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 cubren una amplia variedad de parámetros, incluidos el nivel , la ganancia , el ruido , la distorsión armónica y de intermodulación , la respuesta de frecuencia , la fase relativa de las señales, la diafonía entre canales y más. Además, muchos fabricantes tienen requisitos para el comportamiento y la conectividad de los dispositivos de audio que requieren pruebas y confirmaciones específicas.
El análisis de audio requiere que el dispositivo bajo prueba reciba una señal de estímulo de características conocidas, con la que el analizador podrá 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 puede provenir de otra fuente (por ejemplo, una grabación) siempre que se definan las características relativas a la medición deseada.
Como equipo de prueba y medición, los analizadores de audio deben ofrecer un rendimiento muy superior al de los dispositivos bajo prueba (DUT) típicos. Los analizadores de audio de alta calidad deben demostrar niveles extremadamente bajos de ruido, distorsión e interferencia para que se los considere valiosos, y deben hacerlo de manera consistente y confiable para que los ingenieros y diseñadores confíen en ellos. Por ejemplo, mientras que un reproductor de CD comercial puede lograr 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 exhibir una THD+N tan baja como -121 dB (este es el rendimiento típico especificado del Audio Precision APx555).
Los analizadores de audio se utilizan tanto en el desarrollo como en la producción de productos. A un ingeniero de diseño le resultarán muy útiles para comprender y perfeccionar el rendimiento del producto, mientras que un ingeniero de producción querrá realizar pruebas para confirmar rápidamente que las unidades cumplen las especificaciones. Muy a menudo, los analizadores de audio están optimizados para uno de estos dos casos.
Los modelos actuales de analizadores de audio más populares incluyen: APx585 y APx555 (de Audio Precision), dScope M1 y Series 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 las pruebas de audio fue el primer producto fabricado por Hewlett-Packard en 1939, el oscilador de audio HP200A . El diseño inteligente y económico del HP200A permitía a los evaluadores generar ondas sinusoidales de muy alta calidad y baja distorsión que podían utilizarse para las pruebas. A esto le siguió la introducción por parte de la empresa de los analizadores de distorsión HP320A y HP320B en 1941.
Estos primeros analizadores solo podían determinar la distorsión armónica total y el ruido combinados, y funcionaban empleando un filtro de ranura pronunciada para eliminar la frecuencia fundamental de la señal de estímulo de la salida del dispositivo bajo prueba. La señal restante se medía como voltaje de CA y, por lo tanto, permitía el cálculo manual del ruido y la distorsión totales hasta un mínimo de aproximadamente el 0,1 %.
Los productos posteriores de HP, Wandell & 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 separados y las pruebas implicaban un ajuste cuidadoso 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, ajuste de frecuencia y anulación. En esta misma época, 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 dejó de producir equipos de prueba de audio y en 1984 los 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 un PC conectado para automatizar por completo los procedimientos de prueba y proporcionar un grado mucho mayor de potencia computacional que los simples microprocesadores utilizados en otros productos de la época. El novedoso uso de un PC permitió un alto grado de automatización personalizada y posibilitó una presentación visual de los resultados radicalmente diferente.
La combinación de tecnología de PC con analizadores de audio fue adoptada por otros, incluidos Prism Sound (dScope), Rohde and Schwarz (UPL) y Stanford Research (SR1). A medida que aumentó la potencia de las PC disponibles, las mediciones en sí mismas migraron de ser realizadas internamente por analizadores de audio a aplicaciones que se ejecutaban en PC conectadas y realizaban cálculos FFT (Transformada rápida de Fourier), lo que aumentó enormemente la flexibilidad y la resolución de muchos resultados.
Además de las señales analógicas, los analizadores de audio actuales suelen ser capaces de generar y medir señales de audio a través de varios tipos diferentes de E/S digitales. Por ejemplo, el Rohde and 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 de densidad de pulsos) y radio Bluetooth , y están totalmente basados en DSP .
Un analizador de audio moderno consta de:
En una prueba de circuito cerrado, el motor de análisis controla el generador de audio mientras mide simultáneamente la salida del DUT, como se muestra a continuación:
El analizador de señales puede proporcionar control tanto al generador de audio como a las etapas de entrada de audio, lo que garantiza que se cumplan las condiciones de prueba. Esto también permite determinar relaciones temporales precisas entre el estímulo y la respuesta de un DUT.
En una prueba de bucle abierto, el analizador de señales no tiene control sobre la fuente de audio que alimenta el dispositivo bajo prueba, por lo que el usuario debe asegurarse de que la fuente proporcione una señal con características adecuadas. Las pruebas de bucle abierto son útiles para medir dispositivos bajo prueba que no tienen una 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 a través del aire. En estos casos, el DUT en el modelo mostrado arriba debe reemplazarse con el sistema electromecánico completo, por ejemplo, un amplificador de potencia para accionar un altavoz, un altavoz, un micrófono de medición y un preamplificador de micrófono. El dispositivo real bajo prueba se puede medir solo cuando los otros dispositivos en este sistema están completamente caracterizados, de modo que las contribuciones de estos dispositivos se puedan restar de la respuesta. Muchos analizadores de audio modernos contienen secuencias de medición que automatizan este procedimiento, y el foco de los desarrollos recientes se ha centrado en mediciones cuasi-anecoicas. Estas técnicas permiten caracterizar los altavoces en un entorno no ideal (ruidoso), sin la necesidad de una cámara anecoica , lo que los hace ideales para su uso en la fabricación de líneas de producción de gran volumen. La mayoría de las mediciones cuasi-anecoicas se basan en una respuesta de impulso creada a partir de una onda sinusoidal cuya frecuencia se barre en una escala logarítmica, con una función de ventana aplicada para eliminar cualquier reflexión acústica. El método de onda sinusoidal barrida en forma de registro aumenta la relación señal/ruido y también permite la medición de armónicos de distorsión individuales hasta la frecuencia de Nyquist , algo que antes era imposible con técnicas de análisis más antiguas como MLS (Maximum Length Sequence).
Un generador de audio adecuado para su uso en pruebas y mediciones debe cumplir varios criterios que se aplican tanto a estímulos analógicos como digitales:
Además, el generador permitirá definir un rango de frecuencia y una amplitud precisos del estímulo presentado al dispositivo bajo prueba, lo que resulta fundamental a la hora de adaptar las condiciones de prueba a las características del dispositivo bajo prueba.
Antes de la introducción de los analizadores de audio integrados, los generadores de audio y los analizadores de audio eran equipos independientes. En este artículo, el término analizador de señales se refiere al elemento de un analizador de audio moderno que implementa las mediciones reales.
Ya sea que se realice en circuitos analógicos, procesamiento de señales digitales (DSP) o FFT, el motor analizador debe proporcionar implementaciones de alta precisión de:
Como la mayoría de los instrumentos modernos están basados en formato digital, el análisis de señales se realiza con frecuencia mediante cálculos basados en FFT, lo que permite calcular muchos resultados en una sola pasada de prueba.
El analizador procesa los resultados de estas mediciones para convertirlos en datos legibles utilizando una variedad de unidades y formatos estándar, como voltios , dB , dBu , SPL , ohmios , porcentaje relativo, etc., según la medición específica que se informa. 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: