СПОСОБ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2005 года по МПК G01R23/20 

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и позволяет оценивать наличие и степень нелинейных искажений в четырехполюсниках при прохождении через них случайных сигналов. Алгоритм функционирования устройства позволяет применять его, в частности, для непрерывного контроля звуковоспроизводящих трактов, находящихся в рабочем режиме.

В качестве прототипа выбран классический способ оценки нелинейных искажений, состоящий в том, что на вход исследуемого четырехполюсника подают ранее сформированный тестовый сигнал, из которого после прохождения исследуемого четырехполюсника путем фильтрации удаляют часть спектральных составляющих, далее вычисляют (измеряют) среднеквадратические значения сигнала после фильтрации и сигнала непосредственно с выхода четырехполюсника и в качестве числового показателя нелинейных искажений принимают отношение вычисленных среднеквадратических значений [Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, стр.383-388].

Устройство для реализации способа-прототипа содержит генератор тестового сигнала, режекторный фильтр, два измерителя среднеквадратических значений и блок деления (измерений отношений), выход которого является информационным выходом устройства, тестовым выходом которого служит выход генератора тестового сигнала, а тестовым входом служит вход режекторного фильтра, выход которого соединен с входом первого измерителя среднеквадратических значений, выход которого соединен с первым входом блока деления, второй вход которого соединен с выходом второго измерителя среднеквадратических значений, вход которого объединен с входом режекторного фильтра [Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, стр.384, рис.14.14б].

Особенностью способа-прототипа, также как и устройства, его реализующего, является необходимость применения специального тестового сигнала, как правило, моногармонического, на частоту которого и настраивается режекторный фильтр устройства. Указанная особенность не позволяет использовать прототип для оценки нелинейных искажений, возникающих в процессе работы четырехполюсника в его обычным режиме с реальными случайными сигналами. Прототип предполагает перевод четырехполюсника в специальный, отличный от рабочего, тестовый режим, при котором прерывается выполнение его полезных функций, например усиление сигналов.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается прежде всего в обеспечении возможности оценки нелинейных искажений, возникающих в четырехполюснике при прохождении через него полезного сигнала в рабочем режиме, без отключения четырехполюсника и без подачи на его вход специального тестового сигнала.

Технический результат достигается тем, что в способе статистической оценки нелинейных искажений, состоящем в подаче на вход исследуемого четырехполюсника тестового сигнала, согласно изобретению вычисляют отдельно математические ожидания положительной и отрицательной составляющих сигнала, поступающего на вход исследуемого четырехполюсника, и вычисляют их отношение, вычисляют отдельно математические ожидания положительной и отрицательной составляющих сигнала, прошедшего исследуемый четырехполюсник, и вычисляют их отношение, оценкой степени нелинейности исследуемого четырехполюсника является разность полученных значений.

Технический результат достигается также тем, что устройство для статистической оценки нелинейных искажений, содержащее первый блок деления (измеритель отношения), согласно изобретению дополнительно содержит второй блок деления (измеритель отношения), два статистических блока и блок вычитания, выход которого является информационным выходом устройства, первым тестовым входом которого служит вход первого статистического блока, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам первого блока деления, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом второго блока деления, к первому и второму входам которого подключены соответственно первый и второй выходы второго статистического блока, вход которого является вторым тестовым входом устройства.

Для достижения технического результата статистический блок содержит два компаратора, два управляемых аналоговых ключа и два буферных усилителя, один из которых инвертирующий, и два измерителя математического ожидания, входом блока являются объединенные неинвертирующий и инвертирующий входы соответственно первого и второго компараторов, другие входы которых подключены к общей шине, сигнальные входы первого и второго ключей объединены и подключены к входу блока, управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с выходами первого и второго компараторов, выход первого ключа соединен с входом первого буферного усилителя, выход которого соединен с входом первого измерителя математического ожидания, выход которого является выходом оценки математического ожидания положительной составляющей сигнала, выходом оценки математического ожидания отрицательной составляющей сигнала является выход второго измерителя математического ожидания, вход которого, в свою очередь, соединен с выходом второго инвертирующего буферного усилителя, вход которого соединен с выходом второго ключа.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показаны графики, иллюстрирующие способ оценки нелинейных искажений, на фиг.2 - функциональная схема устройства для его осуществления, на фиг.3 - функциональная схема статистического блока 1 (2), на фиг.4 - функциональная схема измерителя 13 (14) математического ожидания.

Графическое представление по фиг.1 содержит амплитудную характеристику y=f(х) исследуемого четырехполюсника (усилителя 6), фрагменты входного х(t) и выходного y(t) сигналов, точку покоя (x₀,y₀) на амплитудной характеристике y=f(х), границы рабочего участка (x₁,y₁), (x₂, y₂), а также средние значения крутизны амплитудной характеристики в области положительных значений S_ср(x⁺) усиливаемого сигнала и в области отрицательных значений S_ср(x^-).

Функциональная схема (фиг.2) устройства статистической оценки нелинейных искажений содержит два статистических блока 1, 2, два блока деления 3, 4, блок вычитания 5 и исследуемый усилитель 6 с сопротивлением нагрузки R_l. Первым тестовым входом x(t) устройства служит вход статистического блока 1, выходы М(x⁺) и М(х^-) которого подключены к соответствующим входам блока 3 деления, выход которого соединен с первым входом блока 5 вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока 4 деления, к входам которого подключены выходы М(y⁺) и М(y^-) статистического блока 2, вход которого является вторым тестовым входом y(t) устройства, вход и выход усилителя 6 подключены соответственно к первому x(t) и второму y(t) тестовым входам устройства. Выходом μ устройства является выход блока 5 вычитания.

Функциональная схема (фиг.3) статистического блока 1 содержит два компаратора 7, 8, два управляемых аналоговых ключа 9, 10, неинвертирующий буферный усилитель 11, инвертирующий буферный усилитель 12, два измерителя 13, 14 математического ожидания. Входом х(t) блока являются объединенные неинвертирующий (+) и инвертирующий (-) входы соответственно компараторов 7 и 8, другие входы которых подключены к общей шине, сигнальные входы ключей 9 и 10 объединены и подключены к входу x(t) блока, управляющие входы ключей 9 и 10 соединены соответственно с выходами компараторов 7 и 8, выход ключа 9 соединен с входом буферного усилителя 11, выход которого соединен с входом измерителя 13 математического ожидания, выход которого является выходом М(x⁺) оценки математического ожидания положительной составляющей сигнала x(t), выходом М(х^-) оценки математического ожидания отрицательной составляющей сигнала х(t) является выход измерителя 14 математического ожидания, вход которого, в свою очередь, соединен с выходом буферного усилителя 12, вход которого соединен с выходом ключа 10.

Измеритель 13 математического ожидания (фиг.4) содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 15, накапливающий сумматор 16, блок 17 деления, счетчик 18, элемент 19 задержки и элемент 2И 20. Информационный вход АЦП 15 является входом измерителя, выход АЦП 15 соединен с информационным входом накапливающего сумматора 16, выход которого соединен с первым входом блока 17 деления, второй вход которого соединен с выходом счетчика 18, суммирующий вход “+1” которого объединен с тактовым входом АЦП 15 и подключен к выходу элемента 2И 20, тактовый вход накапливающего сумматора 16 соединен через элемент 19 задержки с выходом элемента 2И 20, первый вход которого является входом Е разрешения измерителя, а второй вход элемента 2И 20 является тактовым входом СLК измерителя, выходом М(x⁺) которого является выход блока 17 деления, обнуляющим входом измерителя служат объединенные обнуляющие входы накапливающего сумматора 16 и счетчика 18.

Суть способа статистической оценки нелинейных искажений состоит в разделении центрированного знакопеременного случайного процесса x(t) на положительную х⁺(t) и отрицательную х^-(1) составляющие, измерении для каждой из них математического ожидания М(x⁺) и М(х^-) и определении, как изменяется отношение математических ожиданий после прохождения сигналом x(t) четырехполюсника, который по предположению и должен внести нелинейные искажения.

Зададим разнополярные составляющие процесса x(t) следующим образом:

и ,

где Т₁ - множество значений t, при которых х(t)≥0,

Т₂ - множество значений t, при которых x(t)<0.

Для каждой из составляющих х⁺(t) и х^-(t) не представляет труда получить аппаратным путем оценку математического ожидания

и

где ΔT⁺ - суммарная длительность положительной составляющей х⁺(t) на участках, где функция х⁺(t) отлична от нуля;

ΔТ^- - аналогичный параметр для x^-(t).

Физическая суть нелинейного преобразования заключается в том, что различные по величине внешние возмущения вызывают различную реакцию четырехполюсника на эти возмущения. Следовательно, если амплитудная характеристика усилителя y=f(х) на рабочем участке с границами (х₁, y₁) и (x₂, y₂) имеет вид монотонной нелинейной функции (фиг.1), то положительная х⁺(t) и отрицательная х^-(t) составляющие случайного сигнала x(t) будут усиливаться по-разному в зависимости от крутизны S(x) амплитудной характеристики на конкретных участках. Допустим, что среднее значение крутизны в области х(t)<0 равно S_ср(х^-)=tgα₁, а в области х(t)≥0 - S_ср(x⁺)=tgα₂ (α₁, α₂ - углы между аппроксимирующими прямыми, показанными штриховыми линиями и осью х (см. фиг.1)). Тогда, полагая, что

найдем оценки математических ожиданий положительной М(у⁺(t)) и отрицательной составляющих М(у^-(t)) сигнала у(t) на выходе усилителя (четырехполюсника) с характеристикой у=f(х):

и

Отношение выражений (3) и (4) с учетом (1) и (2) позволяет получить следующую запись:

Из (5) легко видеть, что если S_ср(x⁺)=S_ср(х^-), то

Показанное равенство описывает случай отсутствия нелинейных искажений. Таким образом, можно утверждать, что в правой части формулы (5) перед отношением математических ожиданий находится параметр, характеризующий степень нелинейности амплитудной характеристики y=f(х). Обозначим этот параметр как

и введем числовой показатель степени нелинейных искажений

или с учетом (5) и (6)

Введенный параметр μ, как это несложно видеть из (8), равен нулю при η=1, то есть при линейной амплитудной характеристике. По тому, насколько значение величины μ отлично от нуля, судят о степени нелинейных искажений.

Важно отметить, что величина μ характеризует не только наличие и объем гармонических составляющих, как, например, коэффициент гармоник, но и всю совокупность продуктов нелинейных искажений, куда кроме гармонических входят еще и комбинационные составляющие, вызванные интермодуляцией в спектре входного сигнала.

Принцип функционирования устройства, реализующего вышеописанный способ, легко понять из функциональной схемы (фиг.2). Откуда видно, что входной x(t) и выходной у(t) сигналы поступают в статистические блоки 1 и 2 соответственно, в которых вычисляются математические ожидания М(x⁺(t)), М(х^-(t)) (блок 1) и М(y⁺(t)), М(y^-(t)) (блок 2). Отношения математических ожиданий М(x⁺(t))/М(x^-(t)) с выхода блока 3 и М(y⁺(t))/ М(y^-(t)) с выхода блока 4 поступают в блок вычитания 5, на выходе которого имеем оценку искомой величины μ, определяемую выражением (7),

Сигналом x(t), выполняющим роль тестового, может быть любой центрированный знакопеременный процесс: как детерминированный, так и случайный. Это позволяет использовать для тестирования усилителей реальный случайный сигнал с произвольным спектром, поступающий на вход усилителя в рабочем режиме. Эта же особенность позволяет применять способ и устройство для автоматизированного непрерывного контроля нелинейных искажений в усилительном тракте без вмешательства в работу самого тракта. Необходимым условием является лишь установление связи выхода исследуемого (контролируемого) усилителя и входа устройства (фиг.2) только по переменному току, что достаточно просто обеспечивается включением разделительного конденсатора между выходом усилителя 6 и входом блока 2, если такое не предусмотрено в схеме самого усилителя 6. Другими словами, сигнал у(t), поступающий на вход блока 2, не должен содержать постоянных составляющих, также как и x(t).

Одним из вариантов исполнения статистического блока 1 (2) является схема, показанная на фиг.3. Статистический блок содержит два идентичных измерителя математического ожидания 13, 14 и узлы, обеспечивающие расщепление двуполярного сигнала x(t) на два однополярных. Выделение сигналов х⁺(t) и х^-(t) происходит следующим образом.

При поступлении на вход х(t) положительной составляющей сигнала x(t) на выходе компаратора 7 появляется высокий логический уровень, разрешающий прохождение сигнала х⁺(t) через ключ 9 и буфер 11 на вход измерителя 13 математического ожидания М(x⁺(t)). В это же время ключ 10 находится в закрытом состоянии, так как положительная часть входного сигнала x(t) приводит к появлению низкого логического уровня на выходе второго компаратора 8 ввиду того, что на неинвертирующем входе указанного компаратора постоянно установлен нулевой потенциал. При перемене сигналом х(t) знака с положительного на отрицательный на выходе компаратора 8 появляется высокий логический уровень, так как потенциал на его неинвертирующем входе оказался большим, чем на инвертирующем. В результате открывается ключ 10 и отрицательная составляющая х^-(t) направляется в измеритель 14 математического ожидания М(x^-(t)), предварительно пройдя инвертирующий буфер 12. Разумеется, с появлением отрицательной компоненты сигнала х(t) ключ 9 закрывается и на входе измерителя 13 сигналов нет. Таким образом осуществляется поочередная подача сигналов х⁺(t) и х^-(t) на измерители 13 и 14 соответственно.

Относительно измерения математических ожиданий в блоках 13 и 14 заметим следующее. Из выражений (1), (2) и (3), (4) видно, что усреднение проводят за интервал ΔT⁺ (ΔT^-), который определяется совокупным временем действия только положительной (отрицательной) составляющей сигнала х(t) или у(t). Значит, измерители 13, 14 должны обладать способностью исключать из обработки нулевые участки (паузы между сигналами одной полярности), направляемые на заданные алгоритмом работы измерителей 13, 14 вычисления. Для управления работой таких измерителей можно использовать разрешающие сигналы с выходов компараторов 7, 8. В этом случае суммарная длительность импульсов на выходах компараторов и будет определять время усреднения - суммарная длительность сигналов на выходе компаратора 7 будет равна ΔТ⁺, а на выходе компаратора 8 - ΔT^-. Один из вариантов реализации идентичных измерителей 13, 14 показан на фиг.4. Принцип действия измерителя (на примере блока 13) состоит в формировании цифровых отсчетов, суммировании их в накапливающем сумматоре 16 и затем делении полученной суммы на время, в течение которого на входе АЦП 15 присутствовали сигналы, отличные от нуля. Указанное время ΔT⁺, которое в данном устройстве является временем усреднения, отсчитывается счетчиком 18 как суммарная длительность импульсов разрешения Е, поступающих на вход измерителя с выхода компаратора 7. Следовательно, при реализации измерителя математического ожидания по приведенной схеме выход компаратора 7 следует соединить с входом Е измерителя. Входы СLК и RSТ измерителя служат для подачи тактовых и обнуляющих импульсов соответственно. Сигнал обнуления подают перед началом каждого цикла измерений для приведения в исходное нулевое состояние всей последовательной логики измерителя. Элемент 19 задержки необходим для задержки тактовых импульсов, поступающих на вход накапливающего сумматора 16 на время, достаточное для завершения цикла преобразования в АЦП 15.

Время усреднения ΔT⁺ (ΔT^-) следует выбирать исходя из общих правил аппаратурного измерения параметров случайных процессов: ΔT>>τ_k (τ_k - интервал корреляции случайного процесса), и чем больше ΔT, тем меньше ошибки результатов статистической обработки.

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и позволяет оценивать наличие и степень нелинейных искажений в четырехполюсниках при прохождении через них случайных сигналов. Суть способа статистической оценки нелинейных искажений состоит в разделении центрированного знакопеременного случайного процесса, характеризующего оцениваемый сигнал, на положительную и отрицательную составляющие, измерении для каждой из них математического ожидания и определении, как изменяется отношение математических ожиданий после прохождения сигналом четырехполюсника, который по предположению и должен внести нелинейные искажения. Устройство, реализующее способ, содержит два статистических блока, два блока деления и блок вычитания, выход которого является информационным выходом устройства. Статистический блок содержит два компаратора, два управляемых аналоговых ключа, два буферных усилителя и два измерителя математического ожидания. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается прежде всего в обеспечении возможности оценки нелинейных искажений без отключения четырехполюсника и без подачи на его вход специального тестового сигнала. З с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ статистической оценки нелинейных искажений, состоящий в подаче на вход исследуемого четырехполюсника тестового сигнала, отличающийся тем, что вычисляют отдельно математические ожидания положительной и отрицательной составляющих сигнала, поступающего на вход исследуемого четырехполюсника, и вычисляют их отношение, вычисляют отдельно математические ожидания положительной и отрицательной составляющих сигнала, прошедшего исследуемый четырехполюсник, и вычисляют их отношение, оценкой степени нелинейности исследуемого четырехполюсника является разность полученных значений.2. Устройство статистической оценки нелинейных искажений, содержащее первый блок деления (измеритель отношения), отличающееся тем, что дополнительно содержит второй блок деления (измеритель отношения), два статистических блока и блок вычитания, выход которого является информационным выходом устройства, первым тестовым входом которого служит вход первого статистического блока, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам первого блока деления, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом второго блока деления, к первому и второму входам которого подключены соответственно первый и второй выходы второго статистического блока, вход которого является вторым тестовым входом устройства.3. Статистический блок для использования в устройстве по п.2, содержащий два компаратора, два управляемых аналоговых ключа и два буферных усилителя, один из которых инвертирующий, и два измерителя математического ожидания, входом блока являются объединенные неинвертирующий и инвертирующий входы соответственно первого и второго компараторов, другие входы которых подключены к общей шине, сигнальные входы первого и второго ключей объединены и подключены к входу блока, управляющие входы первого и второго ключей соединены соответственно с выходами первого и второго компараторов, выход первого ключа соединен с входом первого буферного усилителя, выход которого соединен с входом первого измерителя математического ожидания, выход которого является выходом оценки математического ожидания положительной составляющей сигнала, выходом оценки математического ожидания отрицательной составляющей сигнала является выход второго измерителя математического ожидания, вход которого, в свою очередь, соединен с выходом второго инвертирующего буферного усилителя, вход которого соединен с выходом второго ключа.