PORADNIK: Czy faza jest słyszalna? - Cz.III

Żeby zakończyć nasz krótki cykl o fazie i charakterystyce fazowej musimy wrócić do początku naszych rozważań i odpowiedzieć sobie wreszcie na zadane w pierwszej części pytanie, co właściwie pokazuje charakterystyka fazowa i czy jest to w jakikolwiek sposób przez nas słyszalne?

• Czytaj także PORADNIK: Wszystko o nagłośnieniu estradowym

Pamiętamy – mam nadzieję – z pierwszej części, że charakterystykę fazową najczęściej przedstawiamy na wykresie ograniczonym na osi pionowej wartościami -180 stopni i 180 stopni (rzadziej 0 i 360 stopni). Powoduje to, że charakterystyka ta jest „zawijana” – w tych miejscach, gdzie wartość fazy dla danej częstotliwości przekracza wartości progowe, czyli 180 i -180 stopni. Pamiętamy też być może, że stałe opóźnienie całego sygnału (w stosunku do sygnału referencyjnego) skutkuje tym, że na przebieg rzeczywistej charakterystyki fazowej nałoży się charakterystyka opadająca. W przypadku stałego dla wszystkich częstotliwości opóźnienia, jeśli oś częstotliwości będzie liniowa, charakterystyka fazowa będzie wtedy opadającą linią prostą o stałym nachyleniu (jak na przykładzie poniżej).

W przypadku, gdy oś częstotliwości wyskalujemy logarytmicznie – tak jak przeważnie robi się to dla charakterystyk częstotliwościowych – będziemy mieli do czynienia z wykresem opadającym logarytmicznie.

Jeśli nie pozbędziemy się stałego opóźnienia, odczytanie właściwej charakterystyki fazowej – czyli tej „części”, która jest zależna od częstotliwości – jest mocno utrudnione. Wartość stałego opóźnienia, wynikającego z propagacji sygnału, możemy odczytać bądź z charakterystyki impulsowej, bądź charakterystyki opóźnienia grupowego. W pierwszym przypadku wystarczy spojrzeć na skalę czasową i odczytać, w którym miejscu wypada najwyższa wartość impulsu.

W przypadku charakterystyki opóźnienia grupowego opóźnienie stałe odczytamy na osi Y – odpowiada ona tej wartości czasu, gdzie wykres opóźnienia grupowego przyjmuje już mniej więcej stałą wartość (wykres przebiega równolegle do osi X).

Możemy też – na upartego – odczytać to opóźnienie również z charakterystyki fazowej, z tym że tutaj już nie mamy tego podanego „na tacy”, ale musimy troszkę policzyć.

Spójrzmy jeszcze, na przykładzie, co się stanie jeśli niedokładnie odczytamy ten czas opóźnienia propagacji sygnału, który musimy uwzględnić w programie do analizy sygnału (typu SMAART, SysTune, SatLive itp.), aby uzyskać „czysty” wykres przebiegu fazy.

Przypadek, gdy odejmiemy „za mało w zasadzie niewiele różni się od przypadku, gdy w ogóle nie uwzględnimy tego, że mamy stałą latencję sygnału. Konkretnie różni się wartością tegoż opóźnienia, co oznaczać będzie, że charakterystyka fazowa będzie wtedy „rzadsza” (zawijanie fazy będzie bardziej „rozstrzelone”, bowiem czas opóźnienia będzie krótszy, niż w sytuacji, gdy w ogóle go nie uwzględnimy), a z kolei wykres opóźnienia grupowego istotnie zbliży się do osi X (aczkolwiek będzie wciąż nad nią, właśnie o te kilka milisekund czy nawet mikrosekund, o które pomyliliśmy się w naszych kalkulacjach).

W przypadku, gdy odejmiemy zbyt dużo będzie mieli dziwną sytuacje, gdy wykres opóźnienia grupowego przejdzie poniżej osi X, czyli opóźnienie będzie miało wartość ujemną.

W sytuacji absolutnej takie coś nie może się wydarzyć (nie możemy mieć ujemnego opóźnienia, bo to by oznaczało, że sygnał dociera szybciej niż „po drucie”, tzn. musiałby się poruszać szybciej niż prędkość światła!). Jednak musimy pamiętać, że w naszym przypadku nie mamy do czynienia z czasem absolutnym, ale relatywnym – w stosunku do innego sygnału, referencyjnego – stąd ujemny czas opóźnienia. Również charakterystyka fazowa wygląda wtedy dość „dziwnie” – pomiędzy pionowymi kreskami zawijania fazy wykres nie opada, ale wznosi się.

Tak więc jeden rzut oka, czy to na charakterystykę opóźnienia grupowego, czy też charakterystykę fazową, powinien nam wystarczyć, aby zorientować się, że „coś jest nie w porządku”, tzn. że uwzględniono w kalkulacjach latencję większą, niż jest w rzeczywistości.

W przypadku, gdy dobrze skalkulujemy czas opóźnienia uzyskamy „prawdziwy” przebieg charakterystyki fazowej, a charakterystyka opóźnienia grupowego „przyklei” się do osi X.

Teraz wreszcie można przyjrzeć się, jak wygląda przebieg fazy sygnału mierzonego, tzn. które częstotliwości „nie nadążają” i w jakim stopniu. Cóż wreszcie wynika z takiej niezbyt idealnej charakterystyki fazowej?

Płaska charakterystyka amplitudowa i fazowa pozwalają urządzeniu wiernie odtwarzać sygnał, który trafia na jego wejście. Najchętniej stosowanymi sygnałami testowymi, pozwalającymi określić jakość urządzenia – pod względem wierności przekazu – są sygnały impulsowe i fala prostokątna, oba charakteryzujące się bardzo szerokim widmem. W praktyce wszystkie urządzenia audio mają ograniczony zakres pracy (ograniczone pasmo przenoszenia), są bowiem elementami pasmowo-przepustowymi. Z definicji więc nie mogą idealnie wiernie reprodukować sygnałów, nawet tych mieszczących się w zakresie częstotliwości słyszalnych dla ludzkiego ucha.

Zarówno charakterystyka amplitudowa jak i fazowa są interesujące dla projektanta systemów głośnikowych, jako narzędzie pozwalające na osiągnięcie jak najlepszego przenoszenia transjentów przez ów system. Mogą one dostarczyć ilościowej oceny charakterystyki głośnika, uzależnionej od doboru komponentów i ich umiejscowienia. Zupełnie słusznie oczekuje się, że lepsze przenoszenie transjentów przekłada się na wierniejszą reprodukcję dźwięku, co jest pożądaną cechą systemów nagłośnieniowych. Na wykresach poniżej widać przebieg sygnału prostokątnego przepuszczonego przez układ, którego charakterystyka fazowa pozostawia wiele do życzenia (górny wykres) oraz ten sam sygnał na wyjściu układu o stosunkowo równej charakterystyce fazowej.

„Nawywijana” charakterystyka fazowa jest też od razu widoczna, jeśli spojrzymy na charakterystyki impulsowe (czyli odpowiedź w funkcji czasu urządzenia na pobudzenie jednostkowe, tj. na krótki impuls – jak np. wystrzał z pistoletu startowego). Poniżej przykład, jak wygląda charakterystyka impulsowa układu z „pogiętą” charakterystyką fazową (u góry), oraz tego samego urządzenia ze znacznie bardziej wyrównaną charakterystyką fazową (u dołu) – i przy okazji też bardziej wyrównaną charakterystyką amplitudową.