So testen Sie die Audioqualität in einem Smart Device
Wie testen Hersteller, Reparateure und Aufbereiter die Qualität der akustischen Eigenschaften der Mikrofone und Lautsprecher in Smart Devices?
Smart Devices wie Smart Speaker, mobile Geräte, persönliche Assistenten, intelligente Thermostate, intelligente Überwachungskameras und ähnliche Geräte haben in den letzten Jahren den Konsumentenmarkt erobert. Immer mehr Haushaltsgeräte werden mit dem Smart-Home-Netzwerk verbunden. Die meisten dieser Geräte verfügen über eine Audioschnittstelle, wie z. B. eingebaute Lautsprecher oder Mikrofone, um mit dem Benutzer zu interagieren. Einige von ihnen bieten sogar eine beeindruckende Audioqualität. Die Anzahl der produzierten Smart Devices wächst in diesem aufstrebenden Markt rasant.
1) Die Herausforderung
Bei einer traditionellen Mikrofonprüfung wird das zu prüfende Mikrofon in einem festen Abstand zu einem kalibrierten, signalerzeugenden Lautsprecher platziert. Das vom Mikrofon empfangene Signal wird direkt in den Audio Analyzer eingespeist, der die Ergebnisse liefert.
Bei einer traditionellen Lautsprecherprüfung wird der zu prüfende Lautsprecher in einem festen Abstand zu einem kalibrierten Messmikrofon platziert. Ein bekanntes Signal wird vom Lautsprecher abgespielt, vom Messmikrofon empfangen und direkt in den Audio Analyzer eingespeist, der die Ergebnisse liefert.
Diese beiden traditionellen Tests werden als „Closed Loop“-Schaltungstests bezeichnet. Das Testsignal kommt vom Audio Analyzer, durchläuft die Signalkette des zu prüfenden Geräts und gelangt mit geringer oder keiner Verzögerung zurück in den Audio Analyzer.
Beim Testen von Smart Devices ist eine Closed-Loop-Messung jedoch oft nicht möglich, da diese Geräte keine dedizierten Audioeingangs- und -ausgangsanschlüsse haben, die erforderlich sind, um die Signalkette zu unterbrechen und das Mikrofon und den Lautsprecher am Gerät separat zu messen. Das heißt, wir können nicht direkt auf die Kabel auf der Rückseite des Mikrofons oder des Lautsprechers zugreifen, ohne das Gerät möglicherweise zu zerstören.
2) Die Lösung
Die Lösung ist die Verwendung eines „Open Loop“-Testaufbaus, bei dem für die Mikrofonprüfung die Ergebnisse vom zu prüfenden Gerät (DUT) selbst aufgezeichnet werden und für die Lautsprecherprüfung das Testsignal vom DUT selbst erzeugt wird.
3) In der Praxis…
Sehen wir uns anhand eines Beispiels an, wie das funktioniert. Das DUT für diesen Artikel ist ein Amazon Echo Dot, eines der beliebtesten Smart Speaker-Modelle auf dem Markt. Die hier erörterten Konzepte gelten für jede Art von Smart Device.
Das Amazon Echo Dot-Gerät enthält sowohl einen Lautsprecher als auch ein Mikrofon-Array, die einzeln in einer Open-Loop-Konfiguration getestet werden können.
Amazon Echo Dot
4) Hardware-Setup
Der Aufbau zur Messung des Amazon Echo Dot besteht aus
- FX100 Audio Analyzer,
- Kalibriertes M2010-Messmikrofon zur Aufnahme von Signalen vom DUT-Lautsprecher
- Kalibrierte NTi Audio Talkbox als Schallquelle, um Signale an die DUT-Mikrofone zu senden
- Ein Notebook oder ein mobiles Gerät für den Zugriff auf die Amazon Echo Cloud-Dienste.
5) Amazon Echo Dot Lautsprecherprüfung
a) Medienbibliothek
Die Testsignaldaten namens „TestSignal“ werden vorab generiert und in einer lokalen oder Cloud-basierten Medienbibliothek gespeichert. Um die Datei „TestSignal“ abzuspielen, wird der Smart Speaker mit einem entsprechenden Sprachbefehl aufgefordert. Dieser Sprachbefehl wird ebenfalls vorab generiert, auf dem Audio Analyzer gespeichert und über einen separaten Lautsprecher in der Nähe des DUT abgespielt. Die vollständige Lautsprecherprüfung in dieser Konfiguration erfolgt in drei Schritten:
- Der Audio Analyzer spielt den vorab aufgezeichneten Sprachbefehl „Alexa, frage meine Medien nach dem Abspielen von TestSignal“ über die Lautsprecher in der Nähe des DUT ab.
- Der Amazon Echo Dot erkennt den Sprachbefehl über seine Mikrofone und antwortet, indem er den Titel „TestSignal“ aus der Medienbibliothek über seinen eigenen Lautsprecher abspielt – den zu prüfenden Lautsprecher.
- Das Lautsprechersignal wird vom kalibrierten Messmikrofon direkt in den Audio Analyzer aufgenommen und die Messergebnisse werden angezeigt.
b) Lautsprecher-Testsignal
Der Audiotrack „TestSignal“ wird verwendet, um die Lautsprecherparameter zu testen, und besteht aus drei Teilen:
- 1kHz / 1s Sinuswelle. Dies dient zur Beruhigung von Signalverarbeitungsalgorithmen (z. B. automatische Verstärkungsregelung).
- Trigger-Signalfolge. Dies ist ein Signal, das vom Audio Analyzer erkannt wird. Es löst den Analyzer aus, um die Datenerfassung zu starten. Außerdem wird das Triggersignal verwendet, um etwaige Unterschiede in der Abtastrate zwischen dem DUT und dem Audio Analyzer zu korrigieren.
- 100Hz-10kHz / 1s GlideSweep-Signal. Dieser Sweep ist das eigentliche Signal, das während der Messung analysiert wird. Alle relevanten messbaren Parameter für den Lautsprecher werden parallel gemessen.
Die Datei „TestSignal“ kann direkt von der FX-Control-Software im .mp3- oder .wav-Dateiformat erzeugt werden.
c) Lautsprecher-Testparameter
Die in diesem Test ermittelten Lautsprechermessparameter sind:
- Frequenzgang in dBSPL
- Klirrfaktor in %
- Empfindlichkeit @ 1kHz in dBSPL
- THD bei 1 kHz in %
- Steilheit (Rub&Buzz) Antwort in Pa/s
Lautsprecher-Testparameter
d) Bluetooth-Schnittstelle
Alternativ kann der Amazon Echo Dot Audio von einer Bluetooth-Quelle abspielen. Daher kann die Datei „TestSignal“ vom Audio Analyzer abgespielt und über einen Bluetooth-Konverter an das DUT gesendet werden. Dies ist eine „Closed Loop“-Signalkette.
Closed-Loop-System
6) Amazon Echo Dot Mikrofontest
Leider gibt es keine Möglichkeit, das Amazon Echo Dot-Mikrofonsignal direkt zu erfassen. Daher ist kein Closed-Loop-Messaufbau verfügbar.
a) Zugriff auf den Amazon Echo-Befehlsverlauf
Es gibt jedoch eine Möglichkeit, ein Testsignal mit dem DUT-Mikrofon aufzuzeichnen und einige Augenblicke später auf diese Aufzeichnung zuzugreifen.
Immer wenn der Amazon Echo Dot das Schlüsselwort „Alexa“ erkennt, beginnt er sofort mit der Audioaufnahme, bis der Signalpegel unter das Hintergrundrauschen fällt.
Darüber hinaus stehen diese Aufzeichnungen dem Benutzer über die Amazon Alexa-App entweder über einen Webbrowser oder über ein mobiles Gerät zur Verfügung.
Durch die Verwendung dieser beiden Funktionen ist die Vorgehensweise zum Testen des Amazon Echo Dot-Mikrofons wie folgt:
- Spielen Sie das Mikrofon-Testsignal ab. Dieses Signal wird von der Sprachschlüsselwortaufzeichnung „Alexa“ angeführt
- Nach einigen Sekunden steht die Aufzeichnung des Testsignals zur Wiedergabe über die Amazon Alexa-App zur Verfügung. Dieses Signal wird vom Bediener wiedergegeben und elektrisch in den FX100 Audio Analyzer zurückgespeist. Die Messergebnisse werden angezeigt.
b) Mikrofon-Testsignal
Das Mikrofon-Testsignal beginnt mit der Sprachaufzeichnung des Schlüsselworts „Alexa“, um die Aufnahme auf dem Amazon Echo Dot auszulösen.
Danach hat das Signal die gleiche Struktur und Funktionalität wie das zuvor erwähnte Lautsprecher-Testsignal.
c) Mikrofon-Testparameter
Die in diesem Test ermittelten Mikrofonmessparameter sind:
- Frequenzgang in dBV
- Klirrfaktor in %
- Empfindlichkeit @ 1kHz in dBV
- THD bei 1 kHz in %
Mikrofon-Testparameter
7) Kombinieren der Tests in einer Sequenz
Die vollständige Sequenz der abgespielten Signale und durchgeführten Messungen kann einfach in den FX-Control Sequencer implementiert werden.
Innerhalb weniger Sekunden werden die vollständigen akustischen Parameter sowohl des Mikrofons als auch des Lautsprechers im Smart Device charakterisiert.
Hier ist ein Link zu einem Video, das die Messsequenz zeigt.
Kombinieren der Testsequenz
