Измерение шумов

Как ранее уже писалось, для правильного измерения шумов необходим прежде всего квадратичный вольтметр. Обычные вольтметры - тестеры, и т.д., в том числе и цифровые - для этих целей непригодны. Почему?

Да потому, что все они измеряют другие значения - средневыпрямленное, пиковое, и т.д., и т.п. При этом часто на шкале может быть даже написано "RMS", но это не соответствует истине, т.к. это шкала только проградуирована в этих значениях, а реально измеряется то, что написано выше. Такими приборами можно точно измерять только синусоидальный сигнал:для "синуса" между различными его значениями (средним, пиковым, эффективным) существуют строго определенные соотношения, и поправки на них уже внесены в конструкцию этих приборов. Благодаря этому, при измерении синусоидального сигнала результаты получаются достоверными, но при измерении шумов - увы!..

Для того, чтобы помочь Вам немного разобраться в этом многообразии различных значений одного и того же сигнала, внизу приведены три формулы, по которым они вычисляются:

Среднее значение сигнала, оно же - постоянная составляющая (DC)

Средневыпрямленное значение сигнала

Среднеквадратичное значение сигнала, оно же - эффективное

Так что, если Вы хотите получить при измерении шума достоверные результаты - то прежде всего убедитесь, что применяемый Вами для этих целей вольтметр - истинно квадратичный, а не его "суррогатный братец".

Итак, Вы взяли подходящий прибор, подключили его к выходу исследуемого Вами устройства и - можно уже измерять? Можно, но лучше - не нужно. Чего же еще не хватает? Несколько неочевидной вещи - осциллографа. Казалось бы - зачем? Вроде как собрались шум померить, а не посмотреть? Да, это так. Но...

Шумы в реальной студийной аппаратуре весьма малы, и составляют (в худших случаях!) доли милливольт. В силу их малости, даже самое незначительное присутствие других сигналов может сильнейшим образом повлиять на результаты измерений, исказив их "до полной неузнаваемости". Поэтому, чтобы точно знать, что измеряем мы уровень именно шумов, а не чего-то еще неизвестного, желательно (а скорее - необходимо) дополнительно осуществлять визуальный контроль исследуемого сигнала. (Кстати, это полезно всегда - дабы знать, что именно измеряется, а то - такого можно "намерять"!)

В сигнале - теоретически - всегда может присутствовать "много чего", например - фон, ультразвуковые наводки от цифровых цепей и т.д. и т.п. И чтобы не ошибиться - лучше этот сигнал еще и "посмотреть".

Подключать осциллограф нужно не к выходу исследуемого прибора, а к специальному выходу вольтметра. Практически в любом "нормальном" вольтметре есть специальное гнездо - "ВЫХОД". На него подается уже усиленный внутри вольтметра сигнал, и, подавая на осциллограф сигнал именно отсюда, Вы "убиваете двух зайцев".

Так как уровень исходного напряжения шумов очень мал - то, подав его на осциллограф напрямую, можно - скорее всего - вообще ничего не увидеть, т.к. чувствительность большинства осциллографов недостаточна для анализа слабых сигналов. Кроме этого, если Вы подключите осциллограф ко входу вольтметра - то сам осциллограф, вполне вероятно, сможет навести помехи на входные цепи вольтметра, и тогда - прощай, объективность измерений!

Ну - теперь, когда мы подключили к выходу исследуемого устройства вольтметр, а к его выходу - осциллограф, мы готовы к проведению измерений? Почти, но не совсем. (Не спешите!)

Дело в том, что современные "устройства обработки звуковых сигналов" (в широком смысле) - собраны, как правило, на весьма скоростных, высокочастотных элементах - транзисторах и микросхемах. Спектр их шумов может простираться очень далеко за пределы звукового диапазона, а так как вольтметр меряет "все", то его показания могут вследствие этого существенно отличаться от воспринимаемых "на слух", в звуковом диапазоне, величин. Как быть?

Да очень просто - включить в цепь измерительный фильтр, ограничивающий полосу частот, подаваемых на вольтметр, сигналами звукового диапазона, от 20Гц до 20кГц.

В некоторых моделях лабораторных вольтметров такие фильтры уже встроены в конструкцию прибора, а если у Вас такого фильтра нет - не беда, его несложно сделать и самому. Запомните - этот фильтр должен ограничивать ТОЛЬКО полосу частот, подаваемых на детектор (выпрямитель) вольтметра! И ничего более!

Вот теперь, имея все необходимое - вольтметр, фильтр звукового диапазона, осциллограф - можно смело приступать к измерениям.

Рассмотрим для начала параметр, вызывающий наибольшие затруднения - входной шум микрофонного усилителя. Если у Вас в описании пульта указано, что эта величина составляет, к примеру, -130дБ, то означает ли это, что отношение сигнал/шум будет составлять такую же точно величину? Нет, конечно.

В профессиональной аппаратуре вообще не очень часто указывается соотношение сигнал/шум, т.к. эта величина - неконкретна, и зависит от условий реальной работы. Это можно пояснить следующим примером: представьте, что некоторое устройство имеет выходной шум в 1 милливольт. Каково будет отношение сигнал/шум? Вы скажете - это будет зависеть от величины полезного сигнала!

Правильно. Если сигнал будет 1 вольт, то отношение сигнал/шум=60дБ, а если 10 вольт, то отношение сигнал/шум=80дБ.

Так и в случае с пультом - можно снимать выходной сигнал величиной 10 вольт, а можно - 250 милливольт. Естественно, что отношение сигнал/шум будет в этих случаях различно. Вот как раз чтобы избежать возможных разночтений, и указывается не отношение сигнал/шум а ФИЗИЧЕСКАЯ, "абсолютная" величина выходных шумов, только выраженная не в вольтах, а - для удобства ее использования на практике - в децибелах.

Посмотрите на спецификацию своего пульта - там вы увидите множество значений уровней шумов для многих случаев - когда мастер-фэйдер закрыт, открыт, одна ячейка открыта или несколько, и т.д. и т.п. Все это - именно реальные физические величины, а не отношение сигнал/шум!

Однако - вернемся к микрофонному входу. В описании указано: "EIN=-130dB". Как это понимать и измерять? "EIN" - это Equivalent Input Noise ("Эквивалентный Входной Шум"), то есть уровень шума устройства, приведенный ко входу. Для его измерения достаточно узнать коэффициент усиления и величину шумов на выходе устройства, а затем - вторую величину разделить на первую, и результат - выразить в децибелах.

Пример. Для измерения EIN необходимо сделать следующее: подключить(обязательно!) на вход вместо микрофона его эквивалент (постоянный резистор, номиналом 150 или 200 Ом - его величина обычно указывается в документации. Чаще всего - 150 Ом.), и установить регулятор GAIN на максимум. Измерить выходное напряжение шумов. Затем - отключить наш эквивалент микрофона, и подать на вход небольшой сигнал - к примеру, 1мВ. Измерить величину выходного сигнала. Разделив ее на величину входного, получим коэффициент усиления устройства. Допустим, вход - 1мВ, выход - 1В. 1В/1мВ=1000 раз, или 60дБ.

Если при измерении шума ранее было получено, к примеру, 0,25мВ (-70дБ), то для нашего устройства EIN=(-70дБ)-(60дБ)=-130дБ.

Казалось бы, для чего такая "громоздкая" и "малопонятная"(на первый взгляд) величина? А вот и нет, очень даже удобная! Вы получили РЕАЛЬНУЮ величину шумов на входе Вашего устройства. И теперь, при необходимости, очень легко узнать величину отношения сигнал/шум для любого сигнала. Для этого достаточно из полученной величины EIN вычесть уровень подаваемого на вход сигнала - и готово!

Пример. Допустим, Вы подаете на вход сигнал величиной 0,775мВ (-60дБ).

Сигнал/шум=EIN(дБ)-Uвх(дБ)=(-130дБ)-(-60дБ)=-70дБ. Все! Для данного входного сигнала, с этим предусилителем, отношения сигнал/шум большего, чем -70дБ, не получить. Хоть стреляйся!

Здесь необходимо сделать одно замечание. Дело в том, что нешумящих источников - не бывает! Шумит все, в том числе и резисторы. Тепловые шумы резистора номиналом 150 Ом составляют величину 0,22мкВ(или -131дБ). Плюс собственные шумы входного каскада... Поэтому, если у Вас вдруг получится, к примеру, -135дБ, то - проверьте приборы и все, что можно. Аналогично - некоторые, не совсем добросовестные фирмы указывают EIN=-134 дБ. НЕ бывает! (Если, конечно, после букв "дБ" не стоит буква "А").

Так мы постепенно подошли к применению так называемого "псофометрического фильтра"

Ох! Мало было осциллографа и одного фильтра! Новая напасть! Да, дай только этим инженерам волю... Что же это такое и для чего нужно? А вот для чего.

Как известно, чувствительность слуха к разным частотам - неодинакова, и поэтому два шума с одинаковой "приборной" величиной, измеренной в широкой полосе, могут "на слух" восприниматься совершенно по-разному. Чтобы учесть особенности именно слухового восприятия, в цепь измерения, кроме уже описанных устройств, дополнительно включается специальный фильтр, чья АЧХ соответствует чувствительности нашего уха к слабым сигналам. (В последнее время этот фильтр часто называют "взвешивающим".)

Существует множество таких фильтров, с АЧХ соответствующими свойствам слуха при различных громкостях - A,B,C,D. Но реально, для измерения шума, применяется только один - "А". Если измерения проводились с использованием этого фильтра, то в результате пишется не просто "дБ", но - "дБА", т.е. наличие обозначения "дБА" означает, что в результаты измерений внесена поправка, учитывающая особенности слухового восприятия. Эти данные более точно соответствуют тому, что мы слышим.

Различие между "просто дБ" и "дБА" зависит от спектра шума, и в общем случае - непредсказуемо, однако значение в "дБА" всегда меньше. Например, если у Вас напряжение шумов, измеренное в широкой полосе будет -80дБ, то при измерении с фильтром "А" это значение может быть и -85дБА.

В настоящее время существуют и еще некоторые другие виды АЧХ "взвешивающих" фильтров, а также методики измерения с использованием других вольтметров (пиковых), однако они пока не получили столь широкого распространения, как описанный выше, и поэтому здесь не рассматриваются.

Измерение шумов остальных устройств принципиальных отличий от описанного выше не имеет, и, как правило, особых затруднений не вызывает. Да и чаще всего это гораздо проще - например, для усилителей (и многого другого) вовсе не надо результаты никуда пересчитывать, "приводить ко входу" и т.д.

Только надо не забывать о подключении ко входу испытуемого устройства эквивалента источника сигнала, так как на "висящий в воздухе" вход может навестись все, что угодно. Замыкать же вход "на землю" не следует - это и методологически неверно, да и в силу возможных особенностей разводки "земляных" проводников в конкретном устройстве в этом случае вполне возможно возрастание уровня шумов, да и фона - тоже. (В практике автора, во всяком случае, такое бывало неоднократно.)

И не забывайте об обязательном контроле измеряемых величин визуально, по осциллографу!