analizador de audio

Un analizador de audio es un instrumento de prueba y medición que se utiliza para cuantificar objetivamente el rendimiento de audio de dispositivos electrónicos y electroacústicos. Las métricas de calidad de audio abarcan una amplia variedad de parámetros, como nivel , ganancia , ruido , distorsión armónica y de intermodulación , respuesta en frecuencia , fase relativa de las señales, diafonía entre canales y más. Además, muchos fabricantes tienen requisitos de comportamiento y conectividad para los dispositivos de audio que exigen pruebas y confirmaciones específicas.

El análisis de audio requiere que el dispositivo bajo prueba reciba una señal de estímulo con características conocidas, con la cual el analizador pueda comparar la señal de salida (respuesta) para determinar las diferencias expresadas en las mediciones específicas. Esta señal puede ser generada o controlada por el propio analizador o provenir de otra fuente (por ejemplo, una grabación), siempre que se definan las características relativas a la medición deseada.

Como equipos de prueba y medición, los analizadores de audio deben ofrecer un rendimiento muy superior al de los dispositivos típicos bajo prueba (DUT). Para ser considerados útiles, los analizadores de audio de alta calidad deben demostrar niveles extremadamente bajos de ruido, distorsión e interferencia, y deben hacerlo de forma consistente y fiable para ganarse la confianza de ingenieros y diseñadores. Por ejemplo, mientras que un reproductor de CD comercial puede alcanzar una relación de distorsión armónica total más ruido (THD+N) de aproximadamente -98  dB a 1  kHz, un analizador de audio de alta calidad puede presentar una THD+N tan baja como -121  dB (este es el rendimiento típico especificado para el Audio Precision APx555).

Los analizadores de audio se utilizan tanto en el desarrollo como en la producción de productos. Un ingeniero de diseño los encontrará muy útiles para comprender y optimizar el rendimiento del producto, mientras que un ingeniero de producción querrá realizar pruebas para confirmar rápidamente que las unidades cumplen con las especificaciones. Con frecuencia, los analizadores de audio se optimizan para uno de estos dos casos.

Entre los modelos de analizadores de audio más populares actualmente se incluyen: APx585 y APx555 (de Audio Precision), dScope M1 y Serie III (de Spectral Measurement, anteriormente Prism Sound), U8903A (de Agilent) y los analizadores UPP y UPV (de Rohde & Schwarz).

Una de las primeras fuentes fiables utilizadas para pruebas de audio fue el oscilador de audio HP200A , el primer producto fabricado por Hewlett-Packard en 1939. Su ingenioso y económico diseño permitía a los técnicos generar ondas sinusoidales de muy alta calidad y baja distorsión, ideales para realizar pruebas. Posteriormente, en 1941, la compañía presentó los analizadores de distorsión HP320A y HP320B.

Estos primeros analizadores solo podían determinar la distorsión armónica total y el ruido combinados, y funcionaban empleando un filtro de muesca pronunciada para eliminar la frecuencia fundamental de la señal de estímulo de la salida del dispositivo bajo prueba. La señal restante se medía como un voltaje de CA, lo que permitía el cálculo manual del ruido y la distorsión totales con una precisión mínima aproximada del 0,1 %.

Los productos posteriores de HP, Wandel & Goltermann, Radford, Marconi, Sound Technology y Amber continuaron perfeccionando las capacidades de medición desde la década de 1950 hasta la de 1970, pero el modelo de uso se mantuvo relativamente constante: los generadores y analizadores de señales eran equipos independientes, y las pruebas requerían una cuidadosa calibración de cada uno por parte de una persona con altas habilidades técnicas. Esto cambió en 1980 con la introducción del analizador de distorsión Tektronix AA501, que automatizó los procesos de ajuste de niveles, sintonización de frecuencia y anulación. En ese mismo momento, Hewlett-Packard presentó el popular HP8903B, que combinaba un generador y un analizador de señales de alta calidad en una sola unidad.

A mediados de los años ochenta, Tektronix cesó la producción de equipos de prueba de audio, y en 1984, miembros del equipo que había desarrollado el AA501 fundaron Audio Precision. El primer producto de Audio Precision fue el System One, que combinaba un generador y analizador integrados con una PC conectada para automatizar completamente los procedimientos de prueba y proporcionar una capacidad de procesamiento mucho mayor que la de los microprocesadores simples utilizados en otros productos de la época. El uso innovador de una PC permitió un alto grado de automatización personalizada y una presentación visual de los resultados radicalmente diferente.

Otros, como Prism Sound (dScope), Rohde & Schwarz (UPL) y Stanford Research (SR1), adoptaron la combinación de tecnología de PC con analizadores de audio. A medida que aumentaba la potencia de los PC disponibles, las mediciones pasaron de realizarse internamente mediante analizadores de audio a ejecutarse en aplicaciones en PC conectados que realizaban cálculos de FFT (Transformada Rápida de Fourier), lo que incrementó considerablemente la flexibilidad y la resolución de muchos resultados.

Además de la conexión analógica, los analizadores de audio actuales suelen ser capaces de generar y medir señales de audio a través de diversos tipos de entrada y salida digital. Por ejemplo, el Rohde & Schwarz UPP ofrece opciones AES/EBU , S/PDIF , I²S y HDMI ; los analizadores de la serie Audio Precision APx500 admiten AES/EBU, S/PDIF, I²S, HDMI, PDM (modulación por densidad de pulsos) y radio Bluetooth , y están totalmente basados ​​en DSP .

Un analizador de audio moderno consta de:

• Un generador de audio que proporciona estímulos, tanto analógicos como digitales, al dispositivo bajo prueba (DUT).
• Etapas de entrada de audio que reciben una respuesta del DUT, tanto analógica como digital, y la convierten en señales apropiadas (analógicas o digitales) para su análisis.
• Un analizador de señales que filtra la respuesta y calcula los resultados de las mediciones, comúnmente un PC conectado o integrado en las soluciones modernas.
• Una forma de salida para el usuario (pantalla, informe, etc.)

En una prueba de bucle cerrado, el motor de análisis controla el generador de audio mientras mide simultáneamente la salida del dispositivo bajo prueba (DUT), como se muestra a continuación:

El analizador de señales permite controlar tanto el generador de audio como las etapas de entrada de audio, garantizando así el cumplimiento de las condiciones de prueba. Esto también permite determinar con precisión las relaciones temporales entre el estímulo y la respuesta del dispositivo bajo prueba.

En una prueba de lazo abierto, el analizador de señales no tiene control sobre la fuente de audio que alimenta el dispositivo bajo prueba (DUT), por lo que el usuario debe asegurarse de que la fuente proporcione una señal con las características adecuadas. Las pruebas de lazo abierto son útiles para medir DUT que no tienen entrada de señal directa, como un reproductor de CD o MP3.

Los dispositivos electroacústicos, como altavoces y micrófonos, presentan problemas especiales para el análisis, ya que deben recibir o transmitir señales por el aire. En estos casos, el dispositivo bajo prueba (DUT) del modelo anterior debe sustituirse por el sistema electromecánico completo, por ejemplo, un amplificador de potencia para controlar un altavoz, un altavoz, un micrófono de medición y un preamplificador de micrófono. El dispositivo que se está probando solo puede medirse cuando los demás dispositivos del sistema están completamente caracterizados, de modo que sus contribuciones puedan restarse de la respuesta. Muchos analizadores de audio modernos incluyen secuencias de medición que automatizan este procedimiento, y los desarrollos recientes se han centrado en las mediciones cuasi-anecoicas. Estas técnicas permiten caracterizar los altavoces en un entorno no ideal (con ruido), sin necesidad de una cámara anecoica , lo que las hace ideales para su uso en la fabricación en líneas de producción de alto volumen. La mayoría de las mediciones cuasi-anecoicas se basan en una respuesta impulsional generada a partir de una onda sinusoidal cuya frecuencia se barre en una escala logarítmica, aplicando una función de ventana para eliminar cualquier reflexión acústica. El método de la onda sinusoidal barrida logarítmicamente aumenta la relación señal-ruido y también permite medir armónicos de distorsión individuales hasta la frecuencia de Nyquist , algo que antes era imposible con técnicas de análisis más antiguas como MLS (Secuencia de Longitud Máxima).

Un generador de audio apto para su uso en pruebas y mediciones debe cumplir varios criterios que se aplican tanto a estímulos analógicos como digitales:

• Capacidad para generar diferentes tipos de formas de onda.
  • Seno
  • Cuadrado
  • Multitono (un grupo de ondas sinusoidales simultáneas)
  • Barrido (cambiar continuamente de una frecuencia específica a otra)
  • Formas de onda de intermodulación estándar (SMPTE, DIN, DFD y DIM)
  • Formas de onda arbitrarias
• Distorsión y ruido residuales extremadamente bajos.
• Rango de amplitud suficiente
• Rango de frecuencia suficiente
• Extrema precisión de amplitud
• Precisión de frecuencia extremadamente alta
• Impedancia de fuente ajustable y precisa
• Opciones de salida balanceada/desbalanceada (analógica)
• Acoplamiento de CA y CC

Además, el generador permitirá definir un rango de frecuencia y una amplitud precisos del estímulo presentado al dispositivo bajo prueba (DUT). Esto es fundamental para alinear las condiciones de prueba con las características del DUT.

Antes de la introducción de los analizadores de audio integrados, los generadores de audio y los analizadores de frecuencia de audio eran equipos separados. En este artículo, el término "analizador de señal" se refiere al componente de un analizador de audio moderno que realiza las mediciones.

Ya sea que se implemente en circuitos analógicos, procesamiento digital de señales (DSP) o FFT, el motor analizador debe proporcionar implementaciones de alta precisión de:

• Voltímetro CA/CC (pico y RMS)
• Filtros de paso alto , paso bajo y ponderación
• Filtros de paso de banda y de rechazo de banda
• Contador de frecuencia

Dado que la mayoría de los instrumentos modernos son digitales, el análisis de señales se realiza con frecuencia mediante cálculos basados ​​en la transformada rápida de Fourier (FFT), lo que permite calcular muchos resultados en una sola pasada de prueba.

Los resultados de estas mediciones son procesados ​​por el analizador para convertirlos en datos legibles utilizando diversas unidades y formatos estándar, como voltios , dB , dBu , SPL , ohmios , porcentaje relativo, etc., según la medición específica que se esté registrando. Los resultados derivados se obtienen combinando varios resultados primarios en un resultado calculado.

Los analizadores de audio son capaces de medir muchos tipos de parámetros. Las mediciones fundamentales son:

• Nivel y ganancia : El nivel describe la magnitud de una señal y puede expresarse en términos absolutos o relativos. Las unidades absolutas más comunes son voltios , vatios , dBV y dBu , mientras que las mediciones relativas se expresan generalmente en dB . El nivel también puede considerarse como una medición de pico o una medición RMS . La ganancia es la relación entre el nivel de señal en la salida del dispositivo bajo prueba y el nivel de señal en la entrada, generalmente expresada en dB.
• Respuesta en frecuencia : mide el nivel de salida de un dispositivo bajo prueba (DUT) en función de la frecuencia. El nivel se expresa en las mismas unidades que las anteriores, normalmente dBV y dBu.
• Distorsión armónica total más ruido (THD+N) : Los productos de distorsión armónica son múltiplos de las frecuencias del estímulo, mientras que el ruido es energía que no guarda relación matemática con la señal de entrada. Como resultado de la señal, THD+N puede considerarse como todo el contenido de la respuesta del dispositivo bajo prueba que no está presente en el estímulo.
• Relación señal/ruido (SNR) : la relación entre la señal deseada y el ruido no deseado proveniente de un dispositivo bajo prueba (DUT), expresada en dB.
• Diafonía : presencia no deseada de una señal de un canal de audio en otros canales de audio del dispositivo bajo prueba (DUT). Dado que se trata de una relación, se expresa en dB.
• Fase : la relación temporal entre dos señales de idéntica frecuencia, expresada como una fracción del período de la señal. Generalmente se expresa en grados, siendo un ciclo completo de una señal sinusoidal de 360 ​​grados.
• Distorsión por intermodulación (IMD) : Distorsión que resulta de la mezcla no lineal de dos o más señales, generalmente dos ondas sinusoidales a diferentes frecuencias o la suma de una onda sinusoidal y una onda cuadrada. Además de los productos de distorsión en múltiplos armónicos de las frecuencias, también se encuentran productos en múltiplos de las sumas y diferencias de las frecuencias originales.
• Visualización en el dominio del tiempo : Equivalente a la visualización de la señal en un osciloscopio, que muestra la amplitud instantánea en función del tiempo.

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