СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ И ИНДИКАЦИИ ИСКАЖЕНИЙ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА УСИЛИТЕЛЕЙ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ (ИНДИКАЦИЯ ПЕРЕГРУЗКИ) Российский патент 2006 года по МПК G01R23/20 G01R19/165 

Изобретение относится к области радиоизмерений и предназначено для оценки уровня искажений и индикации их наличия вследствие ограничения выходного напряжения в усилителях звуковых частот.

Для индикации наличия нелинейных искажений, вызванных клиппированием выходных сигналов в аудиоусилителях, широко применяют встроенные устройства, принцип действия которых основан на постоянном слежении за мгновенными значениями выходного напряжения. В случае превышения выходным напряжением заданного порогового уровня выдается световой сигнал, индицирующий появление искажений. Устройство (прототип), работающее и построенное по такому принципу, состоит из компаратора, одновибратора и светового индикатора, сигнальный вход компаратора служит информационным входом устройства, выход компаратора соединен с входом одновибратора, выход которого соединен с входом индикатора, вход опорного напряжения компаратора служит входом задания максимально допустимого уровня напряжений устройства [Сырицо А. Индикация искажений в УМЗЧ. - Радио, 1996 г., №10, стр.18].

Существенным недостатком прототипа является индикация искажений без учета психофизиологических особенностей слушателя аудиопрограмм и одновременно являющегося получателем информации о возникших нелинейных искажениях. Прототип сигнализирует об искажениях не тогда, когда их может заметить слушатель, а когда мгновенное значение выходного напряжения превышает пороговое. При этом превышения порога зачастую бывают столь незначительные и кратковременные, что не могут быть замечены слуховым аппаратом человека. Однако устройство-прототип это никак не учитывает и сигнализирует о наличии искажений, отвлекая слушателя. В результате нередко световая индикация искажений и перегрузки выходных каскадов слушателем просто игнорируется, так как субъективно наличие нелинейных искажений он просто не ощущает.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в повышении эффективности индикации за счет учета психофизиологических особенностей слушателя.

Технический результат достигается тем, что в устройство для оценки и индикации искажений выходного сигнала усилителей звуковой частоты, содержащее компаратор, согласно изобретению введен блок статистической оценки уровня сигнала, выход которого соединен с сигнальным входом компаратора, вход опорного напряжения которого служит входом устройства, определяющим допустимый уровень нелинейных искажений, вход блока статистической оценки служит информационным входом устройства, выходом которого является выход компаратора.

Кроме того, для достижения технического результата блок статистической оценки может быть выполнен в виде измерителя дисперсии, или в виде измерителя среднеквадратических значений, или в виде измерителя средневыпрямленных значений, или в виде анализатора выбросов.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показан график зависимости выходного напряжения U_вых от времени t. На фиг.2 приведена функциональная схема устройства для оценки и индикации искажений, включая контролируемый усилитель.

На фиг.1 выделены три участка а, b и с (интервала времени) равной длительности Т, каждому из которых соответствует определенный уровень искажений, вызванных ограничением выходного напряжения U_вых контролируемого усилителя.

Схема по фиг.2 содержит блок 1 статистической оценки уровня сигнала, компаратор 2, индикатор 3 и контролируемый усилитель 4 с подключенной нагрузкой R_L. Вход блока 1 статистической оценки соединен с выходом усилителя 4, на котором присутствует напряжение U_вых, выход блока 1 статистической оценки соединен с сигнальным входом компаратора 2, вход опорного напряжения которого служит входом устройства, определяющим допустимый уровень искажений U₀, выход компаратора 2 соединен с входом индикатора 3. U_вх - напряжение неискаженного ограничениями входного сигнала.

Идея, лежащая в основе представленного технического решения, состоит в том, что информацию о наличии нелинейных искажений выводят только после сравнения статистической оценки значений выходного сигнала усилителя U_вых(t) с порогом U₀, вычисленным с учетом имеющейся априорной информации о взаимосвязи характера искажений с возможностями человека их ощущать. Установлено, что не все нелинейные искажения слуховой аппарат человека может заметить, а из замечаемых искажений не все воспринимаются одинаково. Например, если длительность искажаемого звучания не превышает 20 мс, то нелинейности практически не заметны [Ишуткин Ю.М., Раковский В.В. Измерения в аппаратуре записи и воспроизведения кинофильмов - М.: Искусство, 1985, стр.88]. Учитывая также, что чувствительность слухового аппарата зависит от частоты, не без оснований можно утверждать, что наиболее заметными будут те искажения, спектр которых попадает в область наибольшей чувствительности слуха, находящуюся вокруг отметки в 3 кГц (частота резонанса слухового прохода). Следовательно, вполне закономерно, что результаты объективной сугубо технической оценки объема появившихся искажений не будут совпадать с данными субъективной экспертизы. Нельзя не учитывать и такое важное свойство слуха, как эффект маскировки, реально проявляющийся в том, что при прослушивании сложных музыкальных программ с широким спектром и большим динамическим диапазоном часть продуктов искажений не будет услышана, так как в подобных условиях порог слышимости сигналов с небольшим уровнем увеличивается.

Отметим также, что при усилении только речевых сигналов порог допустимых нелинейных искажений можно считать достаточно высоким, так как известно, что даже предельное двухстороннее амплитудное ограничение оставляет речь вполне разборчивой, несмотря на снижение качества звукопередачи [Сапожков М.А., Михайлов В.Г. Вокодерная связь. - М.: Радио и связь, 1983, стр.57-68; Сапожков М.А. О факторах, определяющих разборчивость речи. - Радиотехника, 1971, №3, стр.84-87]. Добавим, что если сравнивать степень заметности искажений, вызванных ограничением уровня сигнала сверху с искажениями вследствие центрального ограничения (ограничения снизу, происходящие при малых значениях сигнала), то первые искажения менее заметны [Сапожков М.А. Электроакустика - М.: Связь, 1978, стр.56], т.е. именно те искажения, индикацию появления которых и должно обеспечивать рассматриваемое в настоящей работе устройство.

Таким образом, алгоритм оценки и индикации уровня нелинейных искажений для эффективного его применения на практике должен учитывать психофизиологические особенности получателя информации, а не являться разновидностью методов количественной оценки искажений. Речь должна идти о выдаче информации с высокой прагматической ценностью, позволяющей слушателю (звукорежиссеру) принимать обоснованные с точки зрения обывателя решения, а не с точки зрения лабораторного экспериментатора. Поэтому важнейшей составляющей нового алгоритма должен являться этап накопления априорной информации о восприятии слушателем искаженных звуков и нахождении на основе материалов субъективно-статистических экспертиз того порога сравнения, который и следует считать за допустимый, с субъективной точки зрения, уровень искажений. Такой эксперимент предполагает наличие группы экспертов, которым предъявляют для прослушивания различные фрагменты аудиопроизведений. Сигналы дозировано подвергают амплитудному ограничению сверху (фиг.1), контролируя результат путем его статистической оценки, например, измеряя дисперсию выходного сигнала усилителя. Разумеется, эксперты не знают ни о моментах внесения искажений, ни о моментах их снятия, ни об их величине. В зависимости от своих ощущений они отмечают, когда искажения стали заметными. После чего данные экспертизы используют для установления корреляционных связей между ощущениями экспертов и объективно вычисленными (измеренными) вероятностными показателями выходного сигнала. Оценку выбранного вероятностного параметра, например дисперсию, проводят за интервал наблюдения Т. Каждому очередному интервалу длительностью Т ставят в соответствие выводы экспертов. В примере на фиг.1 объективно уровень искажений возрастает с течением времени: на участке «а» ограничений сигнала нет, следовательно, нет и искажений; на участке «b» искажения незначительны, так как наблюдается только однократное ограничение положительной полуволны и предполагается, что для слуха это незаметно; наконец, на участке «с» видны многочисленные двухсторонние ограничения, похожие на клиппирование - в этом случае ожидается солидарное решение экспертов о наличии искажений. На последнем участке возрастают значения вероятностных параметров энергетического характера: дисперсия (средняя мощность), среднеквадратическое значение, средневыпрямленное значение и в ряде случаев среднее количество выбросов. В том случае, когда в результате субъективной экспертизы установлен факт искажений выходного сигнала, определяют соответствующее этому случаю численное значение одного из вышеприведенных показателей статической оценки уровня сигнала, которое и принимают за пороговый уровень.

Несмотря на то, что рассмотренный пример является упрощением реальной ситуации, он позволяет проиллюстрировать суть адаптивного подхода к решению задачи индикации искажений в усилителях аудиосигналов. Экспертные группы так же, как и критерии, могут быть самыми различными и ориентированными на определенный характер музыкальных произведений и соответствующую им аудиторию и соответственно различными будут и пороги допустимых искажений.

Особо следует отметить, что предлагаемый подход не предназначен для применения в аудиосистемах классов Hi-Fi и Hi-End, где амплитудное ограничение в рабочем режиме недопустимо в принципе, а роль играет даже изменение коэффициента гармоник на сотые доли процента. В таких системах скорее требуется не индикация искажений, а автоматическая защита от случайного роста уровня сигнала, отсутствие которой может привести к тепловому разрушению, как обмоток низкочастотных головок дорогостоящих акустических систем, так и транзисторов выходных каскадов высокоточных усилителей. Поэтому в подобных системах предлагаемое устройство может найти применение лишь как средство эффективной защиты, срабатывающее только в обоснованных, действительно опасных случаях.

Основной областью применения предлагаемого устройства, как встроенного блока индикации, является на наш взгляд профессиональное звукоусиление и бытовая аппаратура широкого применения, например популярные сегодня домашние кинотеатры. В последнем случае немалую роль будет играть эффект маскировки, так как изображение, выполняя функции маскирующего раздражителя, снижает способность субъекта реагировать на кратковременно появившиеся искажения звукового образа.

Принцип действии устройства на уровне формализации по фиг.2 достаточно прост и состоит в вычислении (измерении) в блоке 1 выбранного статистического показателя (дисперсии, среднеквадратического значения, средневыпрямленного значения или среднего числа выбросов) и сравнения полученной оценки с заранее установленным пороговым значением. При превышении заданного порога на выходе компаратора 2 появляется сигнал, включающий индикатор 3, выполняющий функции светового оповещателя наличия искажений. Разумеется, блок 1 и компаратор 2 могут быть выполнены как аналоговыми, так и цифровыми, функциональная схема (фиг.2) от этого не изменится. Отличие цифрового варианта от аналогового будет состоять лишь в том, что вместо порогового напряжения U₀ на вход опорного напряжения компаратора следует подавать вычислительный двоичный код напряжения U₀.

Единого правила выбора того или иного вероятностного показателя оценки уровня выходного сигнала усилителя 4 нет, поэтому в каждом конкретном случае вопрос должен решаться индивидуально, исходя из аппаратурных возможностей, накопленного статистического материала и результатов оригинальных сравнительных исследований (если они имеются). Общим для всех случаев является необходимость накопления априорных знаний о заметности искажений и вынесение решения о наличии искажений только после статистической обработки мгновенных значений выходного сигнала на выбранном интервале наблюдения Т, длительность которого определяется требованиями, предъявляемыми к устройству, и по предварительным расчетам не должна превышать 4-5 с.

Нижняя допустимая граница значений Т зависит от нижней граничной частоты усиливаемых сигналов и в наихудшем случае должна быть такой, чтобы в интервале Т укладывались бы несколько полуволн (по крайней мере 5-10) наиболее низкочастотный гармоники.

Касаясь непринципиальных вопросов реализации устройства (фиг.2), отметим, что в зависимости от функциональных особенностей блока 1 статистической оценки в устройстве может присутствовать или отсутствовать одновибратор, подключаемый между выходом компаратора 2 и входом индикатора 3 и служащий для растягивания во времени длительности свечения индикатора. Если в блоке 1 предусмотрено запоминание выходных значений до появления новых, то одновибратор и не понадобится, при условии, что время Т между обновлениями оценок достаточно для фиксации глазом человека вспышек светового индикатора.

Способ предназначен для оценки и индикации искажений выходного сигнала усилителя звуковой частоты, возникающих вследствие его ограничения сверху в усилителе звуковой частоты (перегрузки усилителя). Измеряют статистический показатель выходного сигнала, такой как дисперсия, среднеквадратическое значение, средневыпрямленное значение, среднее количество выбросов. Сравнивают полученную оценку с заранее установленным пороговым значением. Пороговое значение определяют на основе субъективно-статистической экспертизы, выявляющей степень заметности нелинейных искажений. По результатам сравнения выносят решение об индикации искажений. Способ направлен на повышение эффективности индикации искажений звукового сигнала за счет учета психофизиологических особенностей человека. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ оценки и индикации искажений выходного сигнала усилителя звуковой частоты, возникающих вследствие его ограничения сверху в усилителе звуковой частоты, отличающийся тем, что измеряют статистический показатель выходного сигнала, сравнивают полученную оценку с заранее установленным пороговым значением, которое определяют на основе субъективно-статистической экспертизы, выявляющей степень заметности нелинейных искажений, по результатам сравнения выносят решение об индикации искажений.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что статистическим показателем выходного сигнала является его дисперсия.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что статистическим показателем выходного сигнала является его среднеквадратическое значение.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что статистическим показателем выходного сигнала является его средневыпрямленное значение.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что статистическим показателем выходного сигнала является среднее количество выбросов.6. Устройство для оценки и индикации искажений выходного сигнала усилителя звуковой частоты, возникающих вследствие его ограничения сверху в усилителе звуковой частоты, (индикатор перегрузки), содержащее компаратор, отличающееся тем, что в него введен блок статистической оценки уровня сигнала, выход которого соединен с сигнальным входом компаратора, вход опорного напряжения которого служит входом устройства, определяющим допустимый уровень нелинейных искажений, вход блока статистической оценки служит информационным входом устройства, выходом которого является выход компаратора.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что блок статистической оценки выполнен в виде измерителя дисперсий.8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что блок статистической оценки выполнен в виде измерителя среднеквадратических значений.9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что блок статистической оценки выполнен в виде измерителя средневыпрямленных значений.10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что блок статистической оценки выполнен в виде анализатора выбросов.