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高精度なゲイン・位相測定（ロックインアンプ）

このアプリの目玉機能の一つは ロックインアンプ (Lock-in Amplifier) による測定です。

一般的に、周波数特性（ゲイン・位相）の測定には FFT（高速フーリエ変換）を用いた FRA（周波数応答アナライザ）が使われますが、ロックインアンプを使用することで、それを遥かに超える相対精度での測定が可能になります。

なぜロックインアンプなのか？

FFTを用いた測定は高速ですが、測定精度は「周波数分解能（ビン幅）」と「ノイズフロア」に依存します。一方、ロックインアンプは 位相敏感検波 (PSD) という手法を用い、参照信号（リファレンス）と同期した成分のみを抽出します。

  • 圧倒的なノイズ除去性能: 目的の周波数以外のノイズを極限までカットできるため、ノイズに埋もれた微小信号でも正確に測定できます。
  • 高精度な位相測定: 参照信号との位相差を直接計算するため、FFTのビン境界に依存するような誤差が発生しません。

これにより、0.001dB オーダーの微細な変化も捉えることが可能になります。

測定手順（ループバックテスト）

ここでは、オーディオインターフェースの入出力を直結（ループバック）し、その測定精度の高さを体験するための手順を説明します。

接続とセットアップ

  1. 物理結線:
    • オーディオインターフェースの 出力 L を 入力 L に接続します。
    • オーディオインターフェースの 出力 R を 入力 R に接続します。
    • （L/R両方でループバックを作ります）
  2. Lock-in Amplifier ウィジット を起動します。
  3. Generator Settings (信号発生設定) を行います。
    • Mode: Internal
    • Output Channels: Stereo (LとRの両方から信号を出力します)
  4. Input Settings (入力設定) を行います。
    • Input Channel: Left (測定対象信号)
    • Ref Channel: Right (参照信号)

測定パラメータの設定

高精度な測定を行うために、以下の設定を推奨します。

  • Averaging (平均回数): 10 回
    • 回数を増やすほどランダムノイズが低減し、測定値が安定します。
  • BPF Order (バンドパスフィルタ次数): 4 次
    • 急峻なフィルタを使うことで、高調波歪みや不要なノイズを効果的に除去します。
  • Buffer Size (バッファサイズ): 最大値 に設定
    • Settings ウィジットでバッファサイズを大きく設定してください。バッファサイズが大きいほど、低周波まで安定して測定でき、計算負荷も下がります。

測定の実行と確認

Start ボタンを押して測定を開始します。

  • 相対誤差: 適切なループバック環境であれば、0.001dB 程度 という極めて小さな相対誤差で測定可能です。
  • 有効桁数の自動調整: 表示される測定値の桁数は、測定値の分散（ばらつき）によって自動で計算 されます。数値が安定しているときは桁数が増え、ノイズが多いときは桁数が減ります。
    • 仕組み: 直近の測定値の標準偏差（σ）を計算し、その揺らぎがどの桁で起きているかを特定します。例えば標準偏差が 0.001 であれば、小数点第3位が変動しているため、その桁までを表示します（digits = -floor(log10(std))）。dB表示の場合も、リニア値の分散をdB換算の揺らぎに変換して同様に計算しています。これにより、ユーザーは「意味のある桁」だけを直感的に読むことができます。

! Linux環境での推奨設定

高精度な位相測定を行う場合、オーディオバックエンドの安定性が極めて重要です。標準的な PulseAudio や一部の ALSA 設定では、バッファの継ぎ目で極微小な位相飛び（Phase Jump）が発生し、ロックインアンプの精度が出ない場合があります。

推奨環境

Linux で高精度な測定を行う場合は、JACK Audio Connection Kit または PipeWire (Pro Audio設定) の使用を強く推奨します。これにより、サンプルレベルで完全に連続した安定したストリームが保証されます。

安定性の確認方法

環境が安定しているかどうかは、以下の方法で確認できます。

  1. Transient Analyzer: スカログラフ（時間-周波数グラフ）を確認し、定期的な縦の線やノイズ（アーティファクト）が出ていないか確認します。
  2. Lock-in Frequency Counter: このウィジットで周波数を測定し、数値が安定しているか確認します。位相飛びがある場合、周波数測定値が断続的に揺らぐことがあります。

さらに高度な測定：FRAモード

単一の周波数だけでなく、周波数をスイープさせて特性を測ることも可能です。

  • FRAモード: Lock-in Amplifier の機能を使いつつ、周波数を自動で変化させてグラフを描画します。標準の FRA ウィジットよりも時間はかかりますが、超精密なゲイン・位相特性 を得ることができます。
  • 推奨設定: ポイント数を 500 点程度に設定すると、非常に滑らかで高精細なグラフが得られます。