АНАЛИЗАТОР ЧАСТОТНЫХ СВОЙСТВ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК G01R23/16 G01R27/28 

Изобретение относится к области радиоизмерений и предназначено для интегральной оценки частотных искажений, вносимых четырехполюсниками в исходный случайный сигнал. В частности, анализатор может найти применение в задачах контроля качества прохождения сигнала в аудиотрактах.

В настоящее время для оценки частотных искажений, вносимых четырехполюсниками различного назначения, применяют устройства, позволяющие либо определять амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) четырехполюсника, либо представлять для визуального анализа спектр выходного сигнала. В первом случае по неравномерности АЧХ судят о предполагаемых искажениях и их величине, во втором случае об искажениях судят по тому как отличается форма спектра выходного сигнала от некоторой эталонной, например, формы спектра белого шума. Устройство (прототип), служащее для реализации вышеописанных приемов анализа, содержит генератор тестового сигнала и спектроанализатор, выход которого является информационным выходом устройства, тестовым выходом которого служит выход генератора тестового сигнала, а тестовым входом служит вход спектроанализатора [Розенберг В.Я. Радиотехнические методы измерения параметров процессов и систем. М.: Издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов, 1970, стр.123-124].

Недостатками прототипа являются невысокая информативность оценки и ограниченные функциональные возможности, не позволяющие контролировать объем вносимых частотных искажений в процессе выполнения четырехполюсником своих рабочих функций без перевода в специальный измерительный режим.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в повышении информативности анализа частотных свойств исследуемого четырехполюсника и в обеспечении возможности анализа частотных свойств четырехполюсника без перевода его работы в специальный измерительный (тестовый) режим.

Технический результат достигается тем, что анализатор частотных свойств четырехполюсника по первому варианту, содержащий первый спектроанализатор, вход которого служит первым тестовым входом, согласно изобретению дополнительно содержит второй спектроанализатор, два блока нормирования, блок вычитания, блок выделения модуля и интегратор, выход которого является информационным выходом анализатора, вторым тестовым входом которого служит вход второго спектроанализатора, выход первого спектроанализатора соединен со входом первого блока нормирования, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом второго блока нормирования, вход которого соединен с выходом второго спектроанализатора, выход блока вычитания соединен со входом блока выделения модуля, выход которого соединен со входом интегратора.

По второму варианту технический результат достигается тем, что анализатор частотных свойств четырехполюсника, содержащий первый спектроанализатор, вход которого служит первым тестовым входом, согласно изобретению дополнительно содержит второй спектроанализатор, два блока нормирования, блок вычитания, квадратор и интегратор, выход которого является информационным выходом анализатора, вторым тестовым входом которого служит вход второго спектроанализатора, выход первого спектроанализатора соединен со входом первого блока нормирования, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом второго блока нормирования, вход которого соединен с выходом второго спектроанализатора, выход блока вычитания соединен со входом квадратора, выход которого соединен со входом интегратора.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг.1 показана функциональная схема анализатора частотных свойств четырехполюсника (первый вариант). На фиг.2 приведены графики, иллюстрирующие принцип анализа частотных свойств. На фиг.3 показана функциональная схема блока нормирования (пример реализации).

Схема по фиг.1 содержит спектроанализаторы 1, 2, блоки 3, 4 нормирования, блок 5 вычитания, блок 6 выделения модуля, интегратор 7 и тестируемый четырехполюсник, представляющий собой усилитель 8 с подключенной нагрузкой сопротивлением R_L. Вход спектроанализатора 1 служит первым тестовым входом анализатора частотных свойств, вторым тестовым входом которого служит вход спектроанализатора 2, к первому тестовому входу подключен выход тестируемого усилителя 8, вход которого объединен со вторым тестовым входом, выход спектроанализатора 1 соединен со входом блока 3 нормирования, выход которого соединен с первым входом блока 5 вычитания, ко второму входу которого подключен выход блока 4 нормирования, вход которого соединен с выходом спектроанализатора 2, выход блока 5 вычитания соединен со входом блока 6 выделения модуля, выход которого соединен со входом интегратора 7, выход которого служит информационным входом ρ нализатора частотных свойств.

Фиг.2 содержит график Y₁(ω) нормированных значений спектра входного сигнала тестируемого усилителя 8, полученных на выходе блока 4; график Y₂(ω) нормированных значений спектра выходного сигнала тестируемого усилителя 8, полученных на выходе блока 3.

Функциональная схема по фиг.3 содержит потенциометр 9 (регулируемый делитель напряжения), полосовой фильтр 10 и измеритель 11 уровня сигнала. Верхний по схеме вывод потенциометра 9 является входом блока нормирования, а средний выход потенциометра 9 служит выходом блока нормирования, нижний по схеме вывод потенциометра 9 соединен с общей шиной, а к среднему выводу потенциометра 9 подключен вход полосового фильтра 10, выход которого соединен с измерителем 11 уровня.

В качестве количественного показателя оценки вносимых частотных искажений принят функционал ρ(Y₁, Y₂), определяющий расстояние между функциями Y₁(ω) и Y₂(ω)

где [ω₁, ω₂] - диапазон рабочих частот четырехполюсника;

Y₁(ω) и Y₂(ω) - нормированные спектры соответственно входного и выходного сигналов четырехполюсника (сигнала исходного и сигнала с искажениями).

Приведенное выражение определяет структуру и алгоритм функционирования анализатора, схема которого показана на фиг.1. Выходной и входной сигналы четырехполюсника (в нашем случае усилителя 8) поступают на входы спектроанализаторов 1 и 2 соответственно. Вычисленные в каждом из них значения функций S₁(ω) и S₂(ω), являющимися спектрами входного и выходного сигналов соответственно, далее нормируются и поступают в блок 5 вычитания. Под нормированием подразумевается вычисление относительных величин Y₁(ω) и Y₂(ω) по формулам

где ω₀ - некоторая фиксированная средняя частота в полосе рабочих частот (в трактах усиления и обработки аудиосигналов ω₀ обычно соответствует частоте 1 кГц).

После выделения в блоке 6 абсолютного значения разности (Y₁(ω)-Y₂(ω)) результат направляется в интегратор 7 для окончательного получения искомой оценки функционала ρ(Y₁, Y₂), смысл которого наглядно поясняется фиг.2. Заштрихованные области между графиками функций Y₁(ω) и Y₁(ω) в совокупности есть суммарная площадь, численно равная значению функционала ρ(Y₁, Y₂). Таким образом, можно сделать вывод, что анализатор, сравнивая спектры выходного и входного сигналов так, как это было показано выше, вычисляет площадь искажений - параметр, призванный дать интегральную оценку вносимых четырехполюсником частотных искажений. Разумеется, минимуму искажений должен соответствовать минимум выражения (1) - минимальная площадь, а выполнение условия ρ(Y₁, Y₂)=0 отвечает идеальной ситуации полного отсутствия частотных искажений.

Учитывая, что выходным сигналом в реальных спектроанализаторах является функция времени, несущая информацию об исследуемом спектре, то следует подчеркнуть, что на практике вместо выражения (1) предстоит вычислять его временную копию

где [t₁, t₂] - интервал времени, в течение которого действуют сигналы Y₁(t), Y₂(t);

Y₁(t) - сигнал, являющийся отображением во времени нормированного спектра Y₁(ω) и снимаемый с выхода блока 4;

Y₂(t) - сигнал, являющийся отображением во времени нормированного спектра Y₂(ω) и снимаемый с выхода блока 3,

Относительно сигналов Y₁(t), Y₂(t) заметим также, что если в течение сеанса измерений они повторяются и в интеграторе 7 не предусмотрен синхронный периодический сброс, то выходное напряжение интегратора 7 будет непрерывно расти пропорционально числу сеансов. Следовательно, во время одного сеанса измерений на выходе спектроанализаторов 1, 2 напряжения должны появляться однократно в виде импульсов, форма которых отражает S₂(ω) и S₁(ω) соответственно. Безусловно, для начала нового сеанса измерений интегратор 7 следует обнулить (на схеме по фиг.1 цепи обнуления не показаны).

Как уже было показано выше, нормирование сводится к вычислению отношений вида (2), откуда следует, что блоки 3, 4 могут быть выполнены как устройства деления функций S₁(t) и S₂(t) на ранее вычисленные постоянные коэффициенты, соответствующие частоте ω₀ (S₁(t) и S₂(t) - сигналы на выходах спектроанализаторов 2, 3 соответственно). Однако в ряде случаев такой способ нормирования может оказаться необоснованно сложным, поэтому на фиг.3 показан пример реализации блока нормирования, работающий на несколько ином принципе. Суть его работы сводится к ручному, контролируемому делению выходного напряжения спектроанализатора до тех пор, пока напряжение, соответствующее частоте ω₀, не достигнет заданного уровня, например, единицы, как на фиг.2. Если указанную операцию совершить над сигналами S₁(t), S₂(t) до начала измерений при неизменных параметрах используемого четырехполюсника, то будет получена картина, аналогичная приведенной на фиг.2. Конечно, точность нормирования будет зависеть как от идентичности параметров элементов, используемых в блоках 3, 4, так и от разрешающей способности измерителя 11 уровня. Центральная частота полосового фильтра 10 выбирается равной ω₀, а ширина полосы по возможности небольшой (примерно пол-октавы) и исходя из заданных требований к точности анализа.

Вторым вариантом реализации рассмотренного анализатора (фиг.1) может быть устройство, содержащее вместо блока выделения модуля квадратор. В этом случае оценкой будет являться функционал

Достоинствами анализатора по сравнению с известными устройствами, выполняющими похожие функции, являются возможность его использования для непрерывного контроля спектральных изменений, возникающих в трактах прохождения случайных сигналов, а также интегральный характер оценки степени вносимых искажений. Последнее особенно актуально для аудиосигналов, так как оценка их качества определяется психофизиологическими особенностями получателя информации, а предложенный критерий позволяет повысить информативность оценки искажений спектра еще и с точки зрения субъективных ощущений, оставаясь при этом строгим техническим параметром.

Анализатор предназначен для определения уровня частотных искажений, вносимых, например, аудиотрактами. Анализатор содержит два спектроанализатора, с помощью которых определяются спектры сигналов на входе и выходе исследуемого четырехполюсника. Спектры входного и выходного сигналов нормируются и поступают в блок вычитания и далее в блок определения модуля разности нормированных спектров. Сигнал с блока определения модуля направляется в интегратор для определения конечной величины, характеризующей площадь частотных искажений, вносимых четырехполюсником. В другом варианте анализатора блок определения модуля заменен квадратором. Анализатор позволяет повысить информативность анализа частотных свойств четырехполюсников и проводить анализ частотных свойств четырехполюсников без перевода исследуемого четырехполюсника в специальный измерительный (тестовый) режим. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Анализатор частотных свойств четырехполюсника, содержащий первый спектроанализатор, вход которого служит первым тестовым входом, отличающийся тем, что в него введены второй спектроанализатор, два блока нормирования, блок вычитания, блок выделения модуля и интегратор, выход которого является информационным выходом анализатора, вторым тестовым входом которого служит вход второго спектроанализатора, выход первого спектроанализатора соединен со входом первого блока нормирования, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом второго блока нормирования, вход которого соединен с выходом второго спектроанализатора, выход блока вычитания соединен со входом блока выделения модуля, выход которого соединен со входом интегратора.2. Анализатор частотных свойств четырехполюсника, содержащий первый спектроанализатор, вход которого служит первым тестовым входом, отличающийся тем, что в него введены второй спектроанализатор, два блока нормирования, блок вычитания, квадратор и интегратор, выход которого является информационным выходом анализатора, вторым тестовым входом которого служит вход второго спектроанализатора, выход первого спектроанализатора соединен со входом первого блока нормирования, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом второго блока нормирования, вход которого соединен с выходом второго спектроанализатора, выход блока вычитания соединен со входом квадратора, выход которого соединен со входом интегратора.