Especificaciones de Audio – Nota Rane 145



especificacion audio

Comparar objetivamente los distintos equipos de procesamiento de señales de audio era a menudo imposible, debido a que las hojas de datos (datasheets) no traian especificadas las condiciones bajo las cuales se obtenían los datos publicados.
Para solucionar ese problema se estableció que las especificaciones de audio deben ser acompañadas con las condiciones bajo las cuales fueron llevadas a cabo las pruebas.

Para entender las condiciones, primero debemos entender las pruebas. En la nota RANE 145 se presentan las pruebas de audio clásicas utilizadas para caracterizar el rendimiento de los equipos de audio. En ella se describen cada prueba y las condiciones necesarias para llevarla a cabo, voy a explicar las que me parecen más importante.

El término impedancia, se utiliza para hacer referencia a una constante resistencia pura, salvo indicación en contrario.

Distorsión de audio

Por su nombre ya podemos darnos cuenta que es una medida de señales no deseadas. Distorsión es el nombre que se da a todo lo que altera una señal pura de entrada en modo alguno que no sea el cambio de su magnitud. Si estuviéramos en presencia de un equipo ideal un análisis espectral de la salida debería mostrar únicamente la señal original de entrada -nada más- sin adición de componentes ni adición de ruido. Las siguientes pruebas se han diseñado para medir las diferentes formas de distorsión de audio.

Distorsión Armónica Total (THD)

¿Qué se mide? Una forma de no linealidad que produce la adicción de señales no deseadas armónicamente relacionadas a la señal de entrada. El espectro de salida muestra que se añaden componentes de frecuencias de 2x, 3x, 4x, 5x, y así sucesivamente, de la señal original pero no componentes fraccionales, por ejemplo, 2.6x de la original.

¿Cómo se mide? Se excita la unidad bajo prueba con una sola onda sinusoidal de alta pureza y, a continuación, se busca en la salida frecuencias, además de la que se aplica. Realizando un análisis espectral de la señal (con un analizador de espectro, o un analizador FFT) muestra que, además de la señal senoidal de entrada, hay componentes en los intervalos armónicos de la frecuencia de entrada.
La Distorsión Armónica Total (THD) se define como la razón entre las tensiones RMS de los armónicos a la de la componente fundamental y el nivel de la fundamental, se la expresa como porcentaje. La medición de los armónicos con precisión es difícil, tedioso, y no se hace comúnmente, en consecuencia, una prueba más comun es descrita a continuación (THD+N).

Condiciones requeridas. Debido a que las amplitudes de armonicas indivuales son medidas, el fabricante deberá indicar la frecuencia de la señal de prueba, su nivel y la ganancia establecida en la unidad de prueba, así como el número de armónicas medidas. La THD de una señal de 10 kHz a un nivel de +20 dBu utilizando ganancia máxima, tiende a diferir de la THD de una señal de 1 kHz a un nivel de -10 dBV y ganancia unitaria. Más diferencia aún se presenta si un fabricante mide 2 y otro 5 armonicas.
Para evitar esto, una especificacion completa debe medir la distorsión armónica en el rango de 20Hz a 20kHz, a un nivel de audio de +4 dBu. Para todos los equipos de procesamiento de señales, excepto los preamplificadores de micrófono, la mejor ganancia es la unidad. Tambien debe indicar el orden hasta el cual se midieron las armonicas.

Correcto: THD (5 orden) inferior al 0,01%, +4 dBu, 20-20kHz, ganancia unitaria
Erroneo: THD inferior a 0,01%

Distorsión Armónica Total + Ruido. (THD+N)

¿Qué se mide? Es muy similar a prueba de THD, excepto que en lugar de medir los armónicos esta prueba mide todo lo añadido a la señal de entrada. Esta es una prueba muy buena, ya todo lo que sale de la unidad, que no es la pura señal de prueba, es medido e incluido: armónicos, ruido, RFI, zumbido… todo.

¿Cómo se mide? THD + N es la suma RMS de todas las de componentes de señal (a excepción de la fundamental) a lo largo de un ancho de banda definido. Los Analizadores de distorsión realizan este analisis mediante la eliminación de la fundamental (con un filtro notch) y la midiendo lo que queda usando un filtro de ancho de banda (típicamente de 22 kHz, 30 kHz o 80 kHz). El resto contiene armónicas así como ruido aleatorio.

Condiciones requeridas. Idem a lo requerido por THD (frec, intensidad y ajuste de ganancia), excepto en lugar de indicar el número de armónicas medidas, el ancho de banda del ruido es indicada junto con cualquier filtro de ponderación se haya utilizado.

Correcto: THD+N inferior al 0,01%, +4 dBu, 20-20kHz, ganancia unitaria, 20kHz BW.
Erroneo: distorsión armónica total inferior al 0,01%

El valor de THD+N siempre va a ser un número más grande que el obtenido al medir la THD. Por esta razón, los fabricantes sin escrúpulos (o listos, dependiendo del punto de vista) eligen especificar el valor THD, en lugar del THD+N, que es más significativo y sencillo al momento de realizar comparaciones.

Distorsion Armonica THD y THD+N

Distorsion Armonica THD

Distorsion Armonica THD+N

Distorsión por Intermodulación (IMD)


Método SMPTE

¿Qué se mide? Productos de distorsión que no se encuentran armónicamente relacionados con la señal pura. Las pruebas para medir la distorsión por intermodulación fueron adoptadas por primera vez en los EEUU, como un procedimiento práctico en la industria cinematográfica en 1939 por la Society of Motion Picture Engineers, SMPE, la T corresponde a televisión que se agrego posterior-mente. Se convirtio en un estándar en 1941.

¿Cómo se mide? Se utilizan dos tonos (señales) de prueba, una de baja frecuencia (60Hz) y la otra de alta frecuencia (7KHz) no armónicamente relacionadas, en una proporción de amplitud 4:1 (otras frecuencias y amplitudes pueden utilizarse, por ej la norma DIN recomienda 250Hz y 8kHz). Estas señales se aplican a la unidad bajo análisis, y la señal de salida es examinada en busca de modulación de la señal de alta frecuencia por la de baja frecuencia. Los componentes de modulación de la señal superior aparecen como bandas laterales espaciadas en múltiplos del tono de baja frecuencia.

El ruido tiene poco efecto sobre las mediciones SMPTE porque la prueba utiliza un filtro pasa bajo que establece el ancho de banda de medición, lo que limita las componentes de ruido.

Condiciones requeridas. Para esta prueba se especifica el uso de tonos de 60Hz y 7kHz combinados en una proporción de 12 dB (4:1) y que el valor máximo de la señal sea declarada junto con los resultados. Sin embargo, la medición del valor pico es difícil, por lo cual se emplea otro método que consiste en definir el tono de baja frecuencia (60Hz) para +4 dBu y el tono de 7kHz a un valor de -8 dBu (12 dB menos).

Correcto: IMD (SMPTE) inferior al 0,01%, 60Hz/7kHz, 4:1, +4 dBu
Erroneo: IMD inferior al 0,01%

Intermodulacion-metodo-SMPTE

ecuac-3_SMPTE

m1 es el índice de modulación de f2 por f1
m2 es el índice de modulación de f2 por 2f1
mn es el índice de modulación de f2 por nf1

Método CCIF

¿Qué se mide? Este test fue recomendado por la International Telephonic Consultative Committee, CCIF, en 1937. Utilizando dos tonos de igual amplitud, poco espaciados, de alta frecuencia, se buscan frecuencias intermedias que se generan llamadas Beat frecuencies. En la actualidad la CCIF se convirtió en el sector de las radiocomunicaciones (UIT-R) de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), por lo tanto, ahora se conoce ésta prueba como IMD (UIT-R).

¿Cómo se mide? Las señales de prueba son un par de tonos de igual amplitud espaciados 1kHz. La no linealidad en la unidad produce intermodulación entre las dos señales. Estas son encontradas sustrayendo los dos tonos, encontrando la primer en 1kHz, la segunda puede encontrarse restando el segundo tono a 2 veces el primer tono, luego girando y sustrayendo el primer tono de 2 veces el segundo encontramos la tercera, y así sucesivamente. Por lo general, sólo las primeras dos o tres componentes se miden, pero para el caso a menudo visto de 19kHz y 20kHz, sólo el componente de 1kHz se mide.

Condiciones requeridas. Existen muchas variaciones para esta prueba. Por lo tanto, el fabricante tiene que explicar claramente las dos frecuencias utilizadas, y su nivel. La relación se entiende como 1:1.

Correcto: IMD (UIT-R) inferior al 0,01%, 19 kHz/20 kHz, 1:1, +4 dBu
Erroneo: IMD inferior al 0,01%

Intermodulacion-ccif

La diferencia en frecuencias de los tonos deben ser mayor que la frecuencia mínima de respuesta del amplificador pero próxima a esta. La atenuación del filtro a la componente 2f1-f2 debe ser de por lo menos 50dB.

ecuac-3_CCIF

Relación Señal Ruido (S/N)

¿Qué se mide? Esta especificación nos dice indirectamente cómo de ruidosa es una unidad. La S/N se calcula midiendo la señal de ruido presente a la salida, cuando no hay señal, y todos los controles en la posición estable- cida de manera prescrita. Esta relación se expresa en dB.

¿Cómo se mide? No se coloca una señal de entrada, sin embargo, la entrada no se deja libre. La práctica habitual es dejar la unidad conectada al generador de señales (con su baja impedancia de salida) para cero voltios. Alternativamente, un resistor de magnitud igual a la impedancia esperada se conecta entre las entradas. La magnitud del ruido de salida se mide mediante un voltímetro detector RMS. La tensión (o voltage) del ruido es una función del ancho de banda, a mayor ancho de banda, mayor es el ruido. Como este hecho físico es ineludible, se ha selecciona un ancho de banda de medición para el voltímetro. Si no se hace esto, el voltage del ruido medido sería muy alto. El ancho de banda común es de 22kHz (el adicional del 2kHz permite que el filtro limitador de ancho de banda no afecte y redusca la respuesta a 20kHz). Esto se denomina “piso” de medición, ya que todas las frecuencias se miden por igual.

Alternativamente, se utilizan filtros de ruido o filtros de ponderación, en la medición de ruido. La mayoría de las veces “escala A”, en lugar de uno de mayor precisión como el filtro 468 ITU-R (antiguo CCIR).
Algunos equipos de audio profesionales presentan la especificaciones de ruido a partir del filtro ponderado de escala A, pero esto es debido a que se puede “esconder” desagradables componentes de zumbidos que son perceptibles y empeoran la especificación de ruido. Siempre nos tenemos que preguntar si el fabricante está tratando de ocultar algo cuando veamos una especificación con un filtro ponderado A.

Los fabricantes se excusan bajo el pretexto de que el oído no es sensible a las bajas frecuencias en los niveles bajos (curvas de volumen Fletcher-Munson), pero este argumento es falso. Las curvas de Fletcher-Munson se basan en volúmenes iguales de tonos unitarios, no nos dicen nada acerca de la capacidad del oido de sincronización y bloqueo en tonos repetitivo -como zumbidos componentes- incluso cuando estos tonos se encuentran por debajo del ruido de fondo.

Una excepción se puede hacer si el equipo emplea convertidores A/D o D/A, ya que existen una serie de técnicas para llevar el ruido a niveles de frecuencias muy altas inaudibles.

Condiciones requeridas. Con el fin de que las cifras publicadas tengan algún significado, se debe incluir el ancho de banda de medición, incluidos los filtros de ponderación y el nivel de la señal de referencia. Afirmar que una unidad tiene una “S/N = 90dB” no tiene sentido sin saber cuál es el nivel de la señal, y sobre que ancho de banda se midio. Por ejemplo, si un producto referencia la S/N a su máximo nivel de salida de por ej. +20 dBu, y otro producto tiene el mismo valor de S/N = 90dB, pero su nivel de referencia es de +4 dBu, entonces el segundo producto, es de hecho 16 dB más silencioso. Del mismo modo, no se puede comparar con exactitud si se mide a través de una BW de 80kHz y otro utiliza 20kHz. El problema más común es no declarar ninguna condición.

Correcto: S/N = 90 dB re +4 dBu, 22 kHz BW, ganancia unitaria
Erroneo: S/N = 90 dB

Ancho de Banda o Respuesta en Frecuencia (BW)

¿Qué se mide? El ancho de banda del equipo o el rango de frecuencias que deja pasar. Todas las frecuencias por encima y por debajo de la respuesta de frecuencia del equipo son atenuadas (a veces severamente).

¿Cómo se mide? Se aplica a la unidad un tono de 1kHz de alta pureza y de amplitud precisa y la salida medida usando un voltimetro RMS calibrado en dB. Este valor se establece como punto de referencia de 0 dB, a continuación un generador realiza un barrido en frecuencia (desde el punto de referencia de 1kHz) mantenimiento la amplitud constante, hasta que se reduce en nivel por la cantidad especificada. Este punto se convierte en el límite de frecuencia superior. Luego el generador realiza un barrido desde 1kHz hacia frecuencias más bajas hasta que se encuentra el límite por la misma vía.

Condiciones requeridas. La reducción en el nivel de salida es relativo a 1kHz, por lo tanto el nivel de 1kHz se establece como el punto de 0 dB. Lo que debemos conocer es en qué nivel el fabricante establece el límite de atenuación. Suele ser 0,5 dB, 3 dB, o (entre los fabricantes de altavoces) hasta 10 dB.

Notar que en ningún momento se espera encontrar con una amplificación de la señal, si la respuesta de frecuencia de una unidad se eleva en cualquier momento, sobre todo los extremos, indica un problema de inestabilidad y lo mejor seria salir corriendo.
Un diseño apropiado de un equipo de audio de estado solido NUNCA va a presentar una ganancia en amplitud cuando se está midiendo su rango de frecuencia (los amp de valvulas son otra historia y ya no se emplean).

Correcto: Respuesta de frecuencia = 20-20 kHz, +0/-0,5 dB
Erroneo: Respuesta de frecuencia = 20-20 kHz

Rango Dinámico

¿Qué se mide? En primer lugar,se mide el máximo voltaje de salida y luego el piso de ruido de salida y se calcula su razon y se la expresa en dB.

¿Cómo se mide? El máximo voltaje de salida es medido como se indica más abajo, y el piso de ruido de salida se mide mediante un voltímetro RMS equipado con un filtro (con el generador de entrada a cero voltios).

Condiciones requeridas. Dado que es la razón entre la máxima señal de salida y el piso de ruido, el fabricante debe indicar cuál es el nivel máximo de lo contrario, no tenemos manera de evaluar el significado del número. Por ejemplo si una empresa dice que su producto tiene un rango dinámico de 120 dB y otra dice que el de ellos es de 126 dB, antes de comprar el número más grande, primero nos tenemos que preguntar: “¿En relación a qué?”” En segundo lugar, preguntar: “¿Medido en que ancho de banda, y fue usado algún filtro de ponderación?” No es posible determinar cual es mejor, sin conocer las condiciones requeridas.

Una vez más tenemos que tener cuidado si se empleo un filtro de ponderación A. El uso de estos filtros sólo debe aparecer en especificaciones de rango dinámico para los productos digitales con conversores A/D o D/A.

Correcto: Rango Dinámico = 120 dB re +26 dBu, 22 kHz BW
Incorrecto: Rango Dinámico = 120 dB

Máximo Nivel de Salida

¿Qué se mide? Se analiza la salida de la unidad para establecer la máxima señal posible, antes de recorte visible o un determinado nivel de distorsión.

¿Cómo se mide? La salida se carga con una resistencia estándar y se mide, tanto equilibrada o desequilibrada, con un osciloscopio y un analizador de distorsión. Una señal de entrada de 1 kHz se aumenta en amplitud hasta que en la salida se mide la cantidad especificada de distorsión, y ese valor es expresado en dBu. A continuación, la señal se barre por todo el rango de audio para comprobar que este nivel no cambia con la frecuencia.

Condiciones requeridas. Se presentan dos cuestiones importantes: la primera es la necesidad de saber si una unidad puede entregar el nivel de voltios suficientes para una aplicación determinada. La segundo es más difícil y potencialmente más grave, y es la capacidad de la unidad para entregar una señal, sin problemas de estabilidad, o pérdidas por frecuencia.

El fabricante deberá indicar si la especificación es para su uso equilibrado o desequilibrado (usualmente operaciones balanceadas resultan en 6 dB más), la distorsión usada para la determinación (con el valor preferido de 1% THD), en qué intervalo de frecuencia es esta especificación válida (preferida 20 Hz – 20 kHz), y que impedancia de carga está garantizada (se prefiere 2 kΩ o más, 600 Ω es obsoleto y ya no es necesario, excepto para aplicaciones especializadas, por ejemplo en telecomunicaciones).

Este último ítem sólo se aplica a las unidades de procesamiento de señales diseñadas como drivers de línea: Se debe especificar una longitud máxima de cable y las especificaciones del cable – ya sea especificando la marca y tipo, o dando la capacidad máxima del cable en pF/metro.

Correcto: Max Nivel de salida = +26 dBu balanceado, 20-20 kHz, >2k ohmios, <1% THD
Incorrecto: Max Nivel de salida = +26 dBu

Especificaciones audio Típicas

2 comentarios en “Especificaciones de Audio – Nota Rane 145

  1. Pingback: Bitacoras.com

  2. Pingback: Amplificador de Audio 20 W

Comments are closed.