Visual Analyser. Установка и предварительная настройка

Автор: Sobiratel_sxem
Опубликовано 25.05.2018
Создано при помощи КотоРед.

Добрый день, уважаемые радиолюбители.

     В предыдущей части данной статьи я кратко рассказал Вам об основных возможностях измерительного комплекса на базе персонального компьютера (ПК) с использованием программного обеспечения (ПО) Visual Analyser [1]. Сегодня я хотел бы продолжить данный цикл статей и рассказать Вам подробно об установке и предварительной настройке данного измерительного комплекса. Итак, пожалуй, начнём…
     Для начала использования измерительного комплекса на базе ПК необходимо скачать с официального сайта автора само программное обеспечение Visual Analyser, установить его на компьютер и настроить. Для скачивания программного обеспечения необходимо зайти в раздел «Download» на сайте автора и выбрать необходимую версию. Я рекомендую Вам использовать последнюю версию ПО, датируемую 2014 годом [1].
     После скачивания и установки ПО на рабочем столе появится 2 ярлыка – один для запуска 32-х разрядной версии ПО, а второй для запуска 64-х разрядной. В зависимости от типа установленной операционной системы (ОС) необходимо использовать ту или иную версию ПО. Несмотря на то, что 32-х разрядная версия ПО отлично будет работать на 64-х разрядных операционных системах всё же эффективнее использовать на них именно 64-х разрядную версию данного ПО. Не буду описывать подробно процесс установки ПО т.к. он типовой и не содержит каких-либо тонкостей. Перейдём непосредственно к настройке ПО и ОС сразу.
     Для объяснения настройки и принципа работы измерительного комплекса мной будут использовано следующее программное и аппаратное обеспечение:
     1. Непосредственно ПО Visual Analyser [1];
     2. ПК с установленной звуковой картой Asus ROG Xonar Phoebus [2, 3]
     3. Операционная система Windows 10.
     На начальном этапе настройки измерительного комплекса необходимо настроить для работы саму операционную систему. Для этого нужно зайти в настройки управления звуковыми устройствами ОС. Попасть туда можно несколькими путями:
     1. Пуск – Параметры – Управление звуковыми устройствами (набрать в строке поиска на странице параметров ОС «Управление звуковыми устройствами» и выбрать соответствующий пункт).
     2. Воспользоваться поиском в Windows. Для этого необходимо на панели задач Windows выбрать «Поиск в Windows» (с иконкой лупы); набрать в поиске «управление звуковыми устройствами» и выбрать соответствующий пункт.
     3. Щёлкнуть правой кнопкой мыши по иконке звуковых устройств в области уведомлений Windows (в виде динамика в правом нижнем углу) и выбрать пункт «Устройства воспроизведения».
     Перед Вами появится окно, показанное на фото ниже в верхней половине фото.

      В данном окне будут перечислены имеющиеся на ПК устройства для воспроизведения звука с доступными в данный момент аудиовыходами.
     На данном этапе нам необходимо назначить одно из устройств воспроизведения устройством по умолчанию. Именно это устройство будет в дальнейшем использовано при работе измерительного комплекса.
     Различные звуковые карты комплектуются различным набором входных и выходных аудиовходов и аудиовыходов, соответственно вариантов может быть несколько, но в любом случае, в качестве аудиовыхода для воспроизведения необходимо выбирать выход с наилучшими параметрами по полосе пропускания, уровню нелинейных искажений, соотношению сигнал/шум и максимальной развиваемой на выходе амплитудой сигнала.

Данные технические характеристики можно обычно посмотреть на официальном сайте производителя звуковой карты (либо материнской платы, если звуковая карта встроенная). В моём случае это выход на динамики.

     На звуковой карте Asus ROG Xonar Phoebus имеется отдельный выход на наушники, который имеет примерно схожие характеристики по соотношению сигнал/шум, а так же уровню нелинейных искажений, но развивает на выходе значительно более низкое максимальное напряжение.
     Для назначения устройства воспроизведения по умолчанию необходимо щёлкнуть по нему правой кнопкой мыши и выбрать пункт «Использовать по умолчанию», затем щёлкнуть повторно правой кнопкой мыши и выбрать пункт «Использовать устройство связи по умолчанию». После этого выбранное устройство будет назначено в операционной системе как устройство воспроизведения по умолчанию для всех применений (пункт 1).
     После назначения устройства воспроизведения по умолчанию необходимо настроить некоторые его параметры. Для этого нужно щёлкнуть по выбранному устройству вновь правой кнопкой мыши, выбрать пункт «Свойства», после чего в открывшемся окне перейти на вкладку «Дополнительно». Вы увидите окно, показанное в нижней половине фото слева.
     На данной вкладке в выпадающем меню необходимо выбрать максимальную поддерживаемую частоту дискретизации выбранного устройства воспроизведения и разрядность ЦАП. В моём случае это 24 бит, 192 000 Гц (пункт 2).
     В некоторых версиях ПО так же есть дополнительная вкладка со звуковыми эффектами и фильтрами, которые возможно применить к выводимому аудиоустройством звуку. В этом случае для выбранного аудиоустройства необходимо дополнительно отключить все звуковые эффекты и фильтры. На этом настройку устройств воспроизведения можно считать законченной.
     Переходим к настройке устройств записи. Алгоритм настройки устройств записи полностью аналогичен алгоритму настройки устройств воспроизведения, поэтому подробного его описывать не будем. Меню настроек устройств записи открывается аналогично меню устройств воспроизведения. Внешний вид окон для настройки устройств записи для моей звуковой карты и ОС показан на фото ниже (справа, пункты 3 и 4).

     Как известно, в комплекте поставки ПО к звуковым картам различных производителей обычно поставляется дополнительное фирменное программное обеспечение для гибкой настройки параметров звуковой карты. Если Вы используете данное программное обеспечение в режиме автозапуска (т.е. оно стартует автоматически при загрузке операционной системы), то дополнительно необходимо проконтролировать соответствие установленных в системе настроек для устройств по умолчанию и настроек в данном программном обеспечении. Обычно синхронизация настроек происходит автоматически, но не всегда корректно.
     Таким образом в поставляемом к звуковой карте дополнительном программном обеспечении необходимо проконтролировать и при необходимости установить в качестве устройств записи и воспроизведения те же самые устройства, что были установлены по умолчанию в операционной системе.
   Все настройки операционной системы и дополнительного программного обеспечения должны быть идентичны (т.е. выставлены одинаковые частоты дискретизации, разрядность ЦАП и АЦП, а так же отключены все звуковые эффекты и фильтры, эквалайзер выставлен на «0»).

Внешний вид окна настроек дополнительного ПО, поставляемого в комплекте к моей звуковой карте представлен на фото далее (пункты 5-8).

На этом настройку операционной системы можно считать законченной. Перейдём к предварительной настройке самого программного обеспечения Visual Analysrer.

Как уже было отмечено выше, после установки ПО на Ваш ПК на рабочем столе будет создано 2 ярлыка. Запустите версию ПО Visual Analyser, соответствующую версии вашей операционной системы.
После запуска ПО можно приступать к его настройке. Для этого в верхней части окна необходимо войти в меню «Setting» (вторая слева кнопка) и в появившемся окне перейти на вкладку «Device». Перед Вами появится окно настройки используемого для работы оборудования. Данное окно настроек показано на фото ниже.

     В левой части данного окна необходимо выбрать устройство ввода (Input device). В данном поле в выпадающем списке выбирается то же самое устройство, что было выбрано в операционной системе как устройство записи по умолчанию (пункт 9).
     В правой же части окна аналогично выбирается устройство вывода (Output device). В данном поле выбирается выбранное по умолчанию в системе устройство воспроизведения (пункт 10).
     После выбора устройств ввода и вывода необходимо нажать кнопку «Detect with oversampling» (пункт 11) - программное обеспечение Visual Analyser своими силами протестирует выбранное оборудование и его поддерживаемые режимы появятся ниже под строками с выбранным оборудованием (Supported Formats).
    На данном этапе необходимо обратить внимание на максимальную поддерживаемую оборудованием частоту дискретизации и разрядность АЦП/ЦАП – они нам ещё пригодятся в дальнейшем (а лучше записать/сделать скан экрана).
    Если же после нажатия кнопки «Detect with oversampling» процедура тестирования оборудования не прошла необходимо нажать кнопку «Detect standard» (пункт 11). В этом случае выбранное оборудование будет протестировано средствами операционной системы, а поддерживаемые режимы будут так же выведены таблицей ниже под строками с выбранным оборудованием (Supported Formats).

После выбора оборудования и тестирования его возможностей переходим к дальнейшим настройкам ПО. Для этого необходимо перейти на вкладку «Main», представленную на фото ниже (слева). В верхней левой части окна (пункт 12) нам необходимо выбрать частоту дискретизации (Frequency sampling) и размер преобразования Фурье (FFT size).
В качестве частоты дискретизации необходимо выбрать максимальную поддерживаемую частоту, полученную в результате тестирования оборудования на предыдущей вкладке.

     Теоритический максимум полосы пропускания измерительного комплекса не может лежать выше половины частоты дискретизации, согласно теореме Котельникова [5]. К этому ограничению мы ещё вернёмся на этапе тестирования технических возможностей измерительного комплекса.
     Размер преобразования Фурье выбирается из практического соотношения между точностью построения спектра и скоростью вычисления преобразования Фурье.
     Чем больше размер преобразования Фурье – тем точнее и подробнее спектр, но тем медленнее его расчёт и выше нагрузка на центральный процессор ПК. Оптимальное соотношение выбирается исходя из возможностей центрального процессора, установленного в ПК. В большинстве случаев вполне достаточно размера равного 8192-16384 для получения необходимой точности. Я обычно использую размер преобразования Фурье равный 32768 [6, 7].

После выбора частоты дискретизации и размера преобразования Фурье необходимо для подтверждения настроек нажать кнопку «Confirm» (Подтвердить, пункт 12).
Следующим этапом настройки ПО является выбор количества используемых каналов (Number of Channels). Так как в дальнейшем после настройки комплекса будет произведено практическое тестирование его возможностей выставим режим работы Stereo (Стерео, пункт 13).

     На следующем этапе настройки необходимо настроить разрядность работы АЦП (bit deph, пункт 14). На данном этапе данные настройки разрядности можно оставить по умолчанию т.е. 16 бит. Более подробно о выборе разрядности мы поговорим при рассмотрении окончательной настройки измерительного комплекса.
     Для более точного и достоверного построения спектра при расчете и выводе его на экран, а так же устранения эффекта размытия спектра (и некоторых других нежелательных эффектов) используются так называемые оконные функции. Каждая оконная функция обладает присущими ей достоинствами и недостатками [4, 8]. Я рекомендую использовать Вам оптимизированное окно Блэкмана (пункт 15).
     Итак, вот и пришла пора приступить к следующему этапу настройки Visual Analyser - настройки внешнего вида измерительного комплекса. Для этого необходимо перейти на вкладку «Spectrum», показанную на фото справа чуть выше.
     В правой части представленного окна необходимо выбрать тип (линейный/логарифмический) и шаг масштабов по осям (пункт 16). Тем кто часто пользуется измерительными приборами скорее всего удобнее будет использовать логарифмический масштаб по осям (Log Y axis, Log X axis) т.к. он позволяет отобразить на экране измерительного прибора достаточно большие интервалы. Аналогичная ситуация обстоит и с шагом координатной сетки – стандартный шаг (Step) во многих измерительных приборах (по умолчанию) принят равным 10 дБ.
     Так же на данной вкладке необходимо дополнительно включить отображение спектра в реальном времени (FFT enabled) и информацию об уровне выбранной гармоники (info) в окне отображения спектра (пункт 17).

     Чуть ниже под данными настройками расположены настройки отображения полосы частот на спектре сигнала (Freq. Range). Доступно 2 варианта задания полосы частот – автоматический режим (Automatic) и ручной (для которого необходимо задать верхнюю и нижнюю границы в герцах). Я рекомендую использовать Вам ручной режим. Для его активации необходимо снять галочку в поле Automatic после чего станут доступны поля для ввода верхней (Upper) и нижней (Lower) граничной частоты (пункт 18).
     В качестве верхней граничной частоты отображаемой полосы частот необходимо задать максимальную поддерживаемую частоту дискретизации, (которую мы определили ранее на вкладке «Device» ранее) делённую пополам (в соответствии с теоремой Котельникова). Для моего случая эта частота равна 48 000 Гц. В качестве нижней граничной частоты целесообразно выбрать частоту равную 5 Гц т.к. многие звуковые карты имеют встроенный полосовой фильтр и отсекают полосу частот как сверху так и снизу. Об этом мы так же подробно поговорим при тестировании технических возможностей измерительного комплекса и его окончательной настройке (пункт 18).
     Если Вы используете небольшие значения размера преобразования Фурье (FFT size), то выводимый в реальном времени на экран спектр может достаточно сильно «мельтешить» перед глазами. Для избавления от подобного эффекта можно применить усреднение к выводимым в реальном времени данным. Для этого необходимо из выпадающего списка в правой части окна выбрать необходимую величину усреднения (AVARAGE real time). В большинстве случаев достаточно усреднения по 5-10 результатам вычисления спектра (пункт 19).

При выборе усреднения стоит помнить, что выбор слишком больших значений увеличивает время вывода спектра на экран, что при точной настройке тестируемого устройства может быть не совсем удобно т.к. изменения изображения спектра будут сильно отставать от фактического изменения режима работы тестируемого/настраиваемого устройства. Я же использовать усреднение в реальном времени не буду т.к. мной использован достаточно большой размер преобразования Фурье.
Немного ниже под настройками усреднения расположены настройки отображения дополнительных характеристик исследуемого сигнала (Distorsion) – коэффициента нелинейных искажений (THD) и суммы коэффициента нелинейных искажений и шумов (THD+N). Рекомендую включить отображение коэффициента нелинейных искажений (THD) сразу, поставив соответствующую галочку т.к. контроль данного параметра необходим практически всегда (пункт 20).

Для дальнейшей настройки измерительного комплекса необходимо перейти на вкладку «THD», показанную на фото справа выше. В правой части окна расположены настройки усреднения спектра при вычислении (Average for THD computation) и метода вычисления спектра (THD computation). Под методом вычисления спектра подразумевается выбор между коэффициентом нелинейных искажений (THD-F) и коэффициентом гармонических искажений (THD-R). На данном этапе я рекомендую оставить данные настройки по умолчанию (пункт 21).
На этом этапе предварительную настройку измерительного комплекса можно считать практически законченной. Нам осталось настроить только параметры встроенного генератора сигналов. Для этого в верхней части основного окна программы необходимо нажать на кнопку «Wawe» (четвёртая слева), после чего перед Вами появится окно, показанное на фото слева ниже.

     В верхней и нижней части данного окна расположены настройки левого (Left (A) channel) и правого (Right (B) channel) каналов встроенного генератора сигналов. Единственное что необходимо сделать на данном этапе – активировать работу обоих каналов, установив соответствующие галочки в поля Enable (пункты 22, 24).
     Между настройками основных параметров каналов располагаются дополнительные настройки. Нас интересует только одна – блокировка (Interlock) раздельного управления частотными параметрами каналов генератора. При активации данного пункта изменение параметров генератора в одном канале приводит к настройке аналогичных параметров в другом. Нам это свойство ещё пригодится при тестировании параметров измерительного комплекса, поэтому активируйте данный пункт сразу (пункт 23).
     Последняя необходимая нам настройка находится в правой части этого же окна. Если Вы уже догадались, то это тоже блокировка (Interlock), но блокировка уровней напряжения на выходе каналов встроенного генератора (пункт 25). После установки соответствующей галочки предварительную настройку измерительного комплекса на базе ПК можно считать законченной.
     Теперь смело можно сохранить все выполненные настройки. Для этого необходимо вновь вернуться в меню настроек программы (Setting) и в правой части появившегося окна нажать кнопку «Save Config» (Сохранить конфигурацию) . Все произведённые Вами настройки будут сохранены в файл по умолчанию. Вы так же можете сохранить настройки в отдельный файл, нажав кнопку «Save As» (Сохранить как), после чего Вам будет предложено ввести имя файла настроек и путь сохранения, после чего настройки будут сохранены.
В следующей части данной статьи мы поговорим с Вами о тестировании технических возможностей измерительного комплекса на базе ПК, а так же окончательной настройке комплекса.
     На этом на сегодня все, с уважением, Андрей Савченко.

Список использованной литературы:

1. Visual Analyser, официальный сайт
2. Описание звуковой карты на официальном сайте
3. Обзор и тестирование аудиокарты Asus ROG Xonar Phoebus
4. Спектральный анализ на ограниченном интервале времени. Оконные функции
5. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 2-е издание. - 446 с.
6. Простыми словами о преобразовании Фурье
7. Практическое применение преобразования Фурье для анализа сигналов. Введение для начинающих
8. Эффект утечки. Оконные функции

Все вопросы в Форум.