのスケールはrms(実効値)レベルで保存されます。今回APx Waveform Generator Utilityで作ったReference Level.wavファイルを使って考えていきましょう。このファイルは、0, -1, -3, -20,-60 dBFSのレベルで997Hzのサイン波のReference Levelとしたファイルとして利用致します。APxジェネレーターレベルは0dBV(1.0Vrms)に設定されています。

ジェネレーターレベルと生成したレベルとの相関性は任意の波形では簡単に語れるものではございません。図1はAPxソフトウエアの一部POLQA-F1-S1-48k.wavを使ったPOLQAの会話による波形を示しています。上のグラフは入力コネクタを利用して測定し、-1~+1Dの範囲に分布しています。真ん中のグラフは、アナログループバックで得た信号を示しています。

レベルは1.0Vrmsに設定しています。下のグラフは、信号の時間に対するRMSレベルを示したグラフになっています。ベンチモードで取得し、250ポイント/秒で測定しております。Rmsレベルは-115dBV(ノイズフロア)~-13dBVと変化しています。会話のレベルは約-25dBVで測定しています。信号の全てのrmsレベルの評価は、RMSから得られる結果から簡単に取得できます。(取得方法は、結果表示エリアにカーソールを置き、右クリックでAdd Derived Result – Min/Max Statistics – Single Value – RMSの順で設定致します。)

図1の全てのrms値は-23.085dBFSです。

図1. A speech waveform (top) loaded as a .wav file into the generator; the waveform acquired in analog loopback (middle) and its RMS Level versus time (bottom) recorded at 250 readings per second.

デジタルフルスケールでピークを取った、ジェネレーターレベルと生成したサイン波との一対一での相関性は、デジタルフルスケールで任意の波形ファイルのピークを取る際に、有用に利用できます。図2の上のグラフは図1の会話レベルを示しています。下のグラフは、アナログループバックで測定した波形からの信号になります。ジェネレーターレベルは1.0Vで設定しています。

図2. The speech waveform of Figure 1 scaled such that the maximum instantaneous level is 1.0 D (top) and the waveform acquired when this signal is generated in analog loopback at a Generator Level of 1.0 VP

任意の波形に対して、ジェネレーターレベルの設定を決める方法は以下の通りです。

1.測定したい帯域において、Lowパス・Highパスフィルターを設定します。
2.初期値としてVG1をジェネレーターレベルとして設定します。
3. 信号を生成し、VM1を値として測定します。
4. 式(1)(VrmsやdBFSのリニアレベルの単位を使った)またはdB単位(dBVやdBFS)を使った式(2)を利用して目標とした生成レベルを計算致します。

例えば、ターゲットとする測定rms値をVMT = -20.0 dBVと想定しましょう。図1の波形において、ジェネレーターレベルを 1.0 Vrms (VG1 = 0.0 dBV) で設定した際、VM1 = -23.08 dBVの値が測定されました。式2を使うと、VGT = +3.08 dBVとなります。この値は、目標値-20.0dBVの測定レベルでジェネレーターレベルを制御した結果と位置付けられます。

尚、ラウドスピーカーや特定の地点からのアコースティックレベルを設定するようなノンリニアのシステムでは、回数を重ねて測定することが想定されます。

詳細は以下のサイトをご参照お願い申し上げます。

グラフ上に複数の測定データをプロットする方法

APxシーケンスは一つのグラフで測定結果を報じし、比較することが出来ます。

今回は同じグラフに複数のデータを載せる手順に関して説明致します。

  • NavigatorのPre-Sequence StepsのDevice IDプロンプトをチェックします。

シーケンスが走る際のDevice IDを入力してください。(下図参照)

これでどこでもプロンプトが出てくるようになります。

図 1: Device ID prompt window.

2.測定結果や条件等はExport Result Dataでエクセルファイルで作成するように致します。

 Data Specificationを使って、グラフの条件を合わせこみます。Append if File Existsをチェックし、Y Data Onlyをチェックしません。Insert Variable in Headerをチェックし、DeviceIDを可変にします。

図 2: The example above exports the Gain result from Frequency Response.

3.テストしたいシーケンスを走らせ、X,Yの項にデータが追記されます。

4.測定が完了すれば、エクセルでExportデータが開きます。

  これは編集のみ対応でき、新たに入力はできません。

図3: The screenshot above shows a file created from 6 Gain measurements using Frequency Response.

5.ここからは要望に見合った編集を行います。

・セルA1のタイトルを変えます。

・DeviceIDの値を削除し(この場合はEQ1,EQ2,,,)、チャンネルラベルを入力します。(この場合は、CH1、CH2,,,)

・3列のX,Yのヘッダーを編集します。Xは周波数、YはGainと今回修正します。

・ファイル名を変更します。

図4. The edited version of the file for this example looks as shown above.

6.各測定での右クリックをし、Define New Resultを選択し、(X.Y)を選ぶと、グラフの下には前項で作ったファイル名のグラフが表示されます。これにはすべてのデータがプロットされます。(下図参照)

詳細は以下のサイトを参照願います。

APx555 B Series & ADC Test Mode Option

APx555Bはサイン波の周波数が安定した生成や、低残留歪みやコモンモードの

DCバイアスであるVBiasを生成できるADCテストモードを備えています。

まず、アナログ高性能サイン波ジェネレーターは、コンプレッサーやリミッターやアンプ、コーデック、DSPのような高性能オーディオデバイスの開発に広く訴求できるものを備えています。エンハンスドアナログジェネレーター(EAG)は低歪みのサイン波ジェネレーターと、高精度のサイン波アナライザーに加え、30ppm以下の精度を持ったサイン波周波数安定度を兼ね備えております。また、5Hzから100kHzまでの低歪みアナログサイン波バースト信号を生成したり、バランスドのチャンネル出力の極性を反転させることも可能にしています。

加えて、THD+Nは50kH以上(-2dB)で、THDは5kHz以上で(-2~-5dB)と、非常に低い残留歪みを誇っております。

次に複数のADコンバーターの複雑なテストや検証を行うにあたり、APx555BはコモンモードのDCオフセット電圧を校正し、混在したバランスドアナログオーディオ信号を生成するADCテストモードオプションを搭載しています。この機能は、オーディオコーデックやADC ICのようなDCバイアス電圧を使い、単一電源電圧や入力を操作したいデバイスをテストする際に有用となります。さらにADCテストモードは過電圧からの損傷を防ぐプラグラマブルな電圧制限も内蔵しています。

詳細をご確認する際は以下のサイトを参照願います。

APx Bluetooth Duo Moduleセットアップガイド

APではBluetoothの測定にはBluetooth Duoモジュールを使って測定致します。Bluetooth DuoモジュールはAPx500ソフトウエア(Ver4.5以降が対応)とDUTを使います。

今回、そのセットアップに関して、説明致します。

APx500ソフトウエア上でBluetooth Duoをセットアップ

  1. APx500ソフトウエアを開き、 “Signal Path Setup – Input/Output”で “Bluetooth” をアナライザの入力、または出力で選択。今回はアナライザの入力として“Bluetooth”を選択。

2.設定ダイアログが表示されます。

3.設定したいBluetoothプロファイルを選択します。例えば、A2DP Sink, HFP Hands-Free, AVRCP Controller.等があたります。

4. “Scan for Devices”を選び、ペアリングしたいデバイスを特定します。デバイスリストから選択し “Pair”をクリックします。 ペアリングが出来れば、“Connect”選択します。

5. このような例で全てのプロファイルを選べます。デバイスの接続が完了したら、入力ステータスモニターが接続を示します。下図のような追加の制御や接続、ペアリングコーデックの設定等ができます。その後、設定ダイアログを閉じます。

6. 次にテスト信号を再生します。今回は、テストファイルを既に格納したスマートホンをペアリングして測定します。

7. デバイスでテストファイルを再生します。ステータスモニターでストリーミングの状態が分かります。また、スコープモニターで波形が観測できます。

参考までに: Input Configurationダイアログを使うことで、ストリーミングを制御できえる AVRCPコマンドを利用できます。また、電話のアンサートーンをエミュレート出来る様、HFP hands-freeを使って、SCOを開けることもできます。

動画でも参照できます。(下記リンク)

APx Bluetooth DuoモジュールはBluetooth 4.2仕様を則った仕様になっています。 このモジュールは、以下のプロファイルに対応しています。

Handsfree Profile (HFP v1.7) /Headset Profile (HSP v1.2) /Audio-Video Remote Control Profile (AVRCP v1.4) /Advanced Audio Distribution Profile (A2DP v1.3)   また、ソースやシンクの特定やA2DPのソースとシンクの役割のスイッチやHFP/HSPオーディオゲートウエイやハンズフリーやAVRCPターゲットやコントローラー等の制御もできます。

詳細は以下のサイトを参照願います。

サウンドカードを使った測定

APx500 Flexはサードパーティー製のオーディオインターフェースとAPx500ソフトウエアを使って測定できます。APx500ソフトウエアはVersion4.2 以降、サードパーティー製のASIOオーディオインターフェイスに対応しています。これにより、Automotive Audio Bus®(A2B)や Dante™やFocusrite RedNet PCIe®サウンドカードやSoundwire™ MIPI Interface®などの他のインターフェースとASIOインターフェースを介して測定できます。

多くのオーディオ測定が従来のAPxアナライザから見いだされる自らの機器の低ノイズや高い入力電圧やわずかな歪曲の測定だけを求めているのではありません。例えば、スピーカーの製造ラインでは、代表値としえ80~114dBSPLの間で測定しています。マイクの感度においても1Vrmsよりもはるかに高い入力信号を求める必要もありません。多くの工場は80dBSPLのような騒音があり、その中でマイクロホンの測定が容易になされているのが現状です。

Acoustics Measurement vs ASIO Interface Residual vs APx555 Residual

例えば上のグラフはVrmsで示した3種類のFFT特性ですが、

1.50mV/Pa感度のマイクロホンの出力で、1kHz時に1パスカルのサイン波を発生しています。

2.同様の条件で、ASIOオーディオインターフェースの高調波歪みとノイズを表しています。

3.APx555Bを使って、同条件での高調波歪みとノイズを表しています。

結果、1の場合、-36dBのTHD+Nを得られ、2のASIOインターフェースは28μVの機器自身のノイズと50mV時では-65dBのTHD+Nが、3のAPx555Bでは840nVrms、50mV時で-96dBのTHD+Nの結果が得られました。

つまり、APx555BはASIOより50dB程低いノイズ制御がある一方、ASIOは約30dB程アコースティックの周りのノイズよりも静かであることが分かります。

オーディオプレシジョンが設立する5年ほど前は、Creative Labs™ SoundBlaster®がPCサウンドカードとして隆盛を誇っておりました。その時点ではオプションにも加えることはなかった時代ですが、35年経った今は、状況が大きく変わりました。

高品質のDAコンバーターやADコンバーターが低価格のオーディオインターフェースの良さを引き出すような今般では、APx500FLEXは、価格と測定環境、性能との間のバランスで選ぶような製品として位置付けるものとして、評価される製品と認識しています。

サウンドカードでは、高出力アンプや低ノイズ・低歪みのDAコンバーターやADコンバーター等多くのデバイスは測定できないかもしれません。しかし、ASIOインターフェースやサウンドカードはスピーカーやマクロホンやヘッドホンなと充分に測定する機能はあります。ただし、APxアナライザに比べると、忠実に、ダイナミックレンジやその他機能を測定することは難しいことも否めません。

例えば、Bluetoothヘッドホンやジッター測定等ユニークな測定等APx500Bアナライザでないとできないものとすみ分けを行いながら、各製品共存していければと考えています。

さらに詳しいことは以下のサイトをご参照願います。

一般的な部屋でのスピーカーのアコースティック測定

スピーカーの周波数応答測定は、非常に重要なものです。特に自由空間での測定は代表的なものです。無響室を備えているお客様であれば、特に気にする必要はありませんが、必ずしも誰もが測定できる環境下ではありません。

今回APx500ソフトウエアを使って、一般的な半残響室で無響室の環境に近い測定をご紹介致します。ただし、スピーカーや部屋の大きさによって、数百Hzそれ以上の周波数の測定が行えるものと致します。

技術、理論上の確認を行いたい際は下記のリンクからApplication Noteをダウンロード頂ければ、参照できます。

測定で利用する際の部屋は周囲の騒音が低いレベルである点やスピーカーの指向方向に対して、距離があることが望まれます。図1のように、マイクとスピーカーの距離d(Mの3倍以上の距離を確保)し、可能であれば、10倍程度の距離を保てるようなスピーカーや部屋の広さが望ましいところです。

図 1. Schematic of loudspeaker on-axis measurement showing the direct sound path and the path of the nearest reflection

音はDUTからマイクロホンまでの距離dに対して進むのと一方、床や天井、壁等の反射による反射音が2dRの距離で進んできます。

最も近い反射時間はT = (2dR – d)/c となります。cは質問時の音速(約344m/sec)です。高さ2.4-3mの天井の一般的な部屋ではTは約5-6msecです。

図 2. A loudspeaker’s measured Impulse Response with the time window cursor positioned at T = 5 ms after the main impulse.

主インパルスの後に発生する細かいインパルスは反射によるものと思われます。(図2参照)また図3のような目立ったエネルギー曲線(高調波)としても判別できます。

図3. The Energy Time Curve result.

図2や3の点線は5msec時に引いています。APxソフトウエアは新たに設定した時間枠でRMSレベルを再計算致します。

図4はT=5msec(青)と1sec(紫)時におけるスピーカーのRMSレベルの結果を示しています。

灰色部分は1/T=200Hz時以下となり、データとしてあまり正確でない部分です。図4の結果からは400Hzから1kHzmでの周波数が非常に近似したデータとなっています。

図 4. The RMS Level result with curves corresponding to time windows of 1.0 s and 5 ms after the main impulse.

またその他スピーカー測定の環境としては、

・長方形の部屋であること。その際スピーカーとマイクロホンは対角線上に配置し、壁の反射による影響を防ぐように致します。

・2ウエイ、3ウエイのスピーカーに関しては、マイクをツイーターに向けることで高い周波数の測定にも有用になります。

詳細は下記のサイトでも参照できます。

APx500オーディオアナライザのアナログ入力性能は?

APx500ソフトウエアのアナログジェネレーター機能を使って決まった出力範囲を定められる一方、今回アナログ入力レンジの挙動に関して説明致します。

アナログ入力レンジ

APxオーディオアナライザの一般的に残留ノイズは1.0-1.4マイクロVrmsの間で変化します。一方、図1の通り、残留ノイズがより低ければ、周波数応答を使って、100ナノVrmsまたはそれより低いレンジの測定できます。

図 1. FFT spectrum of typical APx555 analog input noise (320 mV input range, input shorted, FFT bin width = 1 Hz, 100 averages)

APxオーディオアナライザでは、入力タイプ(バランス、アンバランス)や機種によって、80~300Vrmsまで上限の電圧測定を変えることができます。つまり電圧測定はダイナミックレンジ180-190dBの範囲まで広げられるようになっています。これまで180dBのダイナミックレンジのアナログ回路や120dB以下のADコンバーターでさえも物理的には測定が困難であったのですが、数10ナノVから数100Vまでの広範なダイナミックレンジの電圧測定を可能に致しました。

APx500シリーズは10dB刻みの入力ステップに対応しています。例えばAPx525Bは標準で入力レンジが0.32,1,3,2,10,32,100,300Vと対応しており、APx500Bは6dB刻みでと高性能な入力レンジを保有しています。

オートレンジ

APxオーディオアナライザは標準でオートレンジという、入力レベルを自動的に変更きる機能を備えています。オートレンジをイネーブルにしたら、各チャンネルの最初の入力時における瞬時電圧を検知し、自動的にチャンネルの入力レンジに対する最低レンジを自動的に設定致します。このレンジングシステムは高電圧による損傷にさらされないよう、内部回路を保護する機能として非常に重要な役割をになっています。 

また、図2のように測定レンジが青のバーで記されているようにオーバーラップしています。レンジングシステムとしては、最小の320mVは320mVを10%超える範囲まで対応しており、1Vのレンジも10%の範囲を超えるまでは標準対応となっています。その後3,2Vのレンジに上がっていきます。2Vrmsから下げる場合は、3.2Vのレンジは約0.9Vrmsまではカバーします。このようにレンジのオーバーラップした階層機能によって測定レンジを充分にカバーする構造となっています。

図 2. APx525 analog input ranges. (Note: approximately 5 decades removed from horizontal axis below 10-1 V).

入力レンジインジケーター

図3のような、APx500ソフトウエアユーザーインターフェースの右下にあるステータスバーにあるインジケーターはアナログの入力レンジを表しています。値は常に変化しています。この例では、APx555Bの2チャンネルを表示しております。チャンネル1は310mVでチャンネル2は620mVとなります。

図 3. The APx500 status bar, showing the analog input range indicator.

固定入力レンジ

オートレンジ機能は自動レンジを好まない規定の測定には適していません。そこでシーケンスモードで個々の測定を行う機能があります。図4に示されているようにAdvanced Settings button を使って設定できます。ベンチモードではオートレンジ機能は対応しております。またInput Configuration control groupの中の Input Range buttonからも設定ができます。ただし、入力電圧がMinimum Rangeで規定した電圧を超えて入力する場合は、次の上のステップの電圧レンジとなり、元には戻らないので気を付けてください。とはいえ、過電圧による破損を防ぐ設計思想となっています。

図4. Accessing the Input Range controls from a Sequence Mode measurement.

オートレンジ機能を使わないケースとは?

デフォルトではオートレンジ機能がイネーブルとなっていますが、この機能を使わないケースとして、考えられるのは、

1.リレー部品等を使った回路で周期の切り替えが多数入っている製品の測定 

2. 周囲の騒音レベルが影響を及ぼしそうなアコースティック測定      

3. 測定が開始後にレンジ変更が発生する際のチャープ測定          

4. 波形をファイルに保存するような測定

帯域外ノイズ

入力レンジに関してもう一点懸念しておくことは帯域外ノイズの存在です。APxアナライザはフィルターを内蔵しており、緻密な入力管理状態ですが、高い周波数ノイズを含んだ入力信号等を測定する場合は、うまく反映されないケースが生じます。例えば、D級クラスのパワーアンプの測定の際にはこのような状況が発生します。その際は、ローパスフィルターの機能となるAUX-0025またはAUX-0040の利用をお薦め致します。

DC電圧

入力チャンネルがDC結合の場合、電圧も入力レンジの選択に左右されます。特に気を付けるのはAPx582B/585B/586Bのような8チャンネル対応品のケースです。AC結合はデジタルフィルターを内蔵しておりますので、DC電圧が見られる解析を伴う回路に関しては、DCとACが混在混在した充分に考慮のいるレンジの選定が強いられます。このような際はAUX-0100という8チャンネルのプリアナライザーフィルターの使用をお薦め致します。これは高周波数の帯域外ノイズを除去する機能もあります。

さらに詳細内容をご確認したい際は以下のリンクを参照願います。

The “Big Six” Audio Measurements(Big6オーディオ測定)

ベンチマークはR&Dの開発チームの指標として使われますが、オーディオテストの世界ではDUTの性能を示す「Big6」という数少ないベンチマークが代表的なものとして活用しております。

         ・Level

         ・周波数応答

         ・全高調波歪みとノイズ

         ・位相

         ・クロストーク

         ・信号とノイズの比率(SN比)

①Level

最も基本的なオーディオ測定に使われる要素で、装置がどの程度のエネルギーを出力するのか?一方GainはAmplitude(振幅)を共通認識としての測定単位として利用されています。

各DUTはいくつかのLevel測定を持ち、エンジニアは目標となるLevelを設定して測定にあたっております。例えば、

・入力Levelは1Vや1Wやその他単位を使って出力Levelを導きだします。

・入力LevelはTHD+N1%のような出力の歪みを生み出します。

・あるLevelは操作卓で心地の良いノイズ性能を生み出します。等々

これらの値は、参照Levelを使っての測定結果となっています。

例えば、周波数応答測定は、中域周波数のLevelの相関性を使って表示しています。

THD+Nは特定のLevelの測定を行った結果を表示しています。等々Level測定を用いたGain考察例

DUTの入力電圧に対する出力電圧の比がDUT電圧のGainとなります。

またあるDUTはGainの調整が出来ず、固定であるケースもあります。さまざまなGainからLevelを測定するケース

ボリューム制御やGainに影響を及ぼす設定等のもつDUTはGainを変更できる装置です。

測定や設定に際して、望むような結果を導くDUT制御設定ができます。

②周波数応答

周波数応答は明らかに異なる周波数をもたらしているDUTの出力Levelを表示致します。

通常、全周波数応答測定は、2,3トーンから構成しています。同じLevelでトーンが発生すると想定したら、DUTの出力レベルは、それぞれの周波数において、表示されます。

全範囲の周波数応答測定はさまざまな方法で行うことはできますが、一般的には低周波数域から高周波数域へサイン波をスイープさせます。結果は平坦なグラフが表示されます。これは、DUTが全ての周波数に対して、同等に応答していることを示します。

下の図はその一例です。

Figure 1: Typical DUT flat frequency response curve.

③THD+N(全高調波歪み+ノイズ)

高調波歪みはオーディオ信号の新しいトーンに対する望まれていない追加の産物です。ある周波数F1のサイン波の信号にはF2,F3と2次、3時の高調波が発生しています。これらの高調波の合計が高調波歪みとなります。ところがノイズを除去して高調波を測定することは困難なことです。そこで一緒に測定することと致しました。この手法は特別ですが、広く受け入れられている性能測定となっています。

Phase(位相)

位相測定は参照する波形に対して、サイン波のような周期的な波形のサイクルにおける時間のオフセットに対して正か負を示す指標として利用されます。参照するものはシステムの中の異なったポイントにある同等の信号や違ったチャンネルにある関連した信号を利用します。

Figure 1: Demonstration of two channels being out-of-phase

この位相測定は装置の入出力やチャンネル間の位相に利用されます。位相変移は周波数により変化しますが、ある周波数の位相測定や周波数スイープの位相応答のプロットに使わることは珍しくありません。

⑤Crosstalk(クロストーク)

クロストークはあるチャンネルに他のチャンネルの出力からLevelを減少させる望ましくない信号の漏れになります。これを消失することはかなり困難なことです。クロストークはチャンネル間で影響を及ぼした結果であって、周波数と共に上昇する傾向があります。

⑥Signal-to-Noise Ratio(信号とノイズの比率;SN比)

SN比はDUTの最小または最大時の運用Levelで設定された信号比になります。例えば最大値での利用の場合は、ダイナミックレンジと呼ばれます。SNRはマイナス(-)で示されます。SNRはまず信号Levelを測定して、その後、測定帯域に対してフィルターを施しながら、ジェネレーターをoffにしてノイズLevelを測定します。この二つの比率がSNRとなります。

R&Dの開発者から製造に携わるところで、オーディオ測定は様々な評価方法を求められます。各DUTにおけるベンチマークや処方の確立は技術者にとって、製品の開発や創造における明確な判断を導く手段となっています。

尚、詳細な情報を参照したい場合は、以下の英語版サイトをご参照願います。

ベンチモードVSシーケンスモード

皆さんこんにちは、コーンズテクノロジーです。
今回はAudio precisionのインターフェイスであるベンチモードとシーケンスモードを比較していきたいと思います。

 この二つのモードはただ2つのソフトウェアの使用方法ではなく、2種異なる信号処理方法でもあります。シーケンスモードはシステムのオリジナルユーザーインターフェイスの標準ではあります。私たちはAPソフトウェアを使いやすく自動化する為にシーケンサーやレポートジェネレーターを組み込みました。

 また、私たちはハードウェア測定を慣れている玄人を完全にサポートする為に
ベンチモードを後から追加しました。彼らはソフトウェアを起動した直ぐに測定を始めたいという要望がありました。(裏話:私たちはこの機能を”ベンチモード”に名付けるまでは‘即時モード’という名前を使用しました。)ベンチモードとシーケンスモードの基本的な測定項目は同等ですが、測定結果(同じデバイスのTHD+Nをシーケンスモードとベンチモードとベンチモードで測定した結果)が微妙に違うのはなぜでしょうか?

 ベンチモードとシーケンスモードは基本的にオーディオサンプルを異なる手法で処理してます。
シーケンスモードでは、ほとんどのオーディオ測定結果は周波数領域処理によるものです。つまり、オーディオデータが取得され、フーリエ変換が適用された後、必要に応じてFFTビンを合計および分割することによって結果が抽出されます。ベンチモードでは、基本的な測定結果は時間領域による計算です。つまり、測定器中ではA/Dコンバーターに通った生データを瞬時の計算を実施しています。

 例えば、シーケンスモードでのRMSレベルの計算はオーディオサンプルを取得し、それらをフーリエ変換を介して周波数ドメイン表現に変換することによって計算します、測定パスバンドに従ってビンが選択され、最終的なRMSレベルの結果に到達するために、RSS(平方和の平方根)加算が実行されます。ベンチモードのフィルターは、オーディオサンプルのストリームで直接計算することにより、時間領域で同様に実装されます。
 まずはっきりしたいのは、上記いずれのモードは普遍的なものではありません。シーケンスモードではたくさんのフィルターが時間領域に実装され、例えば、準ピークノイズなどの一部の測定値は、時間領域ベースの信号処理によってのみ返されます。同様に、ベンチモードでは、時間領域信号周波数領域にフーリエ変換することにより、信号スペクトルが提供されます。

 しかし、この根本的な違いにより、測定結果がわずかに異なる場合があります。測定がベンチモードで行われるかシーケンスモードで行われるかによるものです。どちらの結果も必ずしも正しいものでも間違ったものでもありませんが、基になる信号処理の微妙な違いを明らかにします。

なぜサイン波を使用するの?

皆さんこんにちは。
コーンズテクノロジーです。

今回はオーディオの測定において、なぜサイン波を使用するのかについて話をしていきたいと思います。

 なぜ多数のオーディオ測定はサイン波を使うのか?この質問については少なくとも1週間に一回耳にしますね。サイン波に関する質問はたくさんありますが、最も基本的な質問から解説していきましょう。サイン波を趣味で聞いている方はいないでしょう。人々は主に音楽やスピーチを楽しんで聞きます、なのでそれらを最大限に再現するのは音声システムの目標となります。ではなぜオーディオ測定器はサイン波に注目するのでしょうか?

 サイン波の特徴は単一の周波数に100%のエナジーを集中することです。フーリエ分析によって、全ての信号は1つもしくは多数のサイン波で構成されてます。測定工程でのサイン波はプローブのようなものではあり、そのプローブを回路の特定箇所に当てるように正弦刺激信号は、その特定の周波数でのオーディオデバイスの応答を通知します。すべてのエネルギーが1つの周波数に集中しているため、その周波数以外のデバイスの出力のエネルギーはすべて、本質的なノイズや非線形フォームとなります。正弦波刺激を利用することによって、デバイスの応答をさらに分解できます。刺激信号の周波数の整数倍のエネルギーは高調波応答であり、対称、奇数次にさらに分割できます。高調波応答と非対称の偶数次高調波積です。例えば、パワーアンプは、パワーレールでハードクリップする傾向があり、奇数の高調波積を生成します。その場合、刺激周波数に関連しないエネルギーはノイズであり、そのノイズでさえも分類できます。例えば、50Hzもしくは60Hzあるいはそれら倍数の周波数帯のエネルギーはAC電源がシステムに浸透したものの可能性があります。つまり、単一周波数でエネルギーをデバイスに入れて、その応答を調べる事によって、デバイスについて色んな事を解明できます。非正弦波(音楽、スピーチ、ノイズなど)をデバイスに入力されると、デバイスのさまざまな非線形特性を応答から識別するのが難しくなります。

 更に、サイン波は他のオーディオ信号よりも波高率が低いため、デバイスを文字通りの限界まで物理的にプッシュする唯一のオーディオ信号です。クレストファクタは、信号のピークレベルとRMSレベルの比です。正弦波のクレストファクターは3 dBですが、音楽のクレストファクターは17 dB以上であることがよくあります。これは、正弦波が特定のピーク信号レベルに対して最も高いRMSレベルを持つことを意味します。したがって、正弦波は、アンプのパワーレールをクリップしたり、スピーカーのバックプレートを打ったりすることなく、パワーアンプまたはスピーカーをより強く押します。

最後に、サイン波はオーディオ測定の鍵です。正弦波がオーディオ測定技術を促進し、すべての初期のオーディオ測定技術に必要でした。THD + Nなどの測定は、正弦波に関して本質的に定義されます。新しい測定技術、特にFFTベースの方法は、ほぼすべての波形タイプを使用した測定を容易にしますが、新しい測定値を古い測定値と比較する場合は、正弦波を使用することが重要です。

それでは、なぜオーディオ測定ではサイン波を使用すが一般的に行われるのですか?測定の容易さと結果、他の信号タイプと比較したサイン信号のユニークな特性、そして最後に新しい測定技術を古い確立されたものと比較できるという測定の世界での重要性を示します。

~~Audio Precision社お役立ち情報のご紹介~~

新型ウイルスの影響により皆様におかれましても在宅勤務等様々イレギュラーな状況下にある方も多くいらっしゃることと思います。


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今回はAudio Precision社の多種多様なWebコンテンツをご紹介いたします!
テレワークの際等にも是非ご活用いただけたらと思います。

Blog

https://www.ap.com/blog/

各オーディオ測定にまつわるトピックに関連した記事が公開されてます(2020.4月2日更新)。

image.png

https://www.ap.com/blog/audio-test-sessions-with-apx-video-introduction-to-apx500-software/
本記事では、近日リリース予定の未発表情報についても少し触れております。是非、チェックしてみてください♪

動画コンテンツ

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数々の測定手法を動画でご紹介しております。現在は80本以上を配信しております。

★人気ページランキング ★
1位 Phase(位相測定) 驚異の10万回再生!

https://www.youtube.com/watch?v=OKsmqzRFFsk 

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https://www.youtube.com/watch?v=0Z_ctKqCWNM&t=55s 

 3位 THD+N(全高調波歪+ノイズ測定)

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Technical Library

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その他にもInstagramやTwitter、FacebookなどSNSで日々情報発信を行っています。是非、覗いてみてください♪

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mail : ctl-ap@cornes.jp

2019年11月28日、第一回製品セミナーを開催しました!

セミナー開場前、社員たちが準備している模様
たくさんの方が来場しました!

本日第一回の製品セミナーを開催しました。初めての主催にもかかわらず、会場を埋め尽くすほどの方々がいらっしゃいました。  内容メモしながらとても真剣に聞かれておりました。

オーディオ基礎やソフトウェアの使い方という内容で、 セミナー終了後でもたくさんのお客様からお問い合わせを頂き、とても活気のあるセミナーとなりました。

これからもAudio precision社製品に関するセミナーを開催していきたいと思いますので、御時間が合えばぜひご参加しください!