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Nonlinear Analyzer

Nonlinear Analyzer（非線形アナライザー）は、オーディオ機器やアンプ等の非線形特性を詳細に測定するための高度なウィジットです。 Synchronized Swept Sine (SSS) を用いて、システム応答から線形成分（基本波）と各次数の高調波成分（カーネル）を分離・抽出します。 Hammersteinモデルに基づく非線形解析により、複雑な歪み特性の評価が可能です。

☕ コーヒーブレイク：Hammersteinモデルとは？

Hammersteinモデルは、オーディオ機器の歪みを数学的に表現する手法で、入力信号が「非線形な要素（歪む部分）」を通り、「線形な要素（周波数特性を持つフィルタ）」を通る直列構造を仮定しています。 このモジュールでは、このモデルを利用して測定信号から各次数の歪み成分（カーネル）を逆算して分離します。

概要

このウィジットでは以下の解析が可能です。

  • 自動クロックドリフト補正: 入出力デバイス間のクロックドリフト(> 1.0 ppm)を自動的に推定し、線形リサンプリングにより補正します。これにより、長時間のスイープでも高精度な高周波位相測定を実現します。（入出力で同じデバイスを使用している場合は自動的にバイパスされます）。
  • Hammerstein Kernel Extraction: 測定対象の応答から、1次（線形）から5次までのカーネルを抽出します。
  • ボード線図（振幅・位相）表示: 抽出された各次数のカーネルのゲイン特性（Magnitude）および位相特性（Phase）をグラフ表示します。X軸の範囲は入力信号の実際の長さに合わせて動的に調整されるようになり、あらゆるスイープ設定に最適なビューを提供します。
  • インパルス応答表示: 各カーネルの時間領域でのインパルス応答（時間波形）を確認できます。
  • モデルのキャッシュとエクスポート: 測定完了後、抽出されたモデルは自動的にアクティブモデルのキャッシュに保存され、他のモジュール（例: Response Viewer）で詳細な解析やシミュレーションを行えます。また、JSONファイルとしてローカルへエクスポートすることも可能です。

設定項目

SSS Parameters（SSSパラメータ）

  • Start Freq (Hz): スイープ信号の開始周波数を設定します（2.0〜ナイキスト周波数）。
  • End Freq (Hz): スイープ信号の終了周波数を設定します（20〜ナイキスト周波数）。
  • Sweep Time (s): 1回のスイープにかける時間を設定します（0.5〜30.0 s）。
  • Averages (Time-Sync): 時間同期平均（Time Synchronized Averaging）の回数を設定します（1〜20回）。平均回数を増やすことで、環境ノイズの影響を効果的に低減できます。
  • Measure Noise Floor: チェックを入れると、測定の最後に1秒間の無音状態を挿入し、測定環境の20Hz〜20kHz帯域でのノイズフロア（dBFS）を測定します。

Nonlinear Modeling（非線形モデリング）

  • Max Amp (dBFS): スイープ信号の最大振幅（ピーク値）を設定します（-60.0〜0.0 dBFS）。
  • Amplitude Steps (Max Order 5): PHM（Parallel Hammerstein Model）の分離処理に使用する振幅スキャンのステップ数を設定します（5〜10回、通常は5回）。
  • Graph Smoothing: グラフ描画時の平滑化フィルターの強度を設定します（"None", "Low Smoothing", "Medium Smoothing", "High Smoothing"）。Savitzky-Golay フィルターを適用して測定ノイズを滑らかにします。

Routing & Calibration（ルーティング＆キャリブレーション）

  • Output Ch: スイープ信号を出力するチャンネルを設定します（"Left", "Right", "Stereo"）。
  • Input Mode: 入力信号のキャプチャモードを設定します。
    • Single Ch (Left Ch1): チャンネル1のみを使用します。
    • Single Ch (Right Ch2): チャンネル2のみを使用します。
    • 2-Ch Relative (Ref=L, Meas=R): チャンネル1をリファレンス（基準）、チャンネル2を測定対象とする転送関数測定です。
    • 2-Ch Relative (Ref=R, Meas=L): チャンネル2をリファレンス、チャンネル1を測定対象とします。
  • Delay Time: 測定されたループバック遅延時間をミリ秒（ms）とそのキャリブレーション状態を表示します。2-Ch Relativeモードでは「Not Required」と表示されます。
  • Measure Delay ボタン: 機器の物理的なループバック経路を用いて入出力のレイテンシを測定・校正します（Input Mode が Single Ch (Left Ch1) または Single Ch (Right Ch2) のときのみ有効です。2-Ch Relativeモードでは位相差が自動的にキャンセルされるため無効化されます）。

測定コントロール

  • Start Analysis ボタン: クリックすると、設定されたパラメータで振幅スキャンおよびスイープ測定シーケンスを開始します。測定中はメインのオーディオエンジンストリームは一時的に占有されます。
  • Stop ボタン: 測定シーケンスを途中で停止します。
  • Export Model... ボタン: 測定が完了してデータが存在するとき、抽出した Hammerstein モデルを JSON ファイルへエクスポートします。
  • プログレスバー: 測定全体の進捗状況をパーセンテージで表示します。
  • 品質警告: 測定中に入力のクリッピング、低信号レベル、深刻なクロックドリフト、または低いSNR（S/N比）が検出された場合、プログレスバーの下に警告メッセージが表示されます。

グラフとタブの見方

グラフエリアはタブで区切られており、以下の3種類の解析データを確認できます。

1. Magnitude Response（ボード振幅特性）

分離された 1次〜5次 の高調波カーネルのゲイン周波数特性（dB vs Hz、対数軸表示）を表示します。 「Measure Noise Floor」が有効な場合、測定されたノイズフロアレベルも破線でプロットされます。

2. Phase Response（ボード位相特性）

分離された 1次〜5次 の高調波カーネルの位相周波数特性（deg vs Hz、対数軸表示）を表示します。

3. Impulse Responses (Kernels)（時間領域カーネル）

時間領域での 1次〜5次 の分離インパルス応答 h1(t)∼h5(t)h_1(t) \sim h_5(t) を表示します。 インパルス応答のピーク周辺を詳細に観察できるよう、時間軸（X軸）は自動的に -5 ms から +35 ms の範囲にズームされます。

応答解析・シミュレーションを行うには

測定された Parallel Hammerstein モデルを用いたより詳細な解析（THDマップ、ゲインコンプレッション、トーンシミュレータ、Wiener表現への変換など）を行うには、Response Viewer (応答ビューア) モジュールを使用してください。 測定が完了すると、モデルは自動的にアクティブキャッシュに保持されるため、Response Viewer を開いて Load Live Cache をクリックするだけで解析を開始できます。