Что такое фаза звука

23

Фаза, противофаза и фазовый сдвиг

В этой статье рассмотрим такой важный вопрос, как фаза аудиосигнала.

При упоминании раздела школьной физики о гармонических колебаниях первое, что приходит на ум, — это то, что фаза представляет собой аргумент периодической функции, определяющий амплитуду сигнала в определенный момент времени.

Что нам от этого в музыкальном плане? И где же могут возникнуть проблемы с этой самой фазой?

Представьте, что мы записываем гитару. Звук снимается с комбоусилителя с помощью двух микрофонов. Сигнал из них микшируется, а затем идет в один канал. Как раз суммирование двух сигналов и может привести к возникновению проблем с фазой.

Сигналы в фазе

Наблюдается идеальное повторение сигналов, при котором «пики и впадины» их амплитуд абсолютно синхронны во времени. В таком случае говорят, что сигналы «в фазе». На практике это означает, что будет иметь место усиление сигналами друг друга. И в идеале амплитуда результирующего сигнала будет равна сумме амплитуд каждого сигнала.

Такой расклад не только ничем нам не грозит, а даже наоборот является весьма желанным и полезным в большинстве случаев.

Сигналы в противофазе

На осциллографе заметно, что «пик» первого сигнала совпадает с «впадиной» второго. Из этого несложно сделать вывод, что в результате сложения таких колебаний в идеале получится абсолютный ноль или, иными словами, взаимное подавление обоих сигналов.

Такой расклад ничего хорошего не принесет, поэтому его стоит всячески избегать.

Фазовый сдвиг

Фазовый сдвиг подразумевает запаздывание первого сигнала по времени относительно второго.

При двух гармонических колебаниях одной частоты результатом сдвига фаз будет частичное ослабление сигнала. Степень ослабления результирующего сигнала будет зависеть как раз от этого самого сдвига фаз. В предельном случае на выходе получится абсолютный ноль.

Все эти иллюстрации только отдаленно относятся к практическим реалиям. Звук музыкального инструмента — это ведь отнюдь не одночастотный сигнал. Звук гитары или какого-либо другого инструмента характеризуется довольно большим количеством обертонов.

Поэтому частичный сдвиг фаз может приводить к большему ослаблению одних частот по сравнению с другими, и даже к усилению некоторых из них. Можно легко догадаться, что на все это влияет сдвиг фаз между конкретными гармониками.

К слову сказать, как раз этот принцип усиления одних частот и ослабления других лежит в основе всем известного эффекта – фейзера. Схема включает в себя частотные фильтры, цепи обратной связи и смешивание обработанного и не обработанного сигнала, однако главный принцип заключается именно в сдвиге фаз.

В целом, фазовый фактор может стать причиной многих неприятностей. Хорошо, если при записи используются всего два микрофона. В таком случае можно поэкспериментировать с расстоянием от источника звука до микрофонов, чтобы подобрать такие положения, при которых сигналы от них поступают в фазе. А вот ситуация с использованием например десяти микрофонов уже намного сложнее.

Кстати, многие предусилители для микрофонов оснащены переключателем полярности сигналов. Единственное, что совпадение или несовпадение «пиков» и «впадин» обоих сигналов будет определяться не разностью их фаз, а полярностью. Но поскольку эффект такой же, то для решения проблем с фазой можно применять инвертирование сигналов, которое может принести желаемый результат, и может и нет.

Решить проблему можно и с помощью коррекции фазы уже записанного сигнала в любой программе для звукозаписи, тем более что современная цифровая обработка звука обеспечивает безграничные возможности в этом вопросе.

Заметить фазовое несовпадение сигналов на слух можно по характерной потере яркости звука, его «обеднению». Если вы услышали какие-то разлады со звуком, которые идентичны вышеперечисленным, поэкспериментируйте с фазой.

Фазовые проблемы могут иметь место не только во время снятия звука микрофонами. Например, они могут возникать при включении фейзера в параллельный разрыв на комбике, так как фэйзер сам по себе приводит к сдвижению фазы исходного сигнала и ее дальнейшему смешиванию с необработанным сигналом. К тому же не стоит забывать и о параллельной петле. В результате — прогнозируемое плохое звучание.

В фазе или противофазе? Фаза звукового сигнала

Не все звуковые волны созданы одинаковыми — даже два одинаковых сигнала будут иметь небольшие различия в громкости и тоне. Однако некоторые звуковые волны идентичны (или почти идентичны), и когда они накладываются друг на друга, может возникнуть аудиофазировка. Но что такое фазировка звука?

Аудиофаза — это один из тех феноменов, которые сложно понять. Однако, разобравшись в ней, вы сможете вывести свои работы на совершенно новый уровень. В этой статье мы рассмотрим основы аудиофазы, почему она имеет значение и как решать проблемы фазы в ваших проектах.

Что такое «фаза» в аудио?

Фаза звука указывает на точку во времени в пределах данной звуковой волны. Звуковые волны состоят из трех основных компонентов: амплитуды, длины волны и частоты:

Амплитуда относится к громкости волны в определенный момент времени; для идеально симметричной и повторяющейся звуковой волны (как синусоидальная волна, показанная выше) длина волны измеряет расстояние между двумя равными амплитудами вдоль цикла; а частота (она же «высота тона») — это количество раз в секунду, которое звуковая волна повторяется вдоль цикла.

Фаза звуковой волны говорит нам, где именно в этом цикле мы находимся. В аудиопроизводстве важна взаимосвязь между двумя или более формами волны; абсолютная фаза отдельной звуковой волны не имеет особого значения по причинам, которые мы обсудим далее.

Математическое определение [ править ]

Позвольте быть периодическим сигналом (то есть функцией одной действительной переменной), и быть его периодом (то есть наименьшим положительным действительным числом такое, что для всех ). Тогда фаза
при
любом аргументе равна F <\displaystyle F>T <\displaystyle T>F ( t + T ) = F ( t ) <\displaystyle F(t+T)=F(t)>t <\displaystyle t>F <\displaystyle F>t <\displaystyle t>
ϕ ( t ) = 2 π [ [ t − t 0 T ] ] <\displaystyle \phi (t)=2\pi \left[\!\!\left[<\frac >>\right]\!\!\right]>
Здесь обозначает дробную часть действительного числа, отбрасывая его целую часть; то есть ,; и является произвольным «исходным» значением аргумента, которое считается началом цикла. [ [ ⋅ ] ] <\displaystyle [\![\,\cdot \,]\!]\!\,>[ [ x ] ] = x − ⌊ x ⌋ <\displaystyle [\![x]\!]=x-\left\lfloor x\right\rfloor \!\,>t 0 <\displaystyle t_<0>>

Эту концепцию можно визуализировать, представив часы со стрелкой, которая вращается с постоянной скоростью, совершает полный оборот каждую секунду и указывает прямо во времени . Фаза — это угол от положения 12:00 до текущего положения стрелки во времени , измеренный по часовой стрелке . T <\displaystyle T>t 0 <\displaystyle t_<0>> ϕ ( t ) <\displaystyle \phi (t)>t

Концепция фазы наиболее полезна, когда происхождение выбирается на основе характеристик . Например, для синусоиды удобный выбор — это любое место, где значение функции изменяется от нуля до положительного. t 0 <\displaystyle t_<0>> F <\displaystyle F>t

Приведенная выше формула дает фазу как угол в радианах между 0 и . Чтобы получить фазу как угол между и , вместо этого используется 2 π <\displaystyle 2\pi >− π <\displaystyle -\pi >+ π

Фаза, выраженная в градусах (от 0 ° до 360 ° или от -180 ° до + 180 °), определяется таким же образом, за исключением «360 °» вместо «2π».

Последствия [ править ]

При любом из приведенных выше определений фаза периодического сигнала также является периодической с тем же периодом : ϕ ( t ) <\displaystyle \phi (t)>T

В начале каждого периода фаза равна нулю; то есть

ϕ ( t 0 + k T ) = 0 <\displaystyle \phi (t_<0>+kT)=0\quad \quad <>> для любого целого числа . k

Более того, для любого заданного выбора источника значение сигнала для любого аргумента зависит только от его фазы при . А именно, можно написать , где — функция угла, определенная только для одного полного поворота, которая описывает изменение как диапазонов за один период. t 0 <\displaystyle t_<0>> F <\displaystyle F>t <\displaystyle t>t <\displaystyle t>F ( t ) = f ( ϕ ( t ) ) <\displaystyle F(t)=f(\phi (t))>f <\displaystyle f>F <\displaystyle F>t

Фактически, каждый периодический сигнал с определенной формой волны можно выразить как F

F ( t ) = A w ( ϕ ( t ) )

где — «каноническая» функция фазового угла в диапазоне от 0 до 2π, которая описывает только один цикл этой формы волны; и — коэффициент масштабирования для амплитуды. (Это утверждение предполагает, что время начала, выбранное для вычисления фазы, соответствует аргументу 0 of .) w <\displaystyle w>A <\displaystyle A>t 0 <\displaystyle t_<0>> F <\displaystyle F>w

Почему фазирование важно?

Микширование аудио — это объединение отдельных, но целостных элементов таким образом, чтобы каждый компонент был слышен в том виде, в котором его задумали исполнитель, продюсер и инженер. Таким образом, вы будете жонглировать бесчисленными звуковыми волнами, каждая из которых отличается по частоте, амплитуде, гармоническим обертонам и т.д. Непременно произойдет так, что некоторые волны будут входить и выходить из фазы друг с другом в разные моменты времени. Когда два сигнала находятся «в фазе» друг с другом, их амплитуды (т.е. пики и впадины) совпадают. Понимание фазы имеет решающее значение для оптимизации миксов. Проблемы с фазой лежат в основе многих проблем микширования и оказывают серьезное влияние на общее звучание.

Когда волны сталкиваются

Чтобы упростить ситуацию, представьте себе две идеально симметричные и повторяющиеся синусоидальные волны, одну в левом канале, другую в правом. Когда обе половины идеально выровнены, их амплитуды одинаковы во времени, что означает, что вы услышите один и тот же звук с обеих сторон.

Соедините эти каналы вместе и воспроизведите их одновременно, и вы получите так называемую «конструктивную интерференцию», поскольку комбинация этих синфазных волн удваивает результирующую амплитуду. И наоборот, если бы эти каналы были совершенно «вне фазы» (т.е. наименьшая амплитуда волны одного канала приходится на момент наибольшей громкости волны другого канала), их пики и впадины отменяли бы друг друга. Это называется «деструктивной интерференцией» или «фазовой отменой».

Ссылки [ править ]

1. ^ a b Баллоу, Глен (2005). Справочник звукооператора (3-е изд.). Focal Press, издательство Gulf Professional Publishing. п. 1499. ISBN 978-0-240-80758-4.
2. ^ a b c Время и частота от А до Я (2010-05-12). «Фаза» . Национальный институт стандартов и технологий (NIST) . Проверено 12 июня +2016 .Этот контент был скопирован и вставлен с веб-страницы NIST и находится в общественном достоянии
   .
3. Клинт Госс; Барри Хиггинс (2013). «Певица» . Флейтопедия
   . Проверено 6 марта 2013 .

Как фаза в аудио работает на практике

Точный сценарий, описанный выше, не часто встречается в реальном мире, поскольку эти идеальные, фундаментальные звуковые волны не являются тем, с чем вы работаете, но теория все равно применима. Независимо от того, записываете ли вы один инструмент или несколько инструментов с любым количеством микрофонов, фазировка будет фактором, который нельзя игнорировать. Взаимодействие фазы также возникает при наложении сэмплов на акустические барабаны, использовании различных плагинов на одинаковых дорожках, параллельной обработке и т.д. Проще говоря, фаза звука является фактором при объединении двух или более сигналов — чем более связаны эти сигналы, тем более значимой становится фаза.

Если вы записываете инструмент с помощью двух отдельных микрофонов (стереозапись), входящие основные частоты (т.е. воспроизводимые ноты) будут одинаковыми в каждом канале. Однако, поскольку каждый микрофон находится в уникальном пространственном положении, различные обертоны будут поступать в каждый микрофон в разное время. В результате звуковые волны каждого канала будут похожи в некоторых отношениях, но будут отличаться в других. Различные частоты могут быть усилены, ослаблены или практически сведены на нет в зависимости от фазовых соотношений между двумя каналами. Как вы можете себе представить, добавление еще одного или нескольких микрофонов еще больше усложняет ситуацию, увеличивая вероятность возникновения проблем с фазой. А если два микрофона направлены в противоположные стороны друг от друга, то фаза одного из них должна быть обращена в противоположную сторону для борьбы с отменой звука (т.е. тишиной).

Дилемма барабана

Когда дело доходит до записи барабанов , то проблемы с фазой часто приобретают угрожающие масштабы. В конце концов, в большинстве современных записей барабанов используется минимум 5 микрофонов (или целых 20) для захвата каждого компонента, всего комплекта и отражений от помещения. Не помогает и то, что тарелки резонируют на высоких частотах, а также то, что для захвата нижних и верхних частот улитки и ударного барабана часто требуется два микрофона. Если вы не подходите стратегически к размещению/настройке микрофонов, ваша первоначальная запись ударной установки может превратиться в беспорядок, и ее практически невозможно будет свести. К счастью, удобный переключатель «phase flip» (смена полярности), которым оснащены некоторые современные микрофоны, позволяет быстро решить проблемы с отменой фазы в процессе записи, будь то запись ударных, акустической гитары или чего-либо еще.

Размышляя о фазе

Стереофонические микрофоны — не единственный виновник фазовых проблем. Вы можете столкнуться с проблемами фазы даже при записи только на один канал, особенно если ваше помещение для записи не обработано должным образом. Звуковые волны легко отражаются от акустически отражающих поверхностей. Эти реверберации , по сути, дублируют первоначальный звук, передавая обратно его другую, более тихую и тембрально отличную версию через определенное время, зависящее от вашей близости к поверхности, размера и формы помещения и т.д.

Если время этих отражений совпадает, при улавливании микрофоном могут возникнуть деструктивные или конструктивные помехи, изменяющие результирующий тон и громкость. Намеренное использование эффектов задержки и реверберации также может вызвать проблемы с фазой. Что еще более усложняет ситуацию, вы можете услышать проблемы с фазой при воспроизведении записи, даже если сама запись не имеет проблем с фазой. Эта проблема может возникнуть, если ваши колонки находятся «вне фазы», т.е. подключены с неправильной полярностью.

Результаты отладки схемы приемника

На рис. 7 представлена гистограмма абсолютных фазовых ошибок, демонстрирующая точность измерения не хуже 1° при шаге 10° от –180° до +180°.

Рис. 7. Абсолютная фазовая ошибка для уровня входного сигнала 0 дБм•Вт с шагом фазы 10°

Для точного измерения фазы при любых уровнях входного сигнала ошибка сдвига фазы (jфазовый сдвиг) сигнала RF по отношению к LO должна быть постоянной. Если ошибка сдвига фазы будет меняться, как функция от значения фазы (jточное) или амплитуды, то представленный здесь способ калибровки потеряет свою точность. Результаты отладки при комнатной температуре показывают, что ошибка сдвига фазы относительно постоянна при изменении амплитуды РЧ-сигнала начиная от 11,6 дБм·Вт примерно до –20 дБм·Вт при 900 МГц.

На рис. 8 показан динамический диапазон приемника с соответствующими значениями амплитуды и фазовых ошибок. При уменьшении амплитуды входного сигнала до –20 дБм·Вт точность калибровки ошибки фазы начинает снижаться. Для определения минимального допустимого уровня сигнала необходимо понять приемлемый уровень ошибки измерения.

Рис. 8. Динамический диапазон приемника и дополнительные фазовые ошибки

Результаты, приведенные на рис. 8, были получены при использовании АЦП с 5‑В источником опорного напряжения. Значение опорного напряжения для АЦП можно уменьшить, снижая уровень квантования. Это позволит повысить точность определения фазовой ошибки для мылых сигналов, но увеличит вероятность насыщения системы. Для увеличения динамического диапазона системы можно применять передискретизацию, которая позволит увеличить количество разрядов АЦП, свободных от шума. Удвоение выборки в среднем позволит на 0,5 LSB улучшить разрядность системы. Коэффициент передискретизации для улучшения разрешения можно расcчитать следующим образом:

Коэффициент передискретизации = 22N,

где N — номер улучшаемого разряда.

Когда амплитуды шума уже недостаточно для того, чтобы случайно изменить выходной код АЦП от преобразования к преобразованию, передискретизация достигает точки снижения эффективности. После этой точки эффективную разрядность АЦП уже нельзя улучшить. Поскольку схема измеряет сигнал с медленно меняющимся значением, уменьшение полосы пропускания из-за передискретизации не является существенной проблемой.

Программное обеспечение для AD7903 доступно уже с процедурой калибровки, которая помогает пользователю корректировать данные с выхода АЦП по трем источникам ошибок: фазе, коэффициенту усиления и напряжению смещения нуля. Для получения калибровочных коэффициентов необходимо собрать первичные данные. На рис. 9 приведен интерфейс программного обеспечения, на котором выделены калибровочные коэффициенты. После того как коэффициенты определены, эту программу можно использовать для получения окончательных значений фазы и амплитуды от демодулятора. Расчет амплитуды и фазы производится по формулам (1) и (2). Уровень передискретизации можно регулировать, изменяя количество выборок с помощью выпадающего списка Num Samples в правом верхнем углу интерфейса.

Рис. 9. Калибровочное программное обеспечение

Как найти проблемы с фазой звука

По мере развития вашего слуха вы сможете услышать фазировку, когда она возникает. Конечно, одно только человеческое ухо не может легко определить все проблемы с фазой, поэтому на помощь приходят дополнительные инструменты и техники.

Прослушивание вашего микса (и отдельных треков) в моно, а не в стерео может выявить определенные фазовые проблемы. Если при сведении микса в моно вы заметили, что звук стал более тусклым или тонким, возможно, вы столкнулись с фазовым искажением. Аналогично, если при сведении в моно сигнал исчезает из центра, но остается в левом и правом каналах, скорее всего, вы столкнулись с рассогласованием фазы звука. Вы также можете определить проблемы с фазой звука с помощью визуальных плагинов, разработанных с учетом фазы (мы подробнее рассмотрим их в следующем разделе).

Схема приемника

На рис. 3 приведена схема приема и преобразования в цифровой вид РЧ-сигнала для точного определения его амплитуды и фазы. Схема содержит квадратурный демодулятор, двухканальный дифференциальный усилитель и двухканальный АЦП последовательного приближения. Основная задача схемы — высокоточное измерение амплитуды и фазы высокочастотного входного РЧ-сигнала в широком динамическом диапазоне.

Рис. 3. Упрощенная схема приемника для проведения анализа материалов

Как исправить или предотвратить проблемы фазы

Поскольку потенциальных источников проблем с фазой так много, крайне важно вооружиться знаниями, хитростями и инструментами, которые помогут вам предотвратить и разрешить такие трудности.

Знайте соотношение 3:1 для размещения микрофонов

Этот метод применяется при работе с двумя микрофонами; второй микрофон должен быть расположен в три раза дальше от первого микрофона, чем первый микрофон от записываемого источника звука. Если один микрофон находится в шести дюймах от звукового отверстия гитары, второй микрофон следует установить на расстоянии 18 дюймов (1,5 фута) от второго микрофона. Этот прием не всегда работает, и могут потребоваться некоторые корректировки, но это хорошая отправная точка для минимизации фазовых проблем при записи с двумя микрофонами.

Техника записи Mid/Side разработана для минимизации потенциальных фазовых проблем.

Микс в монофоническом режиме

Микширование в моно может показаться нелогичным, учитывая, что большинство треков будет прослушиваться в стерео. Однако, как уже упоминалось выше, некоторые случаи фазового сдвига могут остаться незамеченными при прослушивании в стерео, а перевод треков в моно через различные промежутки времени во время микширования может выявить фазовые проблемы, которые вы могли бы не заметить. Проще говоря, сведение в моно поможет вам лучше понять контекст вашего микса в целом и устранить все неясности перед возвращением к стереозвучанию.

Использовать плагины аудиофазы

Помимо правильного размещения микрофонов в миксе и микширования в моно, вы также можете использовать различные плагины для устранения фазовых помех и легко визуализировать происходящее в эти моменты. К счастью, в настоящее время нет недостатка в фазовых корректорах. Среди ярких примеров — плагин InPhase от Waves, In-Between Phase от Little Labs и Eventide Precision Time Align. А если вы достаточно хорошо научитесь распознавать фазовые проблемы на слух, то простое перемещение дорожек немного влево или вправо также может исправить фазовые проблемы. Этот трюк не всегда срабатывает, особенно если ваш трек строго придерживается сетки.

Перемещение волновых форм

Возможно, самый простой способ решения проблем с фазой заключается в том, чтобы просто переместить похожие осциллограммы в нужное место. Если две осциллограммы одинаковых сигналов не выровнены, фазировка обязательно произойдет, поэтому простое смещение одной из них влево или вправо на временной шкале может быстро исправить ситуацию. Существуют даже плагины, которые автоматически выравнивают волновые формы, чтобы избавить вас от лишних хлопот — плагин Auto-Align от Sound Radix и MAutioAlign от Melda Productions являются двумя популярными вариантами выравнивания.

Использование фазы в своих интересах

До сих пор мы обсуждали фазовые помехи в основном как проблемы, которые необходимо решить. На самом деле, фазовые помехи не являются чем-то плохим по своей сути, это просто акустический артефакт, которым можно манипулировать несколькими способами. Конечно, устранение или коррекция фазовых помех — это один из способов борьбы с этим явлением.

Однако, если вы знаете, что делаете и чего хотите от своего микса, вы можете использовать фазовое сведение как еще один инструмент микширования. Например, манипулируя фазовым соотношением между гитарными дорожками, вы можете формировать тон результирующей дорожки (то же самое относится к тону любого инструмента или вокала), подобно фильтру-эквалайзеру. Определенные устройства (например, Neve Portico 5016 и Phazer от Radial) содержат схемы фазового сдвига, которые позволяют вам выбирать определенные частоты, которые вы хотите усилить, но при этом отменить, что дает уникальные возможности для формирования тона.

Внешние ссылки [ править ]

• « Что такое фаза? ». Проф. Джеффри Хасс. « Учебник по акустике
  », Раздел 8. Университет Индианы . © 2003. См. Также: ( стр. 1–3 . © 2013)
• Фазовый угол, разность фаз, временная задержка и частота
• ECE 209: Источники фазового сдвига — обсуждает источники фазового сдвига во временной области в простых линейных инвариантных во времени схемах.
• Открытый исходный код физики JavaScript HTML5
• Java-апплет для разности фаз

Вопросы и ответы по фазам

У вас все еще есть вопросы об аудиофазе? Давайте ответим на некоторые часто задаваемые вопросы.

Что такое фазовая музыка?

Фазовая музыка намеренно использует свойства фазы в качестве композиционного инструмента. Фазовая музыка часто включает в себя минималистичные, похожие звуки (т.е. ноты) с небольшими изменениями частоты, тона и/или темпа для создания таких эффектов, как эхо, задержка, фланкирование, фазирование и др.

Что такое фазировка при смешивании?

В процессе микширования может возникнуть фазировка, когда между идентичными или связанными сигналами существует небольшая временная задержка. Такая фазировка может привести к нежелательным изменениям тона и громкости, но также может быть использована творчески.

Как вы диагностируете проблемы с фазой?

Вы можете определить фазовые проблемы в своей музыке, развивая слух, микшируя в моно и используя плагины, предназначенные для определения фазы.

Что такое комбинированная фильтрация?

Гребенчатая фильтрация — это тип фазировки, возникающий, когда сигнал складывается сам с собой за короткий промежуток времени, в результате чего возникают как конструктивные, так и деструктивные помехи — обычно это происходит из-за отражения в помещении и/или при стереозаписи. Это явление получило свое название из-за сходства с расческой для волос.

Может ли человеческое ухо слышать фазу?

Хотя человеческое ухо не может определить абсолютную фазу формы волны, оно иногда чувствительно к относительной фазе. Например, многие люди замечают слышимый сдвиг при объединении двух одинаковых синусоид (так как это создает более громкий шум) или при добавлении к сигналу эффекта фазера .

Введение

На схеме, представленной на рис. 1, немодулированный сигнал с передающей антенны (Tx) проходит через исследуемый материал на принимающую антенну (Rx). Принятый сигнал ослабнет и будет иметь сдвиг фазы по сравнению с переданным. Изменения амплитуды и сдвига фазы можно использовать для определения состава материала.

Рис. 1. Схема приемопередатчика

Как показано на рис. 2, амплитуда и сдвиг фазы могут быть напрямую связаны с проницаемостью и отражающими свойствами среды. Например, в случае если среда содержит воду, газ и нефть, то диэлектрическая проницаемость, потери и дисперсия будут больше для воды, меньше для нефти и гораздо меньше для газа.

Рис. 2. Проницаемость и отражающая способность для различных однородных сред

В фазе или противофазе? Фаза звукового сигнала

Не все звуковые волны созданы одинаковыми — даже два одинаковых сигнала будут иметь небольшие различия в громкости и тоне. Однако некоторые звуковые волны идентичны (или почти идентичны), и когда они накладываются друг на друга, может возникнуть аудиофазировка. Но что такое фазировка звука?

Аудиофаза — это один из тех феноменов, которые сложно понять. Однако, разобравшись в ней, вы сможете вывести свои работы на совершенно новый уровень. В этой статье мы рассмотрим основы аудиофазы, почему она имеет значение и как решать проблемы фазы в ваших проектах.

Что такое «фаза» в аудио?

Фаза звука указывает на точку во времени в пределах данной звуковой волны. Звуковые волны состоят из трех основных компонентов: амплитуды, длины волны и частоты:

Амплитуда относится к громкости волны в определенный момент времени; для идеально симметричной и повторяющейся звуковой волны (как синусоидальная волна, показанная выше) длина волны измеряет расстояние между двумя равными амплитудами вдоль цикла; а частота (она же «высота тона») — это количество раз в секунду, которое звуковая волна повторяется вдоль цикла.

Фаза звуковой волны говорит нам, где именно в этом цикле мы находимся. В аудиопроизводстве важна взаимосвязь между двумя или более формами волны; абсолютная фаза отдельной звуковой волны не имеет особого значения по причинам, которые мы обсудим далее.

Формула для фазы колебания или периодического сигнала [ править ]

Фаза колебания или сигнала относится к синусоидальной функции, такой как следующая:

x ( t ) = A ⋅ cos ⁡ ( 2 π f t + φ ) y ( t ) = A ⋅ sin ⁡ ( 2 π f t + φ ) = A ⋅ cos ⁡ ( 2 π f t + φ − π 2 ) <\displaystyle <\beginx(t)&=A\cdot \cos(2\pi ft+\varphi )\\y(t)&=A\cdot \sin(2\pi ft+\varphi )=A\cdot \cos \left(2\pi ft+\varphi —<\tfrac <\pi ><2>>\right)\end>>

где , и — постоянные параметры, называемые амплитудой

,
частотой
и
фазой
синусоиды. Эти сигналы периодичны с периодом и идентичны, за исключением смещения вдоль оси. Термин
фаза
может относиться к нескольким различным вещам
:
A <\displaystyle \textstyle A>f <\displaystyle \textstyle f>φ <\displaystyle \textstyle \varphi >T = 1 f <\displaystyle \textstyle T=<\frac <1>>> T 4 <\displaystyle \textstyle <\frac <4>>> t

• Это может относиться к указанной ссылке, таким как , в этом случае мы будем говорить о фазе
  на это , и
  фазе
  в это . cos ⁡ ( 2 π f t ) <\displaystyle \textstyle \cos(2\pi ft)>x ( t ) <\displaystyle \textstyle x(t)>φ <\displaystyle \textstyle \varphi >y ( t ) <\displaystyle \textstyle y(t)>φ − π 2 <\displaystyle \textstyle \varphi -<\frac <\pi ><2>>>
• Он может относиться к , и в этом случае мы бы сказали, что это одна и та же фаза,
  но относительно их собственных конкретных ссылок. φ <\displaystyle \textstyle \varphi >x ( t ) <\displaystyle \textstyle x(t)>y ( t )
• В контексте сигналов связи изменяющийся во времени угол или его главное значение упоминается как мгновенная фаза
  , часто просто
  фаза
  . 2 π f t + φ

Почему фазирование важно?

Микширование аудио — это объединение отдельных, но целостных элементов таким образом, чтобы каждый компонент был слышен в том виде, в котором его задумали исполнитель, продюсер и инженер. Таким образом, вы будете жонглировать бесчисленными звуковыми волнами, каждая из которых отличается по частоте, амплитуде, гармоническим обертонам и т.д. Непременно произойдет так, что некоторые волны будут входить и выходить из фазы друг с другом в разные моменты времени. Когда два сигнала находятся «в фазе» друг с другом, их амплитуды (т.е. пики и впадины) совпадают. Понимание фазы имеет решающее значение для оптимизации миксов. Проблемы с фазой лежат в основе многих проблем микширования и оказывают серьезное влияние на общее звучание.

Когда волны сталкиваются

Чтобы упростить ситуацию, представьте себе две идеально симметричные и повторяющиеся синусоидальные волны, одну в левом канале, другую в правом. Когда обе половины идеально выровнены, их амплитуды одинаковы во времени, что означает, что вы услышите один и тот же звук с обеих сторон.

Соедините эти каналы вместе и воспроизведите их одновременно, и вы получите так называемую «конструктивную интерференцию», поскольку комбинация этих синфазных волн удваивает результирующую амплитуду. И наоборот, если бы эти каналы были совершенно «вне фазы» (т.е. наименьшая амплитуда волны одного канала приходится на момент наибольшей громкости волны другого канала), их пики и впадины отменяли бы друг друга. Это называется «деструктивной интерференцией» или «фазовой отменой».

Прохождение звука через плоский слой

При косом падении звука (под углом θ1 из среды I (рис.) с постоянными р1 и c1 на слой жидкости или газа с постоянными р2 и с2 (среда II) и толщиной d, за которым лежит снова бесконечная среда I, отраженные волны возникают как на первой, так и на второй границе; проходящая волна будет только одна — прямая.

В соответствии с этим намечается следующая схема решения задачи. Потенциал скоростей в первой среде (слева от слоя) выразится суммой двух членов (см. первое уравнение (3,14)), а во второй среде — аналогичной формулой, в которую вместо a1 и b1, войдут величины а2 = k2 соs θ2 и b2 = k2 соs θ2. На первой границе (х = 0) и на второй (х =d) должны выполняться условия непрерывности звукового давления и скорости частиц, которые дают 4 уравнения для определения относительных потенциалов скоростей отраженной волны A’ / A, проходящей через слой A2 / A1, и двух (прямой и отраженной) волн во второй среде. Решая эти уравнения, можно найти коэффициент отражения (rp) и проникновения (tp) волны давления (через слой):

При δ=1, что соответствует условию (3,20), мы получим при некотором угле падения полное проникновение волн через слой без всякого отражения. Кроме того, полное проникновение будет наблюдаться при соблюдении условия сtga2d=∞, из которого следует:

Для очень тонкого слоя (или для длинных волн) при а2d <1 и не слишком больших или малых величинах δ получим:

Таким образом, при заданном угле падения, а следовательно, при заданных θ2 и b отражение от тонкого слоя прямо пропорционально частоте. Анализ выражения (3,24) показывает, что при углах падения θ1 больших критического (а2 мнимое), уже не происходит полное внутреннее отражение на слое, как это имеет место на границе полупространства. Волны во второй среде, бегущие параллельно передней границе слоя, на задней границе будут иметь известную амплитуду, величина которой при достаточно малых толщинах слоя d или при углах падения, близких к критическому, может быть достаточно велика. Таким образом, вдоль второй (задней) границы будут двигаться волны сжатия и разрежения, что неизбежно вызовет возмущения в среде за слоем и приведет к возникновению проходящей волны во второй среде. Нетрудно показать, что в очень тонком слое почти вся энергия будет проходить через него даже при углах, больших критического. При углах падения, близких к 90°, волны во второй среде очень сильно ослабевают уже при проникновении на глубину одной волны. Отсюда ясно, что при скользящем падении на слой, толщина которого больше λ, получится очень малое проникновение звука через слой, т. е. почти полное отражение.

При падении под углом 0° формулы (3,24) и (3,25) примут вид:

При очень тонком слое или при очень низких частотах (к2d<1) и большом акустическом сопротивлении второй среды (R2 > R1)

где М2 = р2d —масса слоя на 1 см². Отношение энергии падающей волны к энергии волны прошедшей (коэффициент звукоизоляции слоя) будет приближенно равно:

Можно представить себе следующую электроакустическую аналогию для данного случая. Напряжение А1 включается в цепь, содержащую последовательное соединение индуктивного сопротивления wM2 и активного сопротивления 2R1 . Сила тока (скорость) в цепи будет равна а падение напряжения на сопротивлении 2R1 будет Отношение полной мощности цепи к мощности, расходуемой на сопротивлении 2R1 (коэффициент звукоизоляции), равно (A1 / A2)² , что приводит к формуле (3,27). При нормальном падении мы вправе применить формулы (3, 26) и (3,27) к твердой стенке, например к некоторой монолитной перегородке. При прохождении звука через перегородки, находящиеся в воздухе, всегда и потому

Для воздуха р1c1 = 41 и η≈1/170 M2²f². Звукоизоляция перегородки в децибелах будет равна:

Эта формула подобна известному в архитектурной акустике „весовому закону» звукоизоляции. Для тонкой кирпичной стены (d=10см) с весом 200 кг/м² (или 20 г/см²) при 1024 гц получится звукоизоляция 64 дб. Полученная из опыта звукоизоляция равна 58 дб, т. е. -меньше в 4 раза. Следует учесть, что указанный опыт соответствует условиям не нормального, а диффузного (по всем возможным направлениям) падения. Расхождение объясняется еще и тем, что перегородка, закрепленная по некоторому контуру, ведет себя как диафрагма, способная изгибаться. Такая диафрагма передает звук также посредством изгибных колебаний, помимо волн сжатий и разрежений, которые учитываются формулами (3, 26) и (3, 27). Особенно сильно это сказывается на низких частотах. Интересен случай прохождения звука из жидкости через слой твердого тела снова в жидкость. Рассмотрим нормальное падение звука из воды на железную пластину толщиной d= 1 cм и переход его снова в воду. В этом случае

Для частот, меньших 2000 гц, первый член будет значительно меньше единицы η ≈ 1, т. е. звукоизоляция практически отсутствует; вся энергия проходит через железную пластину. При частоте f ≈ 6000 гц, η ≈ 2, а при частоте f ≈ 125 000 гц (k2d= π /2) звукоизоляция достигает максимального значения, равного η ≈179 (22,5 дб). При f ≈ 250000 гц (k2d = π, d = λ2 / 2) звукоизоляция снова равна единице. Вообще максимумы η будут получаться при f ≈ 125000 • (2n + 1 ) гц, а минимумы, равные единице, при f ≈ 125000 • (2n)гц (рис.). Для слоя с акустическим сопротивлением R2, значительно меньшим, чем R1, например воздуха или губчатой резины (R2 ≈ 40), между двумя слоями жидкости или твердого тела, из формулы (3, 26) получим коэффициент звукоизоляции:

Для воздушной прослойки в воде R1 / 2R2 = 1,83 * 10³. При очень низких частотах или очень тонких слоях, когда k2d < (2R2 / R1) , первый член будет мал по сравнению со вторым, близким к единице и η≈1. С увеличением частоты η резко возрастает и при условии k2d = π / 2 , достигнет величины (1,83-10³)² (около 65 дб), затем начнет уменьшаться и при k2d = π , (d = λ2 / 2) будет равен единице. Ход изменения η аналогичен изображенному на рис. . При низких частотах, когда k2d < 1 коэффициент звукоизоляции можно представить в виде:

Электроакустическая аналогия в этом случае формально выразится параллельным соединением упругого сопротивления v=sd — объем слоя, соответствующий площади S)

и активного сопротивления где R1— акустическое сопротивление среды за промежуточным слоем). Отношение токов (скоростей) в этих ветвяхбудет равно Абсолютная вели-чина отношения полного тока |q1|, протекающего через параллельное соединение R2 / 2 и zv к току будет равна

Величина скорости |qv + q2| определяется давлением на входе, которое пропорционально амплитуде потенциала скоростей (А1) в падающей волне, а величина |q2| пропорциональна амплитуде (A2) волны, проходящей за слой. Коэффициент звукоизоляции, равный (A1 / A2)² , определится тогда из выражения (3,28).

При Zv < (Rs / 2) движение замыкается почти целиком на упругую прослойку и η становится велико; при Zv > (Rs / 2) (что может быть при очень тонкой прослойке или при соблюдении условия k2d = πn) сопротивление Rs / 2 „шунтируется» большим сопротивлением и скорость q2 становится почти равной скорости q1 что приводит к отсутствию звукоизоляции слоя η ≈ 1). Отметим, что в данном случае электрическая аналогия выражается „параллельным» соединением сопротивлений слоя и среды, хотя геометрически они стоят последовательно друг с другом; для слоя, имеющего R2 > R1 мы имели аналогию в форме последовательного соединения.

Как фаза в аудио работает на практике

Точный сценарий, описанный выше, не часто встречается в реальном мире, поскольку эти идеальные, фундаментальные звуковые волны не являются тем, с чем вы работаете, но теория все равно применима. Независимо от того, записываете ли вы один инструмент или несколько инструментов с любым количеством микрофонов, фазировка будет фактором, который нельзя игнорировать. Взаимодействие фазы также возникает при наложении сэмплов на акустические барабаны, использовании различных плагинов на одинаковых дорожках, параллельной обработке и т.д. Проще говоря, фаза звука является фактором при объединении двух или более сигналов — чем более связаны эти сигналы, тем более значимой становится фаза.

Если вы записываете инструмент с помощью двух отдельных микрофонов (стереозапись), входящие основные частоты (т.е. воспроизводимые ноты) будут одинаковыми в каждом канале. Однако, поскольку каждый микрофон находится в уникальном пространственном положении, различные обертоны будут поступать в каждый микрофон в разное время. В результате звуковые волны каждого канала будут похожи в некоторых отношениях, но будут отличаться в других. Различные частоты могут быть усилены, ослаблены или практически сведены на нет в зависимости от фазовых соотношений между двумя каналами. Как вы можете себе представить, добавление еще одного или нескольких микрофонов еще больше усложняет ситуацию, увеличивая вероятность возникновения проблем с фазой. А если два микрофона направлены в противоположные стороны друг от друга, то фаза одного из них должна быть обращена в противоположную сторону для борьбы с отменой звука (т.е. тишиной).

Дилемма барабана

Когда дело доходит до записи барабанов , то проблемы с фазой часто приобретают угрожающие масштабы. В конце концов, в большинстве современных записей барабанов используется минимум 5 микрофонов (или целых 20) для захвата каждого компонента, всего комплекта и отражений от помещения. Не помогает и то, что тарелки резонируют на высоких частотах, а также то, что для захвата нижних и верхних частот улитки и ударного барабана часто требуется два микрофона. Если вы не подходите стратегически к размещению/настройке микрофонов, ваша первоначальная запись ударной установки может превратиться в беспорядок, и ее практически невозможно будет свести. К счастью, удобный переключатель «phase flip» (смена полярности), которым оснащены некоторые современные микрофоны, позволяет быстро решить проблемы с отменой фазы в процессе записи, будь то запись ударных, акустической гитары или чего-либо еще.

Размышляя о фазе

Стереофонические микрофоны — не единственный виновник фазовых проблем. Вы можете столкнуться с проблемами фазы даже при записи только на один канал, особенно если ваше помещение для записи не обработано должным образом. Звуковые волны легко отражаются от акустически отражающих поверхностей. Эти реверберации , по сути, дублируют первоначальный звук, передавая обратно его другую, более тихую и тембрально отличную версию через определенное время, зависящее от вашей близости к поверхности, размера и формы помещения и т.д.

Если время этих отражений совпадает, при улавливании микрофоном могут возникнуть деструктивные или конструктивные помехи, изменяющие результирующий тон и громкость. Намеренное использование эффектов задержки и реверберации также может вызвать проблемы с фазой. Что еще более усложняет ситуацию, вы можете услышать проблемы с фазой при воспроизведении записи, даже если сама запись не имеет проблем с фазой. Эта проблема может возникнуть, если ваши колонки находятся «вне фазы», т.е. подключены с неправильной полярностью.

Динамический сдвиг фазы частоты с PLL

У нас на сайте уже была пара статей про PLL. PLL — это, если говорить просто, встроенный в ПЛИС генератор тактовых частот. Он позволяет из одной входной тактовой частоты синтезировать несколько других с иной заданной частотой, скважностью и, при желании, с некоторым начальным сдвигом фазы.

Наша статья «Использование PLL» довольно подробно рассказывала как создать и настроить PLL в Altera Quartus II MegaWizard PlugIn-Manager. С тех пор прошло довольно много времени и теперь, в Quartus Prime, доступ к визарду осуществляется через пункт меню Tools => IP Catalog. Модуль PLL создается с помощью этого каталога. В нем выбираете Library => Basic Functions => Clocks; PLLs and Resets => PLL => ALTPLL. Остальные настройки — все как и раньше.

Сейчас я хочу рассказать о возможности динамически сдвигать фазу тактовой частоты PLL. Эта возможность есть в PLL таких FPGA, как Cyclone III, Cyclone IV, в MAX10 и других. Сказать по правде я и сам вот только что ознакомился с этой функцией в PLL. Просто раньше у меня в этом не было никакой необходимости, а сейчас появился проект, где это может понадобиться. Сдвиг фазы PLL — это похоже единственный способ аккуратно управлять задержками сигналов.

Давайте попробуем поэкспериментировать с фазой тактовой частоты. Нам понадобится оригинальная документация компании Altera/Intel https://www.altera.com/en_US/pdfs/literature/hb/max-10/ug_m10_clkpll.pdf

Итак, в визарде есть закладка под номером 2: PLL Reconfiguration. там внизу ставим галочку: Create optional inputs for dynamic phase reconfiguration.

Как только ставим галочку, то слева визард показывает блок PLL и в нем появляются новые входы и выходы, которых раньше не было.

• phasecounterselect[2..0]
• phaseupdown
• phasestep
• scanclk

• phasedone

С помощью этих сигналов можно управлять фазами любой выходной тактовой частоты PLL.

При этом, все операции по перенастройке PLL осуществляются на частоте scanclk. Она должна быть не выше 100МГц по документации MAX10. По другим FPGA нужно читать и уточнять — не знаю, думаю где-то так же.

Сигнал phasecounterselect[2..0] позволяет выбрать, какой именно из внутренних счетчиков PLL будет изменяться. В документации на PLL ПЛИС MAX10 есть вот такая таблица:

Таким образом, если нужно сдвинуть фазу выходной тактовой частоты c0, то нужно ставить phasecounterselect = 3’b010. Если сдвигаем по фазе тактовую частоту c1, то phasecounterselect = 3’b011.

Фазовый сдвиг выходной тактовой частоты инициируется установкой сигнала phasestep в логическую единицу. Это будет начало транзакции по сдвигу фазы. За одну «транзакцию» фаза избранной частоты сдвигается на один шаг фазы (об этом чуть позже). По окончании сдвига фазы тактовой частоты PLL выставляет сигнал phasedone. Если требуется сдвинуть фазу еще, то нужно сперва опустить phasestep в логический ноль, и затем опять установить в единицу, начиная следующую транзакцию.

Сигнал phaseupdown определяет направление сдвига фазы, вперед или назад.

Теперь главный вопрос: а на сколько собственно мы можем сдвинуть фазу тактовой частоты? В документации четко написано, что шаг фазового сдвига — это 1/8 периода частоты VCO PLL. VCO — внутренний генератор управляемый напряжением. К сожалению, в визарде PLL нет возможности явно выставлять желаемую частоту Fvco. Ее можно только посмотреть какая получится при наших настройках.

Например: если входная частота на PLL 100МГц и выходную частоту PLL я ставлю 100МГц, то визард сам говорит, что Fvco внутри PLL будет 600МГц.

Это значит, что разрешение по фазе, один фазовый сдвиг тактовой частоты можно сделать примерно на 7,5 градусов, то есть можно сдвинуть фронт частоты на 208,33 пикосекунд. А можно ли повысить разрешение?

Мне удалось подобрать вот такие коэффициенты:

выход PLL c0, коэффициент умножения 98, коэффициент деления 99, результирующая частота

При этом я вижу, что Fvco = 1286,666МГц, а разрешение по фазе стало 97,15 пикосекунд. Это очень высокая разрешающая способность по фазе.

В документации на PLL есть вот такая временная диаграмма, показывающая, как производится динамический сдвиг фазы:

Я предлагаю, попробовать просимулировать это дело в ModelSim.

Делаю простой проект в Intel Quartus Prime Lite, где нет практически ничего, кроме одной PLL и простейшей логики, которая периодически сдвигает фазу выходной частоты c1. Модуль верхнего уровня проекта я написал на Verilog:

module top( input wire KEY0, input wire KEY1, input wire CLK100MHZ, inout wire [19:0]IO, output wire [7:0]LED );

wire wc0; wire wc1; wire wc2; wire wlocked; wire wpdone; reg phase_step = 1’b0;

mypll mypll_ ( .areset( 1’b0 ), .inclk0( CLK100MHZ ), .phasecounterselect( 3’b011 ), .phasestep( phase_step ), .phaseupdown( 1’b1 ), .scanclk( wc0 ), .c0( wc0 ), .c1( wc1 ), .c2( wc2 ), .locked( wlocked ), .phasedone( wpdone ) );

reg [3:0]cnt = 0; always @( posedge wc0 ) cnt <= cnt + 1;

always @( negedge wc0 ) if( cnt==4’hF ) phase_step <= 1’b1; else if( wpdone==1’b0 ) phase_step <= 1’b0; assign LED = 0; assign IO[0] = wc0; assign IO[1] = wc1; assign IO[19:2] = 0; endmodule

Я делаю проект как бы для платы Марсоход3bis и чипом ПЛИС MAX10. Поэтому у меня здесь есть входные сигналы KEY0 и KEY1, которые сейчас не используются, но пусть будут.. Выходные сигналы LED не используются, но на выходы IO[0] и IO[1] я вывел выходы c0 и c1 из PLL. Это чтобы их удобно было наблюдать в симуляторе.

Здесь в проекте все процессы происходят на частоте c0, и эта же частота подается на scanclk. По спаду этой же частоты устанавливается и сбрасывается phase_step.

Тестбенч для симуляции не делает ничего особенного, ну вот только подает на тестируемый модуль исходную тактовую частоту 100МГц.

`timescale 1ns / 10ps

//assume basic clock is 100Mhz reg clk; initial clk=0; always #5 clk =

wire [7:0]w_led; wire [19:0]w_io;

top top_inst( .CLK100MHZ( clk ), .KEY0( 1’b1 ), .KEY1( 1’b1 ), .IO( w_io ), .LED( w_led ) );

Поскольку я хочу посмотреть на довольно малые сдвиги фаз тактовых частот, то я бы, конечно, хотел провести временную симуляцию проекта в ModelSim. Для этого я указал в настройках проекта, что я буду использовать ModelSim-Altera для симуляции. При этом я ожидал увидеть сгенерированные выходные файлы проектов типа SDO или SDF.

К сожалению мой квартус иного мнения.

При компиляции проекта он выдает сообщение: Warning (10905): Generated the EDA functional simulation netlist because it is the only supported netlist type for this device. Получается, что для микросхем MAX10 пока можно сделать только функциональную симуляцию? Квартус сгенерировал мне только файл top.vo

Ну ладно, пробую так. Создаю в ModelSim новый проект и библиотеку work, добавляю в нее мои два файла tb.v и top.vo, компилирую их в ModelSim. В начале симуляции нужно еще указать используемые библиотеки: altera_mf_ver, altera_ver и fiftyfivenm_ver. Подробнее о симуляции PLL в ModelSim можно посмотреть вот здесь.

Что я вижу на временных диаграммах: Модуль top периодически выставляет сигнал phase_step и PLL отвечает коротким импульсом в ноль сигналом phasedone.

Если сделать zoom и попытаться рассмотреть подробнее фазы тактовых частот, то сразу становится видно, что фаза сигнала IO[1], который у меня подключен к выходу PLL с1 уходит вперед сразу после сигнала phasedone:

Получается, что в симуляции я уже могу видеть как сдвигается фаза тактовой частоты. Кстати, обратите внимание, насколько мал шаг фазы по сравнению с периодом самой частоты. Эффект сдвига фазы можно попробовать использовать в схемах измерения задержки синалов, в рефлектометрах и прочих измерителях.

Я постараюсь сделать проект простого измерителя, который сможет оценивать задержку распространения сигнала с точностью около 100 пикосекунд.

Как найти проблемы с фазой звука

По мере развития вашего слуха вы сможете услышать фазировку, когда она возникает. Конечно, одно только человеческое ухо не может легко определить все проблемы с фазой, поэтому на помощь приходят дополнительные инструменты и техники.

Прослушивание вашего микса (и отдельных треков) в моно, а не в стерео может выявить определенные фазовые проблемы. Если при сведении микса в моно вы заметили, что звук стал более тусклым или тонким, возможно, вы столкнулись с фазовым искажением. Аналогично, если при сведении в моно сигнал исчезает из центра, но остается в левом и правом каналах, скорее всего, вы столкнулись с рассогласованием фазы звука. Вы также можете определить проблемы с фазой звука с помощью визуальных плагинов, разработанных с учетом фазы (мы подробнее рассмотрим их в следующем разделе).

Квадратурный демодулятор

Квадратурный демодулятор формирует сигнал I и квадратурный (сдвинутый по фазе на 90°) сигнал Q. Сигналы I и Q — векторные величины, поэтому изменения амплитуды и фазы в принятом сигнале могут быть подсчитаны с помощью тригонометрических тождеств, приведенных на рис. 4. На вход LO приходит оригинальный передающийся сигнал, а на RF-вход — принятый сигнал. Демодулятор формирует сумму и разность этих сигналов. Поскольку сигналы имеют одинаковую частоту, ωLO = ωRF, то высокочастотную сумму можно отфильтровать, а разность частот превращается в 0. Фаза jРЧ принятого сигнала отличается от фазы переданного jLO. Это смещение фазы (jLO–jRF) связано с проницаемостью среды и помогает определить состав материала (1), (2).

Рис. 4. Измерение фазы и амплитуды с помощью квадратурного модулятора

Реальный квадратурный демодулятор имеет ряд отклонений от идеальной модели, связанных с погрешностью фазы, разбалансом коэффициента усиления и погрешностью частот сигналов с входов LO и RF, которые могут снизить качество демодулируемого сигнала. Прежде чем выбирать демодулятор, необходимо определиться с требованиями к диапазону RF-входа, точности усиления и измерения фазы.

Демодулятор ADL5380 работает от напряжения питания 5 В с РЧ- и ПЧ-частотами от 400 МГц до 6 ГГц, что делает его идеальным для нашего применения. Прибор сконфигурирован для усиления напряжения преобразователя 5,36 дБ, его дифференциальные выходы I и Q могут выдавать 2,5‑В дифференциальный сигнал для нагрузки 500 Ом. Коэффициент шума 10,9 дБ, IP1dB 11,6 дБм·Вт и IIP3 при 900 МГц 29,7 дБм·Вт обеспечивают превосходный динамический диапазон при амплитудном балансе 0,007 дБ и фазовом балансе 0,2°. Такие характеристики позволяют достичь высокой точности демодуляции. ADL5380 выпускается в миниатюрном 24‑контактном LFCSP-корпусе размером 4×4 мм.

Как исправить или предотвратить проблемы фазы

Поскольку потенциальных источников проблем с фазой так много, крайне важно вооружиться знаниями, хитростями и инструментами, которые помогут вам предотвратить и разрешить такие трудности.

Знайте соотношение 3:1 для размещения микрофонов

Этот метод применяется при работе с двумя микрофонами; второй микрофон должен быть расположен в три раза дальше от первого микрофона, чем первый микрофон от записываемого источника звука. Если один микрофон находится в шести дюймах от звукового отверстия гитары, второй микрофон следует установить на расстоянии 18 дюймов (1,5 фута) от второго микрофона. Этот прием не всегда работает, и могут потребоваться некоторые корректировки, но это хорошая отправная точка для минимизации фазовых проблем при записи с двумя микрофонами.

Техника записи Mid/Side разработана для минимизации потенциальных фазовых проблем.

Микс в монофоническом режиме

Микширование в моно может показаться нелогичным, учитывая, что большинство треков будет прослушиваться в стерео. Однако, как уже упоминалось выше, некоторые случаи фазового сдвига могут остаться незамеченными при прослушивании в стерео, а перевод треков в моно через различные промежутки времени во время микширования может выявить фазовые проблемы, которые вы могли бы не заметить. Проще говоря, сведение в моно поможет вам лучше понять контекст вашего микса в целом и устранить все неясности перед возвращением к стереозвучанию.

Использовать плагины аудиофазы

Помимо правильного размещения микрофонов в миксе и микширования в моно, вы также можете использовать различные плагины для устранения фазовых помех и легко визуализировать происходящее в эти моменты. К счастью, в настоящее время нет недостатка в фазовых корректорах. Среди ярких примеров — плагин InPhase от Waves, In-Between Phase от Little Labs и Eventide Precision Time Align. А если вы достаточно хорошо научитесь распознавать фазовые проблемы на слух, то простое перемещение дорожек немного влево или вправо также может исправить фазовые проблемы. Этот трюк не всегда срабатывает, особенно если ваш трек строго придерживается сетки.

Перемещение волновых форм

Возможно, самый простой способ решения проблем с фазой заключается в том, чтобы просто переместить похожие осциллограммы в нужное место. Если две осциллограммы одинаковых сигналов не выровнены, фазировка обязательно произойдет, поэтому простое смещение одной из них влево или вправо на временной шкале может быстро исправить ситуацию. Существуют даже плагины, которые автоматически выравнивают волновые формы, чтобы избавить вас от лишних хлопот — плагин Auto-Align от Sound Radix и MAutioAlign от Melda Productions являются двумя популярными вариантами выравнивания.

Использование фазы в своих интересах

До сих пор мы обсуждали фазовые помехи в основном как проблемы, которые необходимо решить. На самом деле, фазовые помехи не являются чем-то плохим по своей сути, это просто акустический артефакт, которым можно манипулировать несколькими способами. Конечно, устранение или коррекция фазовых помех — это один из способов борьбы с этим явлением.

Однако, если вы знаете, что делаете и чего хотите от своего микса, вы можете использовать фазовое сведение как еще один инструмент микширования. Например, манипулируя фазовым соотношением между гитарными дорожками, вы можете формировать тон результирующей дорожки (то же самое относится к тону любого инструмента или вокала), подобно фильтру-эквалайзеру. Определенные устройства (например, Neve Portico 5016 и Phazer от Radial) содержат схемы фазового сдвига, которые позволяют вам выбирать определенные частоты, которые вы хотите усилить, но при этом отменить, что дает уникальные возможности для формирования тона.

Примеры комбинаций фаз

Сложение фаз

Сложение фаз
На рисунке видно, что фазы направлены в одну сторону, а значит складываются. Это идеальная картина.

Противофаза

Противофаза
Те же самые волны, только по маркеру можно видеть, что пики у них разнонаправлены. Это называется противофаза. Каждая из этих дорожек по отдельности воспроизведет звук, вместе они не воспроизведут ничего. Мы будем слышать тишину в каждой точке волны.

Частичное сложение после параметрического эквалайзера

Частичное сложение после параметрического эквалайзера
На рисунке также показана противофаза, но с одним отличием: нижний файл обработан параметрическим эквалайзером, соответственно его звучание изменилось. Вместе со звучанием изменилось графическое представление. Однако, пусть и видоизмененный, но это все также звук, похожий на волну верхней дорожки. Т.е. если сложить их, то полного вычитания не произойдет, как в случае строгой противофазы. При сложении мы все же получим какую-то часть звука, но это будет совершенно не то, что хотелось бы получить.

Вопросы и ответы по фазам

У вас все еще есть вопросы об аудиофазе? Давайте ответим на некоторые часто задаваемые вопросы.

Что такое фазовая музыка?

Фазовая музыка намеренно использует свойства фазы в качестве композиционного инструмента. Фазовая музыка часто включает в себя минималистичные, похожие звуки (т.е. ноты) с небольшими изменениями частоты, тона и/или темпа для создания таких эффектов, как эхо, задержка, фланкирование, фазирование и др.

Что такое фазировка при смешивании?

В процессе микширования может возникнуть фазировка, когда между идентичными или связанными сигналами существует небольшая временная задержка. Такая фазировка может привести к нежелательным изменениям тона и громкости, но также может быть использована творчески.

Как вы диагностируете проблемы с фазой?

Вы можете определить фазовые проблемы в своей музыке, развивая слух, микшируя в моно и используя плагины, предназначенные для определения фазы.

Что такое комбинированная фильтрация?

Гребенчатая фильтрация — это тип фазировки, возникающий, когда сигнал складывается сам с собой за короткий промежуток времени, в результате чего возникают как конструктивные, так и деструктивные помехи — обычно это происходит из-за отражения в помещении и/или при стереозаписи. Это явление получило свое название из-за сходства с расческой для волос.

Может ли человеческое ухо слышать фазу?

Хотя человеческое ухо не может определить абсолютную фазу формы волны, оно иногда чувствительно к относительной фазе. Например, многие люди замечают слышимый сдвиг при объединении двух одинаковых синусоид (так как это создает более громкий шум) или при добавлении к сигналу эффекта фазера .

Калибровка ошибки смещения нуля и коэффициента усиления

Смещение нуля по каждому каналу приемника в идеале должно быть 0 LSB. В результате измерения мы получили значения –12,546 LSB и +22,599 LSB для I‑ и Q‑каналов соответственно.

Идеальный наклон характеристики можно рассчитать следующим образом:

На рис. 6 видно, что наклон для каналов I и Q составляет 6315,5 и 6273,1 соответственно. Этот наклон нужно корректировать для устранения ошибки коэффициента усиления. Корректировка ошибки коэффициента усиления и смещения выполняется для того, чтобы привести уровень сигнала к идеальному виду, посчитанному с помощью формулы (1). В качестве корректирующего коэффициента ошибки смещения берется измеренная ошибка смещения с противоположным знаком.

Коэффициент коррекции ошибки коэффициента усиления рассчитывается следующим образом:

Коэффициент коррекции ошибки коэффициента усиления = Идеальный наклон/Измеренный наклон. (8)

Результат преобразования приемника можно скорректировать следующим образом:

Скорректированное значение кода = (выходной код приемника × идеальный наклон)/измеренный наклон + корректирующий коэффициент ошибки смещения. (9)

Корректируемое значение входного напряжения рассчитывается следующим образом:

Входное напряжение измеряемого сигнала = 2VREF ×скорректированное значение кода/(2N–1). (10)

Формулу (10) для расчета значения напряжения на входе следует применить для каждого I‑ и Q‑канала. Для проверки точности калибровки полученные значения можно преобразовать в идеальные значения напряжений на выходе демодулятора. Расчет выполняется следующим образом:

Полностью скорректированное напряжение I-канала = средняя амплитуда после калибровки ×(cos(Θизмеренное)cos(jфазовый сдвиг)+sin(Θизмеренное)sin(jфазовый сдвиг)), (11)

Полностью скорректированное напряжение Q-канала = средняя амплитуда после калибровки ×(sin(Θизмеренное)cos(jфазовый сдвиг) + cos(Θизмеренное)sin(jфазовый сдвиг)), (12)

где jфазовый сдвиг — это ошибка фазы, вычисленная ранее. Средняя амплитуда после калибровки — амплитуда сигнала, рассчитанная по формулам (1) и (2), со скомпенсированными ошибками смещения и коэффициента усиления. В таблице 3 приведены результаты калибровки для разных значений фаз входного РЧ-сигнала амплитудой 0 дБм·Вт. Расчеты, выполненные по уравнениям (11) и (12), можно использовать в любой схеме, измеряющей фазу и амплитуду способом, представленным в этой статье.
Таблица 3.Полученные результаты при измерении фазы РЧ-сигнала с амплитудой 0 дБм·Вт

Что такое фаза звукового сигнала и какой в ней физический смысл? Можно ли понять ее изменение?

Если колебания (для волн — в конкретной точке) описываются ф-лой
мгновенное_значение_сигнала = А*sin(f*(2*pi)*(t-t_0)+фаза), то что такое фаза, ужЕ написано.
Эта фаза отличает этот сигнал от других.
Ее можно назвать также начальным значением фазы.

А f*(2*pi)*(t-t_0)+фаза — это мгновенная фаза. Она отличает значение сигнала в конкретный момент времени от его значения в другой момент времени.

Вместо sin тут может использоваться cos или вообще любая периодическая функция.

Фаза — это с чего начался звук динамика. Или с плюса (катушка всасывается), или с минуса (выплёвывается) или с нуля. Человеческое ухо фазу с одного динамика не чувствует. Зато чувствует разницу между двумя фазами от двух разных динамиков.

Или, к примеру, поёт птица. Её песня приходит в наши уши в разных фазах. Чем толще голова, тем сильнее различаются фазы. За счёт этого различия мозг определяет направление на птицу.