Potřebujete měřit? Zkuste Baudline!

Baudline - univerzální analyzátor

Existuje mnoho programů, umožňujících měření pomocí počítače, vybaveného zvukovou kartou. Mezi nimi vyniká svojí všestranností Baudline [1], který lze použít jako spektrální analyzátor, digitální paměťový osciloskop (DSO), FFT analyzátor, měřič zkreslení, měřič kmitočtu, generátor funkcí, analýzu a monitorování kvality signálů, prohlížeč spektrogramů (čas/frekvence), nástroj pro sběr dat (DAQ), vyhodnocování slabých signálů, vizualizace a přehrávání audio záznamů a řadu dalších funkcí. Má mimo jiné také řadu funkcí, zajímavých pro muzikanty, může fungovat např. jako superpřesná ladička nebo metronom.

Baudline je freeware, tj. je šířen bezplatně. Není ovšem OpenSource, tj. nejsou k dispozici zdrojové kódy. Nabídky jsou v angličtině a díky uzavřenému zdrojovému kódu není bohužel možná lokalizace do češtiny.

 

Obr. 1. Zobrazení několika veličin současně je standardní vlastností Baudline.

Podstatou Baudline je časově-frekvenční analyzátor a zobrazovač spektrální domény. Analýza je prováděna pomocí Fourierovy, korelační a rastrové transformace, výstupem jsou barevné spektrogramy s mnoha detaily. Zobrazení je plynulé a rychlé, k dispozici je řada nástrojů, umožňujících vyhodnocení sledované veličiny ve zvoleném bodě, tj. není nutné hrubě odečítat z grafů, ale je možné pouhým najetím kurzoru (který může mít podobu os) získat přesnou hodnotu v číselné formě. Samozřejmostí je sledování několika parametrů současně, čímž dosáhneme stejného efektu, jako použitím několika přístrojů současně, např. osciloskopu, spektrálního analyzátoru a měřiče zkreslení atd. (obr. 1). Součástí Baudline je i přehrávač, který umožňuje celou řadu triků s DSP, zpomalování, zrychlování, přelaďován apod.

 

Systémové požadavky a instalace

Baudline může běžet na počítači s některým z operačních systémů Linux, případně FreeBSD, Mac OS X nebo Solaris s procesory s architekturou x86, x86_64, PPC, S/390 nebo SPARC CPU, který je vybaven grafickým serverem X11 a zvukovým systémem ALSA či OSS, případně s rozšířením JACK. Možnosti programu (citlivost, frekvenční rozsah a přesnost) jsou omezeny možnostmi zvukové karty. Vzhledem k tomu, že vývoj Baudline probíhá již 11 let, nechybí podpora starších zvukových karet, u nichž bývala standardem vzorkovací frekvence 5,5 nebo 11 kHz. Dnešní zvukové karty běžně používají vzorkovací frekvenci 44,1 nebo 48 kHz, karty pro hi-fi aplikace pak 96 kHz a špičkové zvukové karty 192 kHz. Předpokladem ovšem je podpora použité karty ovladačem, který je součástí jádra operačního systému, tj. není kompilován jako modul, ale přímo jako součást jádra. Jádra, která jsou součástí většiny moderních distribucí Linuxu, tomuto požadavku odpovídají, většinou proto není nutné se jádrem zvlášť zabývat.

Volba vhodné zvukové karty je tedy velmi důležitá. Nejdůležitější jsou kvalitní A/D a D/A převodníky, proto volba padla na ESI Juli@ (obr. 2), která má sice jen 2 analogové vstupy a výstupy, ale je vybavena převodníky VIA Envy24HT-S, které ve spolupráci s AKM AK4114 resp. AKM AK5385A umožňují dosáhnout dynamického rozsahu 114dBA (ADC), resp. 112dBA (DAC) při THD + Noise: -94dB. Získáme tak např. spektrální analyzátor s dynamickým rozsahem kolem 100 dB, což vůbec není špatné a ve srovnání s běžným dílenskými přístroji jde opravdu o nadprůměrné parametry. Převodníky VIA Envy24HT-S jsou samozřejmě standardně podporovány jádrem každé moderní linuxové distribuce, navíc je zaručena minimální latence, což nelze říci o systémech, založených na Windows, kde je i při použití ovladačů ASIO latence o řád vyšší.

Obr. 2. Zvuková karta ESI Juli@, která umožňuje měření až do 192 kHz.

Z tohoto pohledu se jeví volba operačního systému Linux jako velmi výhodná, i když se můžeme setkat s názory, že podpora těchto zvukových karet je v Linuxu horší, než ve Windows. Tyto názory většinou pramení z hodnocení zvukových karet pro použití při záznamu, přehrávání a zpracování (masteringu) hudby, které jsou ovlivněny i vlastním software pro toto použití. Vlastní systémová podpora však nebývá důkladněji rozebírána a zohledněna, možná i proto, že Windows mají v podstatě jednotný zvukový systém a neexistuje zde volba alternativních ovladačů. Je rovněž třeba mít na paměti, že ovladače byly vyvinuty pro hudební aplikace, u kterých se požadavky poněkud liší.

Verze Baudline pro Windows prozatím neexistuje, i když autoři (kalifornská firma SigBlips Engineering) nabízejí za úplatu portování programu do tohoto operačního systému. Pro Windows však existuje celá řada jednodušších a někdy specializovaných programů [2], [3], umožňujících získání srovnatelných výsledků.

Instalace programu je velmi jednoduchá. Stáhneme archiv z [1] a rozbalíme do libovolného podadresáře v domovském adresáři uživatele. Archiv obsahuje spustitelné binární soubory baudline a baudline_jack, spouštíme soubor podle toho, je-li použito rozšíření JACK či nikoli. Program si při prvním spuštění vytvoří skrytý podadresář .baudline s konfiguračními a inicializačními soubory.

Při prvním spuštění je nutné provést nastavení vstupních a výstupních zařízení kalibraci zvukové karty, aby byla zaručena přesnost výsledků (obr. 3) a přiřazení (namapování) vstupů zvukové karty (obr. 4).

 

Obr. 3. Nastavení vstupních a výstupních zařízení se provádí v příslušném okénku, které se objeví v nabídce jako input či output. Kalibraci zvukové karty provedeme kliknutím na tlačítko "calibrate Sample Rate".

 

Obr. 4. Přiřazení (namapování) vstupů zvukové karty. Zde se provádí nastavení požadované operace, druh transformace, volba typu měřené veličiny (amplituda, skupinové zpoždění apod.) a zobrazení na ose y.

Panel přiřazení vstupů slouží zároveň k nastavení požadované operace, druh transformace, volba typu měřené veličiny (amplituda, skupinové zpoždění apod.), zobrazení na ose y a nastavení barev zobrazení. Tento panel budeme využívat poměrně často, protože podle typu měřené veličiny je nutné zvolit odpovídající nastavení. Chybné nastavení znamená, že požadovaný výsledek nebude zobrazen.

 

Technické údaje

• Šířka pásma: 192 kHz (v reálném čase, ovlivněno vlastnostmi zvukové karty)

• Dynamický rozsah: 96 dB (ovlivněno vlastnostmi zvukové karty)

• Reálný nebo kvadraturní vstup

• Podpora více zvukových karet

• Podpora rozšiřujícího zvukového serveru JACK

• Vstupní digitální tuner (Down Converter)

• Konfigurovatelné vstupní kanály s možností různých DSP operací

• Typy transformace: Fourierova, korelační, odezva na impuls, transformace přenosové funkce, rastrová transformace

• Ekvalizér pro každý kanál

• Analýza frekvence, času, amplitudy a pravděpodobnostní rozložení vzorku

• Integrace driftu (de-chirping)

• Velmi rychlé zobrazení

• Generátor zkušebního signálu

 Přehrávač

• Smyčka

• Ovládání rychlosti pomocí vícerychlostního převzorkování (multirate resampling)

• Ovládání výšky zázněje

• Směšovač (posun frekvence)

• Maticové (2D) surround středění

• Výřezový filtr, horní a dolní propust

• Digitální navýšení zisku

 Zpracování souborů

• Formáty: .wav, .aiff, .au, .al, .snd, .voc, .rmd, .pvf, .mp3, ID3, .ogg, .gsm, .sah, .fna, raw, .avi, .mov

• Kanály: mono, stereo, ... až 9 kanálů

• Formáty dat: ASCII decimal, A-law, u-law, 1-bit (msb & lsb), 8-bit (signed & unsigned), 16/24/32-bit integer (little & big endian), float, double

• Komprese: .gz, .bz2, .Z, .zip, .flac (bezeztrátová)

• Kodeky: ADPCM, GSM, MPEG, Ogg Vorbis

Měření

Program lze spustit nejen kliknutím na spustitelný modul (baudline nebo baudline_jack ) ve správci správci souborů, ale lze ho spustit i z příkazové řádky s některým z parametrů, uvedených v manuálu. Spouštění z příkazové řádky s parametrem samozřejmě není podmínkou, ale pokud ho použijeme, může to celkově zrychlit měření, neboť se nemusíme k příslušné volbě "proklikat" z nabídky. Spuštěním "baudline -help" lze získat nápovědu včetně seznamu parametrů pro spouštění z příkazové řádky.

Ovládání programu vypadá jednoduše, ale nelze ho považovat za intuitivní. Vzhled programu je neobvyklý tím, že zcela chybí obvyklá lišta s nabídkami. Ty lze vyvolat kliknutím pravým tlačítkem myši na pracovní plochu (obr. 5).

Obr. 5. Nabídky Baudline lze vyvolat kliknutím pravým tlačítkem myši na pracovní plochu.

Většina nabídek umožňuje další volby, které často otvírají další okno, které má opět množství dalších nabídek a voleb. Ačkoli je struktura nabídek velmi logicky uspořádána a vede uživatele k tomu, aby nastavoval jen potřebné parametry, může se zdát ovládání programu složité. Ve skutečnosti se po delším používání programu naučíme rutinně provádět většinou pouze několik nejpoužívanějších měření a pokud budeme chtít provádět jiné úlohy, bude nutné sáhnout po manuálu. Je to svým způsobem daň za univerzálnost programu. Proto není ani možné zpracovat jeho podrobnější popis, neboť jen vyjmenování možností programu bez vysvětlení jejich funkce by zabralo několik stránek.

 

Jak Baudline funguje?

Baudline pracuje v jednom ze tří režimů - záznam, přehrávání a pauza. V režimu pauzy lze prohlížet výsledky a provádět analýzy různého typu. Režimy záznamu a přehrávání jsou tzv. běhové a slouží k provádění datových operací. Mezi jednotlivými režimy lze libovolně přepínat pouze v logických posloupnostech, např. z režimu záznamu nelze přejít do režimu přehrávání bez pauzy apod.

Baudline provádí veškeré operace se zvukovými daty ve vnitřní cyklicky obsluhované paměti. Data mohou být monofonní, stereofonní nebo vícekanálová, až do 9 kanálů. Záznam či otevření souboru naplní paměť daty, zatímco přehrávání, ukládání nebo vkládání výběru vyvolává data z paměti. Při záznamu jsou vstupní data před uložením do paměti upravována jen minimálně (pre-processing). Znamená to, že zvukový záznam může probíhat po neomezenou dobu, avšak do paměti je uložen pouze poslední časový údaj, který je k dispozici. V režimu pauzy je pak možné prohlížet celý obsah paměti nebo jen zvolený výřez či úsek mezi dvěma úrovněmi vstupního signálu. Lze také přemapovat kanály a provádět jednoduché, vratné operace, např. přepínání polarity, inverzi frekvence, aritmetické operace mezi kanály, použít Hilbertovy filtry apod. Je možné také změnit typ transformace nebo parametry zobrazení (barvu apod.). Veškeré operace lze provádět s daty, která jsou ukládána.

V režimu přehrávání lze provádět celou řadu DSP operací v reálném čase, např. vícerychlostní převzorkování, posun výšky zázněje, frekvenční směšování, použití filtrů (DP, HP, výřez) apod.

Lépe než výklad pomůže osvětlit funkce Baudline několik obrázků, z nichž je patrné, co všechno lze pomocí tohoto programu měřit:

 

Obr. 6. Možnost využití Baudline jako digitálního paměťového osciloskopu je samozřejmostí.

 

Obr. 7. Spektrogram sinusového signálu 1210 Hz, amplitudově modulovaného signálem 400 Hz s hloubkou modulace 20%. Patrná jsou postranní pásma, vzdálená 400 Hz nahoru i dolů od nosného kmitočtu 1210 Hz. Spektrální analýza se provádí pomocí rychlé Fourierova transformace a kvadraturního DSP.

 

Obr. 8. Nízkofrekvenční wobbler umožňuje snímání propustných charakteristik filtrů. V tomto příkladu jde o dolní propust s kmitočtem zlomu 11,5 kHz. Zelená křivka platí pro rozmítání generátoru sinusovým signálem, červená křivka byla získána "rozmítáním" posloupností náhodně generovaných hodnot signálu. Posun křivky, platné pro sinusové rozmítání představuje tzv. digitální zisk.

 

Obr. 9. Zobrazení části charakteristik lze libovolně zvětšit a zvýraznit detaily. Zde je patrné zvlnění v propustné části pásma filtru.

 

Obr. 10. Uživatelské rozhraní přehrávače vypadá jednoduše. Jeho velmi široké možnosti nejsou na první pohled patrné.

 

Obr. 11. V režimu Pause lze provádět detailní rozbory měřeného signálu.

 

Obr. 12. Baudline lze využít i jako tónový generátor a generátor funkcí s mnoha možnostmi průběhu výstupního signálu, modulace a rozmítání.

 

[1] SigBlips Engineering, Cupertino, California, USA: Baudline, http://www.baudline.com/

[2] Wolfgang Buescher: Spectrum Lab, http://www.qsl.net/dl4yhf/spectra1.html

[3] Alberto di Bene: Spectran, http://www.sdradio.eu/weaksignals/spectran.html