СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ СПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ СИГНАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01R27/28 G01R23/18 

Изобретение относится к области радиоизмерений и предназначено для визуальной оценки степени изменения формы частотного спектра сигнала при прохождении его через четырехполюсник с частотно-зависимыми параметрами. В частности, устройство может найти применение в трактах передачи/усиления аудиосигналов с прецизионной многополосной частотной коррекцией для наблюдения за результатами вносимой коррекции.

В настоящее время для визуальной оценки изменений (деформации) частотного спектра S(ω) применяют анализаторы спектра, представляющие результат анализа в виде кривой зависимости амплитуды частотных компонент от частоты - S(ω). При этом устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит два функциональных узла: генератор тестового сигнала и сам спектроанализатор. Выход спектроанализатора является информационным выходом устройства, тестовым выходом которого служит выход генератора тестового сигнала, а тестовым входом является вход спектроанализатора [Розенберг В.Я. Радиотехнические методы измерения параметров процессов и систем. М.: Издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов, 1970, стр.123-124].

Применение прототипа позволяет оценить, как меняется спектр сигнала на выходе четырехполюсника только по отклонению графика S(ω) от прямой линии. Для этого на вход четырехполюсника следует подавать сигнал с равномерной спектральной плотностью S(ω) - const во всем диапазоне рабочих частот, например белый шум или близкий к нему слабокоррелированый процесс. Следовательно, особенностью прототипа является обязательное наличие специального тестового сигнала, а это значит, что прототип не может быть использован для работы с реальными сигналами в нормальном рабочем режиме, воздействующими на частотно-зависимый четырехполюсник. Отсюда также следует, что устройство-прототип не может быть использовано и для оценки результатов частотной коррекции, вносимой в реальный случайный сигнал с произвольной формой спектра.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в обеспечении возможности визуальной оценки степени изменения формы спектра случайного сигнала с произвольной исходной формой спектра при прохождении его через четырехполюсник с частотно-зависимыми параметрами.

Технический результат достигается тем, что в устройство для визуализации спектральных изменений, содержащее первый спектроанализатор, вход которого служит первым тестовым входом, согласно изобретению введены второй спектроанализатор, два блока нормирования, блок сравнения и индикатор, предназначенный для визуального отображения зависимости результата сравнения от частоты, вторым тестовым входом устройства служит вход второго спектроанализатора, выход первого спектроанализатора соединен с входом первого блока нормирования, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом второго блока нормирования, вход которого соединен с выходом второго спектроанализатора, выход блока сравнения соединен с входом индикатора.

Кроме того, блок сравнения может быть выполнен в виде устройства, вычисляющего разность сравниваемых величин, или в виде устройства, вычисляющего отношение сравниваемых величин.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг.1 показан пример визуального представления функции, характеризующей спектральные изменения. На фиг.2 показана функциональная схема устройства для визуализации спектральных изменений. На фиг.3 приведен пример реализации блока нормирования. Фиг.4 содержит функциональные схемы одного из возможных вариантов реализации блока сравнения, сопряженного с индикатором. Способ сопряжения индикатора с дешифратором-преобразователем, входящим в блок сравнения, показан на функциональной схеме по фиг.5.

Фиг.1 содержит график зависимости результата сравнения ΔY спектральных компонентов от частоты ω в диапазоне [ω_min, ω_max].

Схема по фиг.2 содержит спектроанализаторы 1, 2, блоки 3, 4 нормирования, блок 5 сравнения, индикатор 6 и контролируемый четырехполюсник, представляющий собой усилитель 7 с подключенной нагрузкой R_L. Вход спектроанализатора 1 служит первым тестовым входом устройства, вторым тестовым входом которого служит вход спектроанализатора 2, к первому тестовому входу подключен выход контролируемого усилителя 7, вход которого объединен со вторым тестовым входом, выход спектроанализатора 1 соединен с входом блока 3 нормирования, выход которого соединен с первым входом блока 5 сравнения, ко второму входу которого подключен выход блока 4 нормирования, вход которого соединен с выходом спектроанализатора 2, выход блока 5 сравнения соединен с входом индикатора.

Функциональная схема по фиг.3 содержит потенциометр 8 (регулируемый делитель напряжения), полосовой фильтр 9 и измеритель 10 уровня сигнала. Верхний по схеме вывод потенциометра 8 является входом блока нормирования, а средний вывод потенциометра 8 служит выходом блока нормирования, нижний по схеме вывод потенциометра 8 соединен с общей шиной, а к среднему выводу потенциометра 8 подключен вход полосового фильтра 9, выход которого соединен с измерителем 10 уровня.

Функциональная схема по фиг.4 содержит блок 11 вычитания, сумматор 12, группу 13 регистров 13-1÷13-N, группу 14 дешифраторов 14-1÷14-N, адресный счетчик 15, дешифратор 16 адреса и элемент 17 ИЛИ, а также N светодиодных линеек 6-1÷6-N. Первый вход блока 11 вычитания является первым информационным входом Y₂(nΔω) блока 5 сравнения, предназначенным для соединения с выходом блока 3, второй вход блока 11 вычитания служит вторым информационным входом Y₁(nΔω) блока 5 и предназначен для соединения с выходом блока 4, выход блока 11 вычитания соединен с первым входом сумматора 12, второй вход которого является входом кода смещения Y₀, выход сумматора 12 соединен с объединенными информационными входами DI регистров группы 13, выходы которых подключены к входам соответствующих дешифраторов группы 14 (выход n-го регистра ко входу n-го дешифратора), тактовые входы с регистров группы 13 подключены к соответствующим N выходам дешифратора 16, вход которого соединен с разрядным выходом Q счетчика 15, выход переноса Р которого соединен с первым входом элемента 17 ИЛИ, второй вход которого является входом RST обнуления (начальной установки) блока 5 сравнения, тактовый вход счетчика 15 является синхровходом CLK блока 5 сравнения, выходом которого служат выходы N дешифраторов группы 14, которые подключены к соответствующим N входам индикатора 6.

Функциональная схема примера сопряжения дешифратора с линейкой светодиодов (фиг.5) содержит дешифратор-преобразователь 14-n двоичного кода в код управления светодиодной шкалой с одной перемещающейся точкой и саму шкалу 6-n, представляющую собой линейку светодиодов, количество которых равно количеству выходов дешифратора 14-n, выходы которого соединены с соответствующими входами линейки 6-n.

Спектр аудиосигналов при прохождении их через реальные усилительные тракты, как правило, претерпевает изменения. Происходящее можно разделить на два типичных случая. В первом случае причиной является независящая от исследователя неидеальность амплитудно-частотной характеристики тракта (четырехполюсника), приводящая к нежелательным линейным искажениям входного сигнала. Во втором случае спектр выходного сигнала изменяют умышленно, ослабляя и/или усиливая отдельные его участки для получения желаемого эффекта, которым в подавляющем большинстве случаев является изменение тембральной окраски преобразованного в звуковые волны выходного сигнала. И разумеется в каждом из случае полезно знать, как изменился спектр сигнала. Действительно, применение в современной аудиотехнике прецизионных широкодиапазонных амплитудно-частотных корректоров позволяет изменять спектр выходного сигнала по всей ширине, доводя его форму до неузнаваемости. Однако указанный процесс внешнего вмешательства необходимо контролировать, отслеживая влияние вносимых корректив на результат. Визуальный анализ формы спектра выходного сигнала, который предусмотрен во многих современных эквалайзерах высокого класса, безусловно, повышает эффективность управления процессами коррекции, но в то же время не несет в явном виде информации о произошедших спектральных изменениях.

Исчерпывающую информацию об изменениях спектра сигнала несет функция, представляющая собой зависимость результата сравнения амплитуд или мощностей спектральных составляющих от частоты. Наглядным примером такого критерия сравнения (и удобным для восприятия) является разность

ΔY(ω)=Y₂(ω)-Y₁(ω),

где Y₁(ω) и Y₂(ω) - нормированные спектры входного и выходного сигналов соответственно.

Иллюстрацией предложенного служит пример функции ΔY(ω), приведенный на фиг.1 и призванный показать графически всю картину частотных изменений, произошедших в пределах рабочего диапазона устройства от ω_min до ω_max.

Устройство для получения картины, приведенной на фиг.1, работает следующим образом (фиг.2). Выходной и входной сигналы четырехполюсника, например контролируемого усилителя 7, поступают на входы спектроанализаторов 1 и 2 соответственно. Вычисленные в каждом из них значения функций S₁(ω) и S₂(ω), являющиеся спектрами входного и выходного сигналов соответственно, далее нормируются и поступают в блок 5 сравнения. Откуда результат сравнения направляется на индикатор 6, служащий для визуального отображения зависимости результата сравнения нормированных значений от частоты. Под нормированием подразумевается вычисление относительных величин Y₁(ω) и Y₂(ω) по формулам

и ,

где ω₀ - некоторая фиксированная средняя частота в пределах полосы рабочих частот (в звуковых трактах ω₀ обычно выбирают соответствующим частоте 1 кГц).

Если блоки 1-4 выполнены по аналоговым схемам, то информация о функциях Y₁(ω) и Y₂(ω) представляется в виде сигналов Y₁(t) и Y₂(t), являющихся отображением во времени спектров Y₁(ω) и Y₂(ω) соответственно. Разумеется, до нормирования будем иметь сигналы S₁(t) и S₂(t), являющиеся временными копиями функций S₁(ω) и S₂(ω). Поскольку нормирование предусматривает выполнение операции деления, а в сугубо аналоговых устройствах выполнение арифметических операций связано с немалыми трудностями, то можно использовать аналоговый блок нормирования, работающий на несколько ином принципе. Суть его работы (фиг.3) сводится к ручному, контролируемому делению выходного напряжения спектроанализатора до тех пор, пока напряжение, соответствующее частоте ω₀, не достигнет заданного уровня, например единицы. Указанную операцию, являющуюся по сути масштабированием сигналов, выполняют до начала работы с устройством отдельно для каждого канала при неизменных параметрах контролируемого усилителя 7. Точность нормирования будет зависеть как от идентичности параметров элементов, используемых в блоках 3, 4, так и от разрешающей способности измерителя 10 уровня. Центральная частота полосового фильтра 9 выбирается равной ω₀, а ширина полосы - по возможности небольшой (примерно пол-октавы) и исходя из заданных требований к точности нормирования.

Рассмотрим далее один из возможных вариантов построения блока 5 сравнения, предназначенного для работы с цифровыми отсчетами, полученными в предположении, что спектроанализаторы 1 и 2 цифровые, а на выходах блоков 3 и 4 имеем последовательность отсчетов - нормированных значений амплитуд гармоник Y₂(nΔω) и Y₂(nΔω) соответственно и вычисленных методом дискретного преобразования Фурье при условии, что n=0, 1, 2...N-1 (N - общее число гармоник), а Δω - шаг расположения отсчетов по оси частот. В частном случае от гармоники с нулевой частотой можно и отказаться.

Будем считать, что отсчеты Y₁(nΔω) и Y₂(nΔω) в двух каналах во времени появляются одновременно, сопровождаются синхроимпульсами CLK и, кроме того, смена отсчетов в каждом из каналов происходит с тактовой частотой CLK. В предлагаемой схеме (фиг.4) блока 5 сравнения данные сравниваются путем вычисления их разности Y₂(nΔω)-Y₁(nΔω) в блоке 11. Далее в сумматоре 12 добавляется постоянная Y₀ и затем N полученных величин

ΔY(nΔω)=ΔY₂(nΔω)-Y₁(nΔω)+Y₀

распределяются по N регистрам группы 13. Занесенные в регистры 13-1÷13-N двоичные коды N величин ΔY(nΔω) преобразуются в дешифраторах группы 14 в коды управления светодиодными линейками 6-1÷6-N, каждая из которых соответствует одному отсчету частоты ω_n=nΔω.

Управляет поочередной записью кодов ΔY(nΔω) в регистры 13 узел, состоящий из адресного счетчика 15 и дешифратора 16. Модуль пересчета счетчика 15 выбирают на единицу больше количества отсчетов N. Это позволяет использовать обнуленное состояние счетчика как исходное и запрещающее запись данных в регистры 13. С появлением первого синхроимпульса CLK счетчик 15 устанавливает на выходе Q код единицы и активизирует, таким образом, выход дешифратора 16 с порядковым номером "1" (нумерация выходов дешифратора 16 начинается с нуля; нулевой выход не используется). Поскольку данный процесс протекает скачкообразно, то положительный перепад напряжений на выходе "1" дешифратора 16 разрешает синхронную запись информации о первом отсчете ΔY(0) в первый регистр 13-1. Далее с приходом второго синхроимпульса, сопровождающего следующий отсчет ΔY(ω), счетчик 15 переходит в состояние, соответствующее числу "2", и логический перепад формируется уже на втором выходе дешифратора 16, разрешая, таким образом, запись в регистр 13-2. Указанным путем, потактно производится запись и в другие регистры 13. После того, как в группу 13 будет записан последний отсчет, счетчик 15 обнулится, и на этом цикл первой записи данных закончится. Все последующие циклы аналогичны первому и служат для обновления информации в регистрах 13, а следовательно, для обновления изображения формируемого индикатором 6. Вход RST служит для первоначального обнуления блока сравнения.

Для того, чтобы приведенная на фиг.4 схема позволяла получить изображение со смещенной вверх по оси ΔY(ω) нулевой линией, в структуре предусмотрен ввод кода смещения Y₀ (сумматор 12). Введение постоянной составляющей, значение которой выбирается равной половине диапазона изменений ΔY(ω), позволяет высвечивать нулевую линию в отсутствии сигнала, однако при работе с сигналом нулевая линия как ориентир не высвечивается, поэтому на экран индикатора следует нанести градуированную нулевую линию в виде рисунка. Дискретный индикатор (блок 6 на фиг.4) может быть собран на основе вертикально ориентированных светодиодных линеек 6-1÷6-N, количество которых определяется количеством отсчетов частоты. Линейки располагают в одной плоскости параллельно друг другу в порядке возрастания частоты. Для управления каждой линейкой используется полный дешифратор, сопрягаемый с выбранным типом светодиодных линеек. В примере на фиг.5 дешифратор-преобразователь 14-n сопряжен с линейкой светодиодов с объединенными катодами.

Устройство может быть использовано для оценки изменения частотного спектра сигнала при прохождении через тракты передачи/усиления аудиосигналов с прецизионной многополосной частотной коррекцией, для наблюдения за результатами вносимой коррекции. Устройство 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 сравнения нормированных спектров. Сигнал с блока определения модуля направляется на индикатор для визуального отображения зависимости результата сравнения от частоты. Устройство обеспечивает возможность визуальной оценки степени изменения формы спектра случайного сигнала при прохождении его через четырехполюсник с частотно-зависимыми параметрами. 2 н. и 2 з.п. ф-лы. 5 ил.

1. Способ визуализации спектральных изменений сигнала при прохождении его через четырехполюсник, отличающийся тем, что определяют нормированный спектр входного сигнала, определяют нормированный спектр выходного сигнала, полученные нормированные значения сравнивают между собой, после чего визуально отображают зависимость результата сравнения нормированных величин от частоты.2. Устройство для визуализации спектральных изменений, содержащее первый спектроанализатор, вход которого служит первым тестовым входом, отличающееся тем, что в него введены второй спектроанализатор, два блока нормирования, блок сравнения и индикатор, предназначенный для визуального отображения зависимости результата сравнения от частоты, вторым тестовым входом устройства служит вход второго спектроанализатора, выход первого спектроанализатора соединен с входом первого блока нормирования, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом второго блока нормирования, вход которого соединен с выходом второго спектроанализатора, выход блока сравнения соединен с входом индикатора.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок сравнения выполнен в виде устройства, вычисляющего разность сравниваемых величин.4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок сравнения выполнен в виде устройства, вычисляющего отношение сравниваемых величин.