Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik

AG Digitale Signalverarbeitung

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Audioanalyse

Existierende Messverfahren der Audiomesstechnik zur Messung von nichtlinearen Verzerrungen sind auf die Messung von analogen Geräten (Kennlinie) mit Hilfe von analogen Messgeräten (Oszillatoren, Bandfilter) zugeschnitten. Die gemessenen Parameter haben bei digitalen Audiogeräten, die z.B. nichtreguläre Verzerrungen aufweisen, nur eine geringe Aussagekraft. Die zur Messung verwendeten Testsignale (Eintonsignale, Mehrtonsignale) haben außerdem in der Regel nicht die Charakteristika der vorgesehenen Nutzsignale (Sprache, Musik). Dies führt dazu, daß die gemessenen Verzerrrungsgrößen nicht unbedingt die wahrgenomme Qualität eines Audiosystems entsprechen. Um eine psychoakustische Bewertung der durch ein Audiogerät entstehenden Verzerrungen durchführen zu können ist aber eine Messung der Verzerrungscharakteristik mit Betriebssignalen unumgänglich. Existierende Verfahren zur Bestimmung der wahrgenommenen Klangqualität beschränken sich auf die Bewertung von Audiocodecs wie MP3.

Im Rahmen dieses Projektes wird eine neue, auf digitalen Verfahren basierende Messtechnik entwickelt, die sich in zwei Teile gliedern lässt.

Im ersten Schritt wird mit möglichst hoher Effizienz der lineare Anteil der Übertragungscharkteristik des getesteten Systems bestimmt. Dies geschieht durch iteratives Messen mit Hilfe von Familien von binären Pseudozufallsfolgen. Dabei werden Familien von Maximalfolgen und Kasamifolgen eingesetzt.

Im zweiten Schritt wird ein Nutzsignal, also ein Musik- oder Sprachsignal in das System eingespeist und die Antwort gemessen. Danach werden die psychoakustischen Parameter wie Lautheit, Rauhigkeit, Schärfe und Klanghaftigkeit von Eingangs- und Ausgangssignal bestimmt und miteinander verglichen. Damit lässt sich zum einen eine Aussage über die durch das Audiosystem induzierte Änderung dieser Größen treffen; es lässt sich in gewisser Weise der Klag eines Audiosystems beschreiben. Zum anderen kann entschieden werden, ob die erzeugten Verzerrungen überhaupt hörbar sind.

Zusätzlich ist es Ziel des Projekts, einen Audioanalysator zu entwickeln, der sowohl klassische Messverfahren als auch die oben beschriebenen beherrscht. Die Software des Analysators wird in MATLAB implementiert. Die Hardware stellt analoge und digitale Interfaces zur Verfügung und wird über den USB mit dem PC verbunden.

Messung des linearen Anteils mit Pseudozufallsfolgen

Die Messung des linearen Anteils (Frequenzgang) sollte, wie oben bereits erwähnt, möglichst effizient sein. Breitbandige Signale erlauben die Messung des diskretisierten Frequenzgangs gleichzeitig an mehreren Punkten. Einfach zu erzeugende Breitbandsignale sind binäre Pseudozufallsfolgen, hier werden im speziellen Kasmifolgen und Maximalfolgen eingesetzt.

Zur Separation des linearen Anteils sind mehrere Iterationen (d.h. mehrere Messungen mit Folgen gleicher Länge) erforderlich. Bei den betrachteten binären Pseudozufallsfolgen existiert jeweils eine bestimmte Anzahl Folgen gleicher Länge, sogenannte Familien. Die maximale Anzahl der Iterationen ist begrenzt durch die Anzahl der Familienmitglieder. Der Crestfaktor ist dabei bei allen Familienmitgliedern gleich, was eine erneute Austeuerung vor jedem Iterationsschritt überflüssig macht. Die Bestimmung des linearen Anteils erfolgt bei der Messung mit gebräuchlichen Frequenzgangschätzern.

Entscheidende Eigenschaften der Testsignale bei diesen Messungen sind dabei die binären Pseudozufallsfolgen bisher wenig untersuchten Frequenzbereichseigenschaften.

Die Eignung des Verfahrens für verschiedene Verzerrungsmechanismen wird untersucht. Weiterhin wird untersucht, wie die mit diesem Verfahren bestimmbare Größe der nichtlinearen Verzerrungen mit den klassischen Verfahren (THD, IMD) in Beziehung zu setzen ist.

Psychoakustische Bewertung der Verzerrungen

Das psychoakustische Modell benötigt zwei Eingangssignale, zum einen ein Referenzsignal, zum zweiten ein Testsignal, die Unterschiede werden bewertet. Bildet man beispielsweise aus der Faltung des im ersten Schritt gemessenen, linearen Anteils der Systemantwort mit dem Nutzsignal und der Systemantwort auf das Nutzsignal die Differenz, so erhält man als Differenzsignal die nichtlinearen Verzerrungen des Systems, die bei der Übertragung des Nutzsignals entstehen. Je nachdem, welche beiden Signale als Eingangssignale für das Modell dienen, lassen sich drei verschiedene Verzerrungstest durchführen: ein Test auf lineare Verzerrungen, auf nichtlineare Verzerrungen und auf lineare und nichtlineare Verzerrungen zusammen.

Die Verzerrungen können mit einem psychoakustischen Modell prinzipiell auf zwei Arten bewertet werden. Die beiden Vorgehensweisen entsprechen den in der Bewertung von Audiocodecs üblichen Ansätzen.

Bei der ersten Methode wird aus dem Referenzsignal eine Maskierungsschwelle berechnet. Unterhalb dieser Schwelle liegende Signalanteile bzw. Störungen werden nicht wahrgenommen. Liegen die gemessenen Störungen unterhalb dieser Maskierungsschwelle, so sind sie nicht hörbar.

Beim zweiten Ansatz zur psychoakustischen Bewertung wird die gehörrichtige Darstellung von Referenz- und Testsignal miteinander verglichen. Aufbauend auf dem Konzept der JND (Just noticeable differences) wird beurteilt, ob die Unterschiede zwischen Referenz- und Testsignal wahrnehmbar sind. Dieses Grundprinzip wird von den meisten Qualitätsbewertungsverfahren für Audiocodecs verwendet.

Neben der harten Unterscheidung hörbar / nicht hörbar gibt es den Ansatz der Berechnung einer Entdeckungswahrscheinlichkeit einer Störung.

Zur Bewertung der harmonischen Eigenschaften von Störsignalen wird oft auch noch die Darstellung der Signale bzw. Störungen im Frequenzbereich mit einer linearen Frequenzskala verwendet. Bei dieser Darstellung werden keine Gehöreigenschaften berücksichtigt, aufgrund der linearen Skala lassen sich harmonische Störsignale einfach erkennen.

Existierende Test bewerten jeweils nur die Hörbarkeit von Störungen bzw. bilden deren Störwirkung auf einer linearen Skala ab. Die im Rahmen dieses Projekts entwickelten Test zielen auf eine nähere Beschreibung der klanglichen Eigenschaften der erzeugten Störungen und somit des Audiosystems ab.

Audioanalysator

Aufgrund der Implementierung der verwendeten Meßverfahren unter MATLAB, besteht die benötigte Hardware aus digitalen und analogen Audiointerfaces die an einem PC angeschlossen werden. Die Anbindung der Hardware an MATLAB kann über ein ASIO-Interface oder den USB erfolgen. Das USB-Interface im Analystaor ist auf einer am Lehrstuhl für digitale Signalverarbeitung entwickelten DSP-Karte vorhanden.

Da die Signalerzeugung und Analyse digital arbeiten, erfolgt die Verbindung zur analogen Welt über D/A- und A/D-Wandler, deren Qualität entscheidend für das Auflösungsvermögen und die obere Grenzfrequenz sind.

Um die Anforderungen an einen praktikablen Audioanlysator zu erfüllen, wurde eine eigene Hardware bestehend aus DSP-Karte, D/A- und A/D-Wandler und einer Steurplatine entwickelt.

Die im Analysator eingesetzte DSP-Karte besitzt AES/EBU kompatible digitale Audioschnittstellen mit 2 Eingangskanälen und 6 Ausgangskanälen, insgesamt können maximal 8 Eingangs- und 8 Ausgangskanäle (I2S) gleichzeitig genutzt werden. Die Karte verfügt über eine Speicherausstattung von 512k x 24 bit RAM und 1Mbit Flash-ROM. An dem Bus des DSPs ist ein USB-Controller angeschlossen.

Von den digitalen AES-Audioschnittstellensind ein Stereo-Eingang und ein Stereo-Ausgang zum Messen digitaler Audiogeräte nach außen geführt.

Das CPLD auf der Steuerplatine verteilt die Signale über zwei Bausteine zur galvanischen Trennung an den D/A- und den A/D-Wandler. Er kann bei zukünftigen Versionen des Analysators zum Umschalten zwischen einer ADAT-Schnittstelle und den integrierten Wandlern genutzt werden. Ein zweiter CPLD-Baustein steuert die Relais auf den beiden Wandlerkarten, die zur Umschaltung des Eingangsspannungsbereichs (0-100 V), der Eingänge (Mikophon / Line), der Ein- und Ausgangsimpedanzen usw. dienen. So lässt sich eine automatische Messbereichswahl für den A/D-Wandler realisieren und die Verstärkung für evtl. angeschlossene Mikrophone einstellen.

Die Analog/Digitalwandlerkarte hat zwei symmetrische Eingänge und ist mit schaltbaren Verstärkern und Abschwächern vor dem D/A-Wandler ausgestattet. Die Mikrophoneingänge besitzen eine 48 V Phantomspeisung, die den direkten Anschluß hochwertiger Meßmikrophone erlaubt. Die Verstärkung ist von -40 bis +66 dB einstellbar. Die Digital/Analogwandlerkarte besitzt zwei elektrisch symmetrische Ausgänge und Verstärker / Abschwächer zwischen D/A-Wandler und Ausgang.

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