СПОСОБ ОЦЕНКИ ЧАСТОТНЫХ ИСКАЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 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.

Прототипом является способ оценки частотных искажений, при котором определяют нормированную амплитудно-частотную характеристику четырехполюсника и формируют выходное напряжение, мгновенные значения которого определяют значения нормированной амплитудно-частотной характеристики, далее выходное напряжение уменьшают на единицу, затем из полученного напряжения выделяют его абсолютное значение и полученное напряжение интегрируют в пределах его действия, оценкой частотных искажений является измеренное значение напряжения после интегрирования [Пат. РФ № 2241233. Опубл. 27.11.2004. Бюл. № 33].

Для реализации способа-прототипа служит устройство, содержащее генератор тестового сигнала, спектроанализатор, блок вычитания, блок выделения модуля и интегратор, выход которого является выходом измерителя, выход спектроанализатора соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого служит для подачи на него фиксированного напряжения, выход блока вычитания соединен со входом блока выделения модуля, выход которого соединен со входом интегратора, вход спектроанализатора служит тестовым входом измерителя, тестовым выходом которого является выход генератора тестового сигнала [Пат. РФ № 2241234. Опубл. 27.11.2004. Бюл. № 33].

Недостатком способа, так же как и устройства, его осуществляющего, являются ограниченные функциональные возможности - описанные технические решения не позволяют оценивать частотные искажения на рабочем сигнале и требуют перевода четырехполюсника в специальный тестовый режим.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в обеспечении возможности оценки частотных искажений, возникающих в четырехполюснике при прохождении через него полезного сигнала в рабочем режиме, без отключения четырехполюсника и без подачи на его вход специального тестового сигнала.

Технический результат достигается тем, что в способе оценки частотных искажений четырехполюсника, согласно изобретению измеряют опорный коэффициент усиления в опорной полосе частот, измеряют полосные коэффициенты усиления в N частотных полосах, лежащих в диапазоне исследуемых частот и отличных от опорной, определяют N разностей полосных коэффициентов усиления и опорного, находят среднеквадратическое значение полученных N разностей, оценкой частотных искажений является найденное среднеквадратическое значение, уменьшенное в число раз, равное опорному коэффициенту усиления.

В частном случае опорная полоса частот может лежать в средней части диапазона исследуемых частот четырехполюсника.

Технический результат достигается также тем, что устройство для оценки частотных искажений согласно изобретению содержит измеритель опорного коэффициента усиления, измеритель полосных коэффициентов усиления и функциональный преобразователь, выход которого является выходом устройства, первым тестовым входом которого служат первые объединенные входы измерителей, вторые объединенные входы которых служат вторым тестовым входом устройства, выходы измерителей подключены к соответствующим входам функционального преобразователя.

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. На фиг.3 показана функциональная схема измерителя 1 опорного коэффициента усиления. На фиг.4 показана функциональная схема измерителя 2 полосных коэффициентов усиления.

Фиг.1 содержит пример зависимости коэффициента усиления К(ω) исследуемого четырехполюсника 4 от частоты ω, в диапазоне от ω_min до ω_max, который поделен на 11 равных частотных полос шириной Δω=Δω₁=Δω₂=...=Δω₀=...=Δω₁₀, включая опорную, каждой из которых отвечает коэффициент усиления K(Δω₁), K(Δω₂), ... K(Δω₀), ... K(Δω₁₀) соответственно, причем K(Δω₀)=К₀.

Функциональная схема по фиг.2 содержит измеритель 1 опорного коэффициента усиления, измеритель 2 полосных коэффициентов усиления, функциональный преобразователь 3 и тестируемый усилитель 4 (исследуемый четырехполюсник) с подключенной нагрузкой R_L, выход функционального преобразователя 3 является выходом устройства, первым тестовым входом которого служат первые объединенные входы измерителей 1, 2, вторые объединенные входы которых служат вторым тестовым входом устройства, выходы измерителей 1, 2 подключены к соответствующим входам функционального преобразователя 3. Первый тестовый вход устройства объединен со входом усилителя 4, а второй тестовый вход подключен к выходу усилителя 4.

Функциональная схема по фиг.3 содержит полосовые фильтры (ПФ) 5, 8, детекторы 6, 9, фильтры 7, 9 нижних частот (ФНЧ) и делитель 11, выход которого является выходом измерителя, первым входом Вх1 которого, предназначенным для подключения к первому тестовому входу устройства, является вход ПФ 8, выход которого соединен со входом детектора 9, выход которого соединен со входом ФНЧ 10, выход которого соединен с первым входом делителя 11, второй вход которого (вход делимого) соединен с выходом ФНЧ 7, вход которого соединен с выходом детектора 6, вход которого соединен с выходом ПФ 5, вход которого является вторым входом Вх2 измерителя и предназначен для подключения ко второму тестовому входу устройства.

Измеритель 2 полосных коэффициентов усиления (фиг.4) состоит из N идентичных блоков 2-1÷2-N, выходы которых являются выходом измерителя, а одноименные входы объединены и являются входами измерителя Вx1 и Вх2, предназначенными для подключения соответственно к первому и второму тестовым входам устройства (фиг.2). В состав блока 2-1 входят ПФ 12, 15, детекторы 13, 16, ФНЧ 14, 17 и делитель 18, выход которого является выходом блока, первым входом Вх1 которого является вход ПФ 15, выход которого соединен со входом детектора 16, выход которого соединен со входом ФНЧ 17, выход которого соединен с первым входом делителя 18, второй вход которого (вход делимого) соединен с выходом ФНЧ 14, вход которого соединен с выходом детектора 13, вход которого соединен с выходом ПФ 12, вход которого является вторым входом Вх2 блока.

В качестве критерия оценки частотных искажений принята относительная величина δ_k, показывающая как отличаются полосные коэффициенты усиления K(Δω_n) (коэффициент усиления исследуемого четырехполюсника в полосе Δω_n) от выбранной опорной величины К₀:

где Δω_n - полоса частот, в пределах диапазона исследуемых частот, с центральной частотой ω_n;

n - порядковый номер полосы частот;

N- количество полос;

К₀ - опорный коэффициент усиления исследуемого четырехполюсника, измеренный в опорной полосе частот Δω₀ с центральной частотой ω₀.

При отсутствии частотных искажений для всех n выполняется равенство

и следовательно, δ_k=0. Случай наличия частотных искажений показан на фиг.1. В данном примере опорная полоса Δω₀ выбрана в средней части рабочего диапазона частот четырехполюсника, где обычно искажения минимальны, а оставшаяся часть диапазона разбита на десять полос. Из графика легко видеть, что среднеквадратическое отклонение полосных коэффициентов K(Δω_n) от опорного будет отлично от нуля, следовательно отличной от нуля будет и величина δ_k, что свидетельствует о вносимых в исходный сигнал u_вх(t) частотных искажениях. С ростом искажений увеличивается и δ_k.

Выбор опорной полосы является сугубо условным. Полосу Δω₀ можно выбрать как в средней части частотного диапазона, 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.

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, требующее дополнительных вычислительных затрат, 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 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.

Функциональный состав устройства (фиг.2), реализующего способ, определяется из вышеприведенного выражения для δ_k. На вход исследуемого четырехполюсника 4 подают любой входной сигнал u_вх(t), занимающий диапазон частот, в пределах которого оценивают вносимые искажения. На входы измерителей 1, 2 коэффициентов усиления поступают как вышеуказанный сигнал u_вх(t), так и выходной u_вых(t), который может быть подвержен искажениям. Результаты измерения опорного коэффициента усиления К₀ и полосных K(Δω_n) подаются на входы функционального преобразователя 3, вычисляющего величину δ_k по формуле, приведенной на стр.3.

Для измерения коэффициентов усиления могут использоваться известные схемы, например, показанные на фиг.3, 4. Входной и выходной сигналы исследуемого четырехполюсника 4, поступающие на входы измерителя (фиг.3), Bх1 и Вх2 соответственно, проходят через полосовые фильтры 5, 8, далее выпрямляются в цепочках 6-7, 9-10 и поступают на входы делителя 11, с выхода которого снимается сигнал, уровень которого соответствует измереннному коэффициенту усиления. Полосовые фильтры 5, 8 идентичны и настраиваются на опорную полосу Δω₀. Измеритель 2 полосных коэффициентов усиления в структурном отношении представляет собой многоканальное устройство, состоящее из N измерителей, построенных по схеме, приведенной на фиг.3 и отличающихся только параметрами настройки полосовых фильтров. Полосовые фильтры, входящие в их состав, настраиваются на выделение полос Δω₁, Δω₂,... Δω_N, в соответствии с выбранным диапазоном частот и количеством полос.

Способ оценки частотных искажений заключается в разделении спектра выходного сигнала на N+1 равных частотных полос. Измеряют опорный коэффициент усиления в опорной полосе частот, располагающейся в средней части спектра. Затем измеряют полосные коэффициенты усиления в N частотных полосах, лежащих в диапазоне исследуемых частот и отличных от опорной. Определяют N разностей полосных коэффициентов усиления и опорного, находят среднеквадратическое значение полученных N разностей. Полученное значение делят на значение опорного коэффициента усиления. Устройство содержит измеритель опорного коэффициента усиления, измеритель полосных коэффициентов усиления и функциональный преобразователь, выход которого является выходом устройства, первым тестовым входом которого служат первые объединенные входы измерителей, вторые объединенные входы которых служат вторым тестовым входом устройства, выходы измерителей подключены к соответствующим входам функционального преобразователя. Технический результат заключается в возможности определения частотных искажений в рабочем режиме четырехполюсника. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ оценки частотных искажений четырехполюсника, отличающийся тем, что измеряют опорный коэффициент усиления в опорной полосе частот, измеряют полосные коэффициенты усиления в N частотных полосах, лежащих в диапазоне исследуемых частот и отличных от опорной, определяют N разностей полосных коэффициентов усиления и опорного, находят среднеквадратическое значение полученных N разностей, оценкой частотных искажений является найденное среднеквадратическое значение, уменьшенное в число раз, равное опорному коэффициенту усиления.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что опорная полоса частот лежит в средней части диапазона исследуемых частот четырехполюсника.3. Устройство для оценки частотных искажений, отличающееся тем, что содержит измеритель опорного коэффициента усиления, измеритель полосных коэффициентов усиления и функциональный преобразователь, выход которого является выходом устройства, первым тестовым входом которого служат первые объединенные входы измерителей, вторые объединенные входы которых служат вторым тестовым входом устройства, выходы измерителей подключены к соответствующим входам функционального преобразователя.