Sonido y tiempo.

Responder
Avatar de Usuario
ANgazu
Moderador Global
Moderador Global
Mensajes: 2072
Registrado: 05 Nov 2014 21:02
Agradecido : 117 veces
Agradecimiento recibido: 1071 veces

Sonido y tiempo.

Mensaje por ANgazu »

Hola.


Cuando analizamos señales, solemos encontrarnos con parámetros que se desvían ligeramente de los valoras nominales esperados, y no siempre podemos descubrir la fuente de ese desvío.

Uno de los componentes que afecta a estos errores es la tarjeta de sonido que usamos para maestrear la señal.

Estas tarjetas, aunque buenas, no son la mejor opción si queremos hacer medidas de precisión. Esto se debe a que los fabricantes hacen mención de los bits, margen dinámico, distorsión armónica etc y se olvidan discretamente del reloj de muestreo.

La velocidad de muestreo tiene unos parámetros principales que son la exactitud, la precisión y la estabilidad.
Un reloj de muestreo es exacto cuando su velocidad real coincide con la nominal. Incluso en tarjetas profesionales es normal que se permita un error de 50 o 100 ppm.

La precisión afecta a la dispersión de las medidas producida por el jitter y otros efectos a corto plazo. No suele ser un problema para nosotros.

Esto hace que la velocidad de muestreo de una tarjeta pueda ser precisa y sin embargo no ser exacta.

La estabilidad no suele ser un problema excepto que se lleven a cabo medidas de horas o incluso de días. En estos casos, es necesario tenerla en cuenta y elegir una tarjeta estable para evitar los errores consiguientes.

El parámetro que más nos afecta es la exactitud, ya que en las medidas tomamos como valor de muestreo el nominal de la tarjeta, y dado que el valor real puede haber sido mayor o menos, estamos introduciendo un error en las medidas que es culpa nuestra. Y ya es complicada la materia como para introducir errores propios.

Dependiendo del hardware usado por el fabricante, los errores pueden variar en función de la velocidad de muestreo y de los canales, por lo que en este caso es necesario calcular el error para cada una de las que usemos.

Los que hayáis digitalizado videos con aquellas capturadoras veteranas, recordareis cuan a menudo se desincronizaba el audio debido a estos errores.

Desgraciadamente, salvo que nos gastemos miles de euros en tarjetas de gama muy alta, no dispondremos de la posibilidad de calibrar o sincronizar el reloj de muestreo, por lo que nuestra única opción es medir el error y corregirlo de forma artesanal.

Se recomienda usar una fuente de referencia con una exactitud mejor que 1x10 -9. Este parámetro se consigue fácilmente si usamos la referencia de tiempo de un GPS, sea la de 1 pps o alguna de las frecuencias disponibles como la de 1 Khz si el equipo lo permite.

A efectos prácticos, hemos realizado algunas pruebas para demostrar estos errores.

La primera prueba consiste en grabar el sonido de un reloj despertador (segundos) y medir su duración real. En este caso ignoramos si el error medido corresponde al reloj o a la tarjeta de sonido, aunque lo mas normal es que ambos componentes colaboren.


raster.jpg

En el raster (izquierda)de esta señal observamos un error de -28 us cada s.
Esto corresponde a un error de -28 ppm, lo que esta muy bien pero no es el valor exacto.
En este caso, el factor de corrección es de 0,999972

Una vez aplicada la corrección, dejamos el error en -4 ppm (derecha), lo que esta muy bien para nuestros análisis.

En este caso no sabemos que parte de error corresponde al reloj y parte a la tarjeta. Incluso es posible que si sus errores son contrarios, se complementen para anularse entre ellos.



Para un error de reloj de 50 ppm ( desviación máxima en tarjetas profesionales de calidad), el error real en una velocidad de muestreo de 44100 es de 2,205 Hz, por lo que la velocidad real de muestreo seria de 44102,205

En este caso, vamos a generar una señal de 1000 Hz y aplicar el error, para medirla usando la FFT.
fft.jpg
Medida de la señal original usando la FFT con 1 Mpuntos (izquierda).

Medida de la señal con el error de 2,205 pps (derecha).

Ahora calculamos el factor de corrección ( 1000/999,950= 1,000050 ) con lo que obtenemos que el error es de 50 ppm, justo el que habíamos aplicado.

Para usar la FFT es necesario usar una portadora pura y muy estable, como puede ser la señal de 1000 Hz del GPS. También hay que usar una FFT muy grande. En este caso, para poder calcular con un millón de puntos, se uso software propietario. Se obtienen buenos resultados con FFT menores, siempre que se use un buen estimador de frecuencia detectada.

En ambos casos, podemos medir el error de nuestro digitalizador y corregirlo, si procede, para dejarlo en errores menores de 5 ppm, lo que ya es para nota.

EDITADO 18/18/2022
A la vista de las medidas con la tarjeta USB externa, el error de las medidas anteriores se puede atribuir casi en su totalidad a la tarjeta de sonido interna del PC, estando el reloj bueno en un error no mayor de 2s por mes.


Saludos.
Angazu.
No tiene los permisos requeridos para ver los archivos adjuntos a este mensaje.
"Seguiremos adelante......"
"8472"
Delta-Titan
Mensajes: 68
Registrado: 21 Oct 2015 05:08
Agradecido : 44 veces
Agradecimiento recibido: 28 veces

Sonido y tiempo.

Mensaje por Delta-Titan »

Aunque no siempre tenido en cuenta por muchos, es un parámetro que deberíamos conocer y medir pues es propio y personal para cada uno según lo que se tenga y use, alguna vez me enseñaron como medir tal precisión usando el hoka-32 (en algún lado debo tener la nota), como siempre, gracias Angazu!
Avatar de Usuario
ANgazu
Moderador Global
Moderador Global
Mensajes: 2072
Registrado: 05 Nov 2014 21:02
Agradecido : 117 veces
Agradecimiento recibido: 1071 veces

Sonido y tiempo.

Mensaje por ANgazu »

Hola.

Como curiosidad, he grabado 1 hora de dos relojes casio del mismo modelo. Se aprecia una ligera diferencia entre ambos.
No obstante, son bastante buenos para lo que cuestan, ya que el error acumulado no es mayor de 3 s al dia, (sin tener en cuenta el error de la tarjeta de sonido, que algo tiene que ver), siendo la diferencia entre ambos de unos 350 ms diarios.
relojes.jpg
Saludos.
ANgazu.
No tiene los permisos requeridos para ver los archivos adjuntos a este mensaje.
"Seguiremos adelante......"
"8472"
Avatar de Usuario
Rapidbit
Moderador Global
Moderador Global
Mensajes: 2074
Registrado: 03 Nov 2014 23:22
Agradecido : 395 veces
Agradecimiento recibido: 129 veces

Sonido y tiempo.

Mensaje por Rapidbit »

Gracias maestro!!!
Saludos
EA4CP, AMSAT-EA 423.
Avatar de Usuario
ANgazu
Moderador Global
Moderador Global
Mensajes: 2072
Registrado: 05 Nov 2014 21:02
Agradecido : 117 veces
Agradecimiento recibido: 1071 veces

Sonido y tiempo.

Mensaje por ANgazu »

Hola.

De nada Rapidbit. Solo trato de aclarar conceptos y buscar soluciones.

Por cierto, este metodo del reloj puede ser valido para determinar el error de las tarjetas siempre que dispongamos de un buen reloj.
Uno de esos que solo varian 5 s al mes nos permtiria medir el error con una exactitud de 2 ppm aproximadamente.
A falta de GPS....


En cuanto a las medidas del post, las he efectuado con un reloj razonablemente bueno y comparado con los despertadores y parece que unas 20 ppm se deben a la tarjeta de sonido y el resto a los relojes.

Saludos.
ANgazu.
"Seguiremos adelante......"
"8472"
Avatar de Usuario
ANgazu
Moderador Global
Moderador Global
Mensajes: 2072
Registrado: 05 Nov 2014 21:02
Agradecido : 117 veces
Agradecimiento recibido: 1071 veces

Sonido y tiempo.

Mensaje por ANgazu »

Hola.

Continuando con las pruebas, en esta el reloj es razonablemente bueno y la tarjeta de sonido es una externa USB chinorris de 6 euros.
Y, sorpresa, los resultados son excelentes.
Un error de solo 1ppm
rasterrelojenfermera-usb.jpg
Saludos.
ANgazu.
No tiene los permisos requeridos para ver los archivos adjuntos a este mensaje.
"Seguiremos adelante......"
"8472"
Avatar de Usuario
ANgazu
Moderador Global
Moderador Global
Mensajes: 2072
Registrado: 05 Nov 2014 21:02
Agradecido : 117 veces
Agradecimiento recibido: 1071 veces

Sonido y tiempo.

Mensaje por ANgazu »

Hola.

Otro método adecuado para medir el error de las tarjetas, si se dispone de un receptor externo, es sintonizar alguna de las frecuencias horarias y muestrear la señal durante un periodo largo de tiempo, una o dos horas suelen ser suficientes).

Esta emisoras transmiten señales horarias usando como referencia un reloj atómico de algún laboratorio de metrología y calibración, por lo que la señal es muy exacta.

Este método también puede ser aceptable para corregir el error de los SDR. Aunque suelen ser bastante buenos, los errores son considerables cuando sintonizamos frecuencias altas.

En https://en.wikipedia.org/wiki/Radio_clock tenemos un listado de estas estaciones.
En Europa es interesante la alemana DCF77 de Mainflingen (Hessen) que transmite en
77,5 Khz.
DCF77.jpg

Si se usa alguna de las de HF es posible que haya variaciones debido a las condiciones de propagación, en cuyo caso habrá que promediar los resultados para tener una solución aceptable.

RMW.jpg
Los ejemplos son de corta duración ya que se estaba usando un móvil como router y el enlace no es estable. En este caso se usó un SDR remoto y sus velocidades de muestreo no suelen ser números enteros, por lo que he corregido el error para que todo se vea bien.


Saludos.
Angazu.
No tiene los permisos requeridos para ver los archivos adjuntos a este mensaje.
"Seguiremos adelante......"
"8472"
Avatar de Usuario
ANgazu
Moderador Global
Moderador Global
Mensajes: 2072
Registrado: 05 Nov 2014 21:02
Agradecido : 117 veces
Agradecimiento recibido: 1071 veces

Sonido y tiempo.

Mensaje por ANgazu »

Hola.
¿Cómo corregir los errores medidos?

Hemos visto algunos métodos para determinar el error de muestreo de nuestras tarjetas de sonido y de los SDR, tanto los propios, en cuyo caso podemos aplicar la corrección directamente, como los remotos, caso en el que solo podremos corregir el error remuestreando.

Este error lo usaremos como factor de corrección para una tarjeta dada. Este factor es útil para usarlo en decodificadores como el Hoka code o el K500, que disponen de la configuración adecuada para aplicar el factor durante su uso.


En nuestro caso, si vamos a efectuar medidas con el SA, solo tendremos que usar la velocidad real de muestreo en el campo adecuado, obteniendo los resultados ya corregidos.

Para usar otro software, usaremos el R8brain (https://www.voxengo.com/product/r8brain/) como remuestreador para aplicar la corrección. Veremos como se hace.


Para este ejemplo usaremos la señal de RWM recibida por el KiwiSdr de Irlanda (http://emeraldsdr.ddns.net:8073/)

La velocidad de muestreo nominal de los Kiwi es de 12001,1881 por diseño. Sin embargo el oscilador maestro puede varias por lo que esta velocidad no es del todo fiable.
Cuando grabamos señales con estos receptores, la velocidad de muestreo que aparece en el fichero es de 12000, por lo que ya se introduce un error de 99 ppm sin comerlo ni beberlo. (12001,1881/12000=1,000099).

Ahora vamos a hacer el cálculo usando el raster de SA:
RWM_error.jpg
En este caso, ya que trabajamos con segundos, el factor de corrección se lee directamente y es de 1,000090, lo que supone un error de muestreo de 90 ppm.

Dado que la señal fue muestreada mas rápido de lo que aparece en el valor nominal (12000) tendremos que corregir ese exceso para que todo este en su sitio.

Para esto, vamos a remuestrear la señal aplicando el factor de corrección para disminuir la velocidad de muestreo real.

Vreal: 12000 * 1,000090 = 12001,08

V de remuestreo: 120000/ 1,000090 = 11998,92

De esta manera, disminuimos la velocidad de muestreo real para que coincida con el valor nominal.
r8b.jpg
En el R8brai hemos remuestreado a 11998,92 pero nos aseguramos que el valor que va a aparecer en el fichero siga siendo 12000.


Ahora volvemos a medir con SA usando el nuevo fichero (mismo nombre + r8b)
RWM_corregido.jpg

Podemos observa que la señal ha sido corregida adecuadamente.
En general, con este método podemos dejar las señales en un error < 2 ppm, aunque si tenemos grabaciones largas y paciencia, podemos mejorar estas cifras.



Saludos.
Angazu.
No tiene los permisos requeridos para ver los archivos adjuntos a este mensaje.
"Seguiremos adelante......"
"8472"
Avatar de Usuario
Rapidbit
Moderador Global
Moderador Global
Mensajes: 2074
Registrado: 03 Nov 2014 23:22
Agradecido : 395 veces
Agradecimiento recibido: 129 veces

Sonido y tiempo.

Mensaje por Rapidbit »

Como de costumbre......GENIALIDAD es poco.
Saludos
EA4CP, AMSAT-EA 423.
Responder