СПОСОБ ОЦЕНКИ ЧАСТОТНЫХ ИСКАЖЕНИЙ Российский патент 2007 года по МПК G01R23/16 G01R27/28 

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 классический способ оценки частотных искажений, состоящий в определении амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) K(ω) четырехполюсника [Розенберг В.Я. Радиотехнические методы измерения параметров процессов и систем. M.: Издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов, 1970, стр.123-124], позволяет судить о вносимых частотных искажениях по результатам измерения максимального отклонения функции K(ω) от некоторого среднего значения. Так определяют неравномерность АЧХ, а количественной оценкой неравномерности и вносимых искажений является коэффициент частотных искажений М(ω). Оценка частотных искажений, полученная вышеуказанным образом, малоинформативна, так как не учитывается форма АЧХ, а определяются лишь точки, максимально удаленные от идеальной АЧХ, имеющей плоский вид. Относительное усиление (К(ω) - коэффициент усиления на частоте ω; K(ω) - 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 К(ω_i) на какой-то отдельной частоте ω_i, для которой установлено, что К(ω_i) имеет в этой точке минимальное или максимальное значение, а зависят от вида функции К(ω), которая и показывает, как меняется весь амплитудный спектр сигнала после прохождения исследуемого четырехполюсника.

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 определении амплитудно-частотной характеристики четырехполюсника, согласно изобретению выбирают опорное значение амплитудно-частотной характеристики, каждое значение амплитудно-частотной характеристики уменьшают на величину опорного значения, затем из полученной величины выделяют ее абсолютное значение, полученную таким образом величину, являющуюся функцией частоты, интегрируют в пределах диапазона исследуемых частот, после чего измеряют значение величины, полученной в результате интегрирования, измеренное значение является оценкой частотных искажений.

Технический результат достигается тем, что в способе оценки частотных искажений четырехполюсника, состоящем в определении амплитудно-частотной характеристики четырехполюсника, согласно изобретению выбирают опорное значение амплитудно-частотной характеристики, каждое значение амплитудно-частотной характеристики уменьшают на величину опорного значения, затем полученную величину возводят в квадрат, полученную таким образом величину, являющуюся функцией частоты, интегрируют в пределах диапазона исследуемых частот, после чего измеряют значение величины, полученной в результате интегрирования, измеренное значение является оценкой частотных искажений.

В частном случае опорное значение выбирают на участке амплитудно-частотной характеристики, соответствующем минимальным искажениям.

Технический результат достигается тем, что в способе оценки частотных искажений четырехполюсника, состоящем в определении амплитудно-частотной характеристики четырехполюсника, согласно изобретению находят среднее значение амплитудно-частотной характеристики, каждое значение амплитудно-частотной характеристики уменьшают на величину среднего значения, затем из полученной величины выделяют ее абсолютное значение, полученную таким образом величину, являющуюся функцией частоты, интегрируют в пределах диапазона исследуемых частот, после чего измеряют значение величины, полученной в результате интегрирования, измеренное значение является оценкой частотных искажений.

Технический результат достигается тем, что в способе оценки частотных искажений четырехполюсника, состоящем в определении амплитудно-частотной характеристики четырехполюсника, согласно изобретению находят среднее значение амплитудно-частотной характеристики, каждое значение амплитудно-частотной характеристики уменьшают на величину среднего значения, затем полученную величину возводят в квадрат, полученную таким образом величину, являющуюся функцией частоты, интегрируют в пределах диапазона исследуемых частот, после чего измеряют значение величины, полученной в результате интегрирования, измеренное значение является оценкой частотных искажений.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг.1 приведен график, иллюстрирующий принцип измерения частотных искажений. На фиг.2 и 3 показаны функциональные схемы различных вариантов измерителей частотных искажений.

Фиг.1 содержит график АЧХ К(ω), представляющий собой пример АЧХ усилителя звуковых частот; постоянный уровень К(ω₀)=К₀, равный коэффициенту усиления на некоторой выбранной частоте ω₀.

Функциональная схема по фиг.2 содержит генератор 1 тестового сигнала, тестируемый усилитель 2 с подключенной нагрузкой R_L, спектроанализатор 3, блок 4 вычитания, блок 5 выделения модуля и интегратор 6. Выход генератора 1 соединен со входом тестируемого усилителя 2, выход которого соединен со входом спектроанализатора 3, выход которого подключен к первому входу блока 4 вычитания, второй вход которого служит для подачи на него фиксированного напряжения, выход блока 4 вычитания соединен со входом блока 5 выделения модуля, выход которого соединен со входом интегратора 6, выход ρ которого служит выходом измерителя.

Функциональная схема по фиг.3 содержит генератор 7 тестового сигнала, тестируемый усилитель 8 с подключенной нагрузкой R_L, спектроанализатор 9, блок 10 вычитания, квадратор 11 и интегратор 12. Выход генератора 7 соединен со входом тестируемого усилителя 8, выход которого соединен с входом спектроанализатора 9, выход которого подключен к первому входу блока 10 вычитания, второй вход которого служит для подачи на него фиксированного напряжения, выход блока 10 вычитания соединен со входом квадратора 11, выход которого соединен со входом интегратора 12, выход γ которого служит выходом измерителя.

В качестве показателя оценки вносимых частотных искажений может быть принят функционал ρ(K(ω)), определяющий расстояние между сравниваемыми величинами К(ω) и К(ω₀)=К₀:

где [ω₁; ω₂] - диапазон рабочих частот исследуемого четырехполюсника.

Физическую суть величины ρ(K(ω)) легко понять, если обратиться к фиг.1. Суммарная площадь заштрихованных участков функции К(ω), выбранных относительно опорной величины K(ω₀), численно равна значению функционала ρ(K(ω)), призванного учесть всю совокупность частотных искажений, зависящую как от размеров диапазона [ω₁; ω₂], так и от того, как сильно она отклонилась от уровня К₀. Опорную величину К₀ целесообразно выбирать на относительно линейном участке АЧХ, где искажения минимальны.

Для практических расчетов значений ρ(K(ω)) по известному виду К(ω) удобно вычислять интеграл от модуля разницы K(ω) и постоянного уровня К₀, как это показано в выражении (1). Таким образом задается последовательность действий над первичным сигналом, необходимая для получения оценки ρ(K(ω)). Если в качестве первичного сигнала, несущего информацию об АЧХ исследуемого четырехполюсника, принять аналоговый сигнал K(t), отображающий функцию К(ω) как развертку во времени, то для оценки уровня частотных искажений его следует уменьшить на постоянную К₀, затем выделить абсолютное значение от полученной разности и далее проинтегрировать в пределах действия этого сигнала [t₁; t₂]

Методы получения величины K(t), повторяющей по форме кривую К(ω), широко известны и отличаются простотой реализации. Например, при соединении выхода свип-генератора со входом исследуемого четырехполюсника, выход которого подключен ко входу амплитудного демодулятора, будет получен измеритель АЧХ, выходное напряжение которого - выходное напряжение демодулятора - будет определять форму АЧХ в некотором масштабе.

Принцип функционирования измерителя (фиг.2), реализующего вышерассмотренный способ (п.1 формулы изобретения) в аналоговой форме, достаточно прост и состоит в формировании спектроанализатором 3 сигнала K(t), отображающего функцию К(ω) как развертку во времени и далее вычисление величины p(K(t)) согласно последней формуле. Вычисление ρ(К(t)), включая вычисление подынтегрального выражения, происходит последовательно в блоках 4, 5 и 6. Следует подчеркнуть, что при выполнении операции вычитания в блоке 4 необходимо соблюдать единый масштаб представления величин, поступающих на его входы.

Как особенность аналогового измерителя следует выделить характер сигнала K(t) на выходе спектроанализатора 3. Напряжение K(t) не должно повторяться многократно, если не предусмотрена возможность периодического сброса интегратора 6, в противном случае напряжение на выходе интегратора будет непрерывно расти. Следовательно, во время одного сеанса измерений на выходе спектроанализатора 3 напряжение K(t) должно появляться однократно в виде импульса с формой, отображающей K(ω). Реализовать подобное требование можно различными способами, зависящими от вида применяемого спектроанализатора и тестового воздействия. Например, если в качестве генератора 1 использовать свип-генератор, управляемый генератором пилообразного напряжения, то достаточно в качестве последнего применить фантастрон, работающий в ждущем режиме.

Тогда сеанс измерений будет начинаться с одиночного импульса, поступающего на запускающий вход фантастрона, и заканчиваться после окончания процесса формирования напряжения на выходе интегратора 6. Для начала нового сеанса интегратор 6 необходимо обнулить (на схеме цепи обнуления не показаны).

В случае полностью цифровой реализации измерителя при определении спектра методом дискретного преобразования Фурье необходимо предусмотреть однократное считывание выходных данных спектроанализатора 3.

Следующий вариант способа оценки частотных искажений (п.3 формулы изобретения) отличается от первого тем, что разность величин К(ω) и К(ω₀) возводят в квадрат и таким образом избавляются от отрицательных значений перед началом интегрирования

Измеритель, реализующий настоящий способ, показан на фиг.3, и вместо блока 5 выделения модуля содержит квадратор 11.

Процесс выбора опорного значения, удовлетворяющего заранее оговоренным условиям, можно заменить на вычисление среднего значения АЧХ, т.е. величины

где

В этом случае вместо функционалов (1) и (2) будем иметь

и

Для реализации способов по п.п.5 и 6 формулы изобретения также используют устройства, показанные на фиг.2 и 3 соответственно. В первом случае в основе функционирования измерителя лежит алгоритм, описываемый выражением (3) (фиг.2), во втором случае (фиг.3) - описываемый формулой (4).

В представленных измерителях (фиг.2 и 3) на второй вход (нижний по схеме) блока вычитания подают либо опорное напряжение К₀, либо среднее значение М[K(ω)] в зависимости от того, какой способ реализуется.

В цифровом исполнении измерителей все вышепоказанные операции выполняются над отсчетами, исходными для которых являются данные (амплитуды гармоник) с выхода спектроанализатора.

Минимуму искажений должен соответствовать минимум вышеприведенных функционалов (1)-(4), а выполнение условия ρ(K(ω))=0 или γ(К(ω))=0 отвечает идеальной ситуации полного отсутствия частотных искажений. По аналогии с применяемым в теории усилителей термином - площадь усиления, функционалы, выражаемые (1) и (3), можно было бы считать площадью частотных искажений.

Измерение площади частотных искажений, например, в усилителях аудиосигналов в отличие от общепринятой оценки неравномерности АЧХ позволяет дать не формальную оценку отклонения АЧХ от идеальной, а получить количественный показатель, связанный с психофизиологическими особенностями слухового восприятия. Учет общих размеров, в частности ширины, возможных провалов и подъемов АЧХ позволяет связать степень заметности частотных искажений с их объективной технической оценкой, измеренной как значение функционала ρ(K(ω)) или γ(К(ω)).

Предложенное изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при построении измерителей уровня частотных искажений, вносимых частотно-зависимыми устройствами. Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в повышении информативности оценки частотных искажений, вносимых четырехполюсником в исходный сигнал. Способ оценки частотных искажений четырехполюсника состоит в определении амплитудно-частотной характеристики четырехполюсника, при этом находят среднее значение амплитудно-частотной характеристики, каждое значение амплитудно-частотной характеристики уменьшают на величину среднего значения, затем из полученной величины выделяют ее абсолютное значение или возводят ее в квадрат. Полученную таким образом величину, являющуюся функцией частоты, интегрируют в пределах диапазона исследуемых частот, после чего измеряют значение величины, полученной в результате интегрирования, измеренное значение является оценкой частотных искажений. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ оценки частотных искажений четырехполюсника, состоящий в определении амплитудно-частотной характеристики четырехполюсника, отличающийся тем, что находят среднее значение амплитудно-частотной характеристики, каждое значение амплитудно-частотной характеристики уменьшают на величину среднего значения, затем из полученной величины выделяют ее абсолютное значение, полученную таким образом величину, являющуюся функцией частоты, интегрируют в пределах диапазона исследуемых частот, после чего измеряют значение величины, полученной в результате интегрирования, измеренное значение является оценкой частотных искажений.2. Способ оценки частотных искажений четырехполюсника, состоящий в определении амплитудно-частотной характеристики четырехполюсника, отличающийся тем, что находят среднее значение амплитудно-частотной характеристики, каждое значение амплитудно-частотной характеристики уменьшают на величину среднего значения, затем полученную величину возводят в квадрат, полученную таким образом величину, являющуюся функцией частоты, интегрируют в пределах диапазона исследуемых частот, после чего измеряют значение величины, полученной в результате интегрирования, измеренное значение является оценкой частотных искажений.