СПОСОБ ОЦЕНКИ ЧАСТОТНЫХ ИСКАЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при построении измерителей уровня частотных искажений, вносимых частотно-зависимыми устройствами, например усилителями аудиосигналов.

Принятый в качестве прототипа способ оценки частотных искажений, состоящий в подаче на вход исследуемого четырехполюсника тестового шумового сигнала и определении максимального отклонения огибающей спектра выходного сигнала от горизонтальной прямой [Прокофьев В. Г., Пахарьков Г. Н. Зарубежная бытовая радиоэлектронная аппаратура: Справочник. М.: Радио и связь, 1988, стр.22; Yamaha EQ-550. Natural sound stereo graphic equalizer. Owner's manual, 1999, стр.9], малоинформативен, так как не учитывается форма АЧХ, а определяются лишь точки, максимально удаленные от идеальной АЧХ. Относительное усиление - коэффициент усиления на частоте ω; K(ω₀) - коэффициент усиления на некоторой средней частоте ω₀), измеренное в определенных точках АЧХ, не может быть мерой вносимых искажений. Искажения спектра сигнала зависят не от коэффициента усиления K(ω_i) на какой-то отдельной частоте ω_i, для которой установлено, что K(ω_i), имеет в этой точке минимальное или максимальное значение, а зависят от вида функции K(ω), которая и показывает, как меняется весь амплитудный спектр сигнала после прохождения исследуемого четырехполюсника.

Устройство реализующее способ-прототип состоит из генератора тестового сигнала и спектроанализатора, выход которого является информационным выходом, служащим для отображения спектра выходного сигнала, тестовым выходом устройства служит выход генератора тестового сигнала, а тестовым входом служит вход спектроанализатора [Прокофьев В.Г., Пахарьков Г.Н. Зарубежная бытовая радиоэлектронная аппаратура: Справочник. М.: Радио и связь, 1988, стр.22; Yamaha EQ-550. Natural sound stereo graphic equalizer. Owner's manual, 1999, стр.9]. Недостатки устройства определяются особенностями вышеописанного способа, главным из которых является малоинформативность.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в повышении информативности оценки частотных искажений, вносимых четырехполюсником в исходный сигнал.

Технический результат достигается тем, что в способе оценки частотных искажений четырехполюсника, состоящем в подаче на вход исследуемого четырехполюсника тестового шумового сигнала, согласно изобретению спектр выходного сигнала четырехполюсника делят на N+1 равных частотных полос, выделяют из спектра выходного сигнала опорный сигнал, занимающий одну из упомянутых полос, измеряют средневыпрямленное значение опорного сигнала и средневыпрямленные значения парциальных сигналов, соответствующих остальным N частотным полосам, определяют N разностей парциальных сигналов и опорного, находят среднеквадратическое значение полученных N разностей, оценкой частотных искажений является найденное среднеквадратическое значение, уменьшенное в число раз, равное измеренному средневыпрямленному значению опорного сигнала.

В частном случае опорный сигнал выбирают в полосе частот, располагающейся в средней части спектра выходного сигнала.

Технический результат достигается также тем, что в устройство для оценки частотных искажений, содержащее генератор шума, выход которого является тестовым выходом устройства, согласно изобретению введены блок измерения средневыпрямленного значения опорного сигнала, блок измерения средневыпрямленных значений парциальных сигналов, группа вычитателей и функциональный преобразователь, выход которого является информационным выходом устройства, тестовым входом которого являются объединенные входы блока измерения средневыпрямленного значения опорного сигнала и блока измерения средневыпрямленных значений парциальных сигналов, первые входы вычитателей подключены к соответствующим выходам блока измерения средневыпрямленных значений парциальных сигналов, вторые входы вычитателей объединены и подключены к выходу блока измерения средневыпрямленного значения опорного сигнала, выходы вычитателей и блока измерения средневыпрямленного значения опорного сигнала подключены к соответствующим входам функционального преобразователя.

В частном случае блок измерения средневыпрямленного значения опорного сигнала состоит из полосового фильтра и измерителя средневыпрямленного значения, вход которого соединен с выходом полосового фильтра, вход которого является входом блока, выходом которого является выход измерителя средневыпрямленного значения.

В частном случае блок измерения средневыпрямленных значений парциальных сигналов состоит из линейки полосовых фильтров и линейки измерителей средневыпрямленных значений, входы которых соединены с выходами соответствующих полосовых фильтров, входы которых объединены и являются входом блока, выходами которого являются выходы измерителей средневыпрямленных значений.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг.1 приведен график, иллюстрирующий принцип измерения частотных искажений. На фиг.2 показана функциональная схема устройства для оценки частотных искажений.

Фиг.1 содержит пример спектра G(ω) выходного сигнала исследуемого четырехполюсника 2, занимающего участок от ω_min до ω_max, который поделен на 11 равных частотных полос шириной Δω=Δω₁=Δω₂=...=Δω₀=...=Δω₁₀, сигнал в каждой из которых имеет средневыпрямленное значение U(Δω₁), U(Δω₂), ...U(Δω₀), ...U(Δω₁₀) соответственно. U(Δω₀)=U₀.

Функциональная схема по фиг.2 содержит генератор 1 шума, тестируемый усилитель 2 с подключенной нагрузкой R_L, блок 3 измерения средневыпрямленного значения опорного сигнала, блок 4 измерения средневыпрямленных значений парциальных сигналов, группу 5 вычитателей и функциональный преобразователь 6. Выход генератора 1 соединен с входом тестируемого усилителя 2, выход которого соединен с объединенными входами блоков 3 и 4, первые входы вычитателей 5-1÷5-N подключены к соответствующим выходам блока 4, вторые входы вычитателей 5-1÷5-N объединены и подключены к выходу блока 3, выходы вычитателей 5-1÷5-N и блока 3 подключены к соответствующим входам функционального преобразователя 6, выход δ которого является информационным выходом устройства.

Блок 3 измерения средневыпрямленного значения опорного сигнала состоит из полосового фильтра 7 и измерителя 8 средневыпрямленного значения, вход которого соединен с выходом полосового фильтра 7, вход которого является входом блока 3, выходом которого является выход измерителя 8.

Блок 4 измерения средневыпрямленных значений парциальных сигналов состоит из линейки полосовых фильтров 9-1÷9-N и линейки измерителей 10-1÷10-N средневыпрямленных значений, входы которых соединены с выходами соответствующих полосовых фильтров 9, входы которых объединены и являются входом блока 4, выходами которого является выходы измерителей 10.

В основе способа лежит идея сравнения средневыпрямленных значений сигналов, соответствующих различным участкам спектра выходного сигнала, в предположении, что спектр входного сигнала имеет постоянную спектральную плотность. Критерием оценки служит относительная величина δ, показывающая как отличаются средневыпрямленные значения U(Δω_n) парциальных сигналов от средневыпрямленного значения U₀ опорного

где Δω_n - полоса частот, которую занимает n-ый парциальный сигнал;

n=1...N (N - целое натуральное число).

При отсутствии частотных искажений для всех n выполняется равенство

U(Δω_n)-U₀=0,

следовательно, δ=0. Отклонение АЧХ от горизонтальной прямой на любом из участков Δω_n приведет к нарушению показанного равенства и результат δ будет отличным от нуля - случай наличия искажений. Причем с ростом неравномерности АЧХ увеличивается и δ.

Опорный сигнал выделяют из выходного сигнала исследуемого четырехполюсника путем назначения полосы частот Δω₀ в пределах спектра G(ω) выходного сигнала, в которой по предположению и действует опорный сигнал (фиг.1). Выбор является сугубо условным. Полосу Δω₀ можно выбрать как в средней части спектра G(ω), так и в любой другой, например, в аудиотехнике принято считать опорной полосу в окрестности 1 кГц (в той части частотного диапазона, где сигнал претерпевает минимальные изменения). Необходимым условием является лишь неизменность, при проведении измерений, полосы Δω₀. Учитывая, что средневыпрямленное значение сигнала зависит от ширины полосы Δω_n, то весь исследуемый частотный диапазон, при G(ω) - const для корректных сравнений, следует разбить на равные участки. Это обязательное условие, связанное со спектральными свойствами тестового сигнала, который в ограниченной полосе частот похож на белый шум. Количество полос N выбирают исходя из априорных сведений о вносимых искажениях и/или требуемой точности оценки искажений. Разумеется, с увеличением N возрастает и точность оценки. Однако увеличение числа полос N, ведущее к увеличению числа каналов измерения средневыпрямленных значений (фиг.2), должно быть обосновано. Например, в ситуации, когда исследуются цепи с монотонными спадами АЧХ на краях диапазона, вполне может оказаться достаточным и две полосы, охватывающие области спадов, плюс полоса опорного сигнала. Такой подход требует относительно небольших аппаратурных затрат и может с успехом использоваться для автоматизированного непрерывного слежения за состоянием многих применяемых на практике радиотехнических трактов, где, как правило, не требуется детальное исследование спектральных изменений, а необходимо лишь оценить, как в целом искажается сигнал.

Для реализации способа служит устройство (фиг.2), принцип действия которого предусматривает:

- подачу на вход исследуемого четырехполюсника 2 тестового шумового сигнала с выхода генератора 1;

- выделение при помощи полосового фильтра 7 опорного сигнала и измерение его средневыпрямленного значения U₀ в измерителе 8;

- выделение в линейке полосовых фильтров 9 парциальных сигналов и измерение значений U(Δω_n) в измерителях 10;

- получение разностей вида ΔU_n=U(Δω_n) - U₀ в вычитателях 5;

- вычисление в функциональном преобразователе величины δ - критерия оценки искажений.

Каждый из полосовых фильтров линейки 9 настраивается на выделение полосы частот, соответствующей его порядковому номеру n согласно правилу: фильтр с полосой пропускания Δω_n имеет центральную частоту ω₀ (центральная частота делит полосу пропускания на две равные части). В примере, показанном на фиг.1, таких полос десять. Опорная полоса Δω₀ (выделена штриховкой) с центральной частотой ω₀ в число указанных полос не входит.

В функциональном преобразователе 6 величина δ вычисляется по формуле

где ΔU_n - сигнал, поступающий с выхода вычитателя 5-n.

Функциональный преобразователь 6 может быть реализован как на базе микропроцессора, так и на базе запоминающего устройства, осуществляющего аппаратно-табличный способ вычислений. Последний вариант предпочтителен при небольшом количестве полос и узком диапазоне изменения измеряемых величин.

Способ оценки частотных искажений заключается в разделении спектра выходного сигнала на N+1 равных частотных полос. Выделяют из полученного спектра опорный сигнал в полосе частот, располагающейся в средней части спектра. Затем измеряют средневыпрямленное значение опорного сигнала и средневыпрямленные значения парциальных сигналов, соответствующих остальным N частотным полосам. Определяют N разностей парциальных сигналов и опорного, находят среднеквадратическое значение полученных N разностей. Полученное значение делят на значение опорного сигнала. Устройство содержит генератор шума, блоки измерения средневыпрямленных значений, группу вычитателей и функциональный преобразователь. Технический результат заключается в повышении информативности оценки частотных искажений, вносимых четырехполюсником в исходный сигнал. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ оценки частотных искажений четырехполюсника, состоящий в подаче на вход исследуемого четырехполюсника тестового шумового сигнала, отличающийся тем, что спектр выходного сигнала четырехполюсника делят на N+1 равных частотных полос, выделяют из спектра выходного сигнала опорный сигнал, занимающий одну из упомянутых полос, измеряют средневыпрямленное значение опорного сигнала и средневыпрямленные значения парциальных сигналов, соответствующих остальным N частотным полосам, определяют N разностей парциальных сигналов и опорного, находят среднеквадратическое значение полученных N разностей, оценкой частотных искажений является найденное среднеквадратическое значение, уменьшенное в число раз, равное измеренному средневыпрямленному значению опорного сигнала.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что опорный сигнал выбирают в полосе частот, располагающейся в средней части спектра выходного сигнала.3. Устройство для оценки частотных искажений, содержащее генератор шума, выход которого является тестовым выходом устройства, отличающееся тем, что в него введены блок измерения средневыпрямленного значения опорного сигнала, блок измерения средневыпрямленных значений парциальных сигналов, группа вычитателей и функциональный преобразователь, выход которого является информационным выходом устройства, тестовым входом которого являются объединенные входы блока измерения средневыпрямленного значения опорного сигнала и блока измерения средневыпрямленных значений парциальных сигналов, первые входы вычитателей подключены к соответствующим выходам блока измерения средневыпрямленных значений парциальных сигналов, вторые входы вычитателей объединены и подключены к выходу блока измерения средневыпрямленного значения опорного сигнала, выходы вычитателей и блока измерения средневыпрямленного значения опорного сигнала подключены к соответствующим входам функционального преобразователя.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что блок измерения средневыпрямленного значения опорного сигнала состоит из полосового фильтра и измерителя средневыпрямленного значения, вход которого соединен с выходом полосового фильтра, вход которого является входом блока, выходом которого является выход измерителя средневыпрямленного значения.5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что блок измерения средневыпрямленных значений парциальных сигналов состоит из линейки полосовых фильтров и линейки измерителей средневыпрямленных значений, входы котороых соединены с выходами соответствующих полосовых фильтров, входы которых объединены и являются входом блока, выходами которого являются выходы измерителей средневыпрямленных значений.