УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ Российский патент 2008 года по МПК G01R23/20 

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений и позволяет оценивать наличие и степень нелинейных искажений в четырехполюсниках при прохождении через них случайных сигналов. Алгоритм функционирования устройства позволяет применять его, в частности, для непрерывного контроля звуковоспроизводящих трактов, находящихся в рабочем режиме.

Уже известен способ статистической оценки нелинейных искажений, согласно которому вычисляют отдельно математические ожидания положительной и отрицательной составляющих сигнала, поступающего на вход исследуемого четырехполюсника, и вычисляют их отношение, вычисляют отдельно математические ожидания положительной и отрицательной составляющих сигнала, прошедшего исследуемый четырехполюсник, и вычисляют их отношение, оценкой степени нелинейности исследуемого четырехполюсника является разность полученных значений [Пат. RU 2244314 С2. Опубл. 10.01.2005, Бюл. №1]. Устройство, реализующее данный способ, содержит два блока деления (измерителя отношения), два статистических блока и блок вычитания, выход которого является информационным выходом устройства, первым тестовым входом которого служит вход первого статистического блока, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам первого блока деления, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом второго блока деления, к первому и второму входам которого подключены соответственно первый и второй выходы второго статистического блока, вход которого является вторым тестовым входом устройства. Данное устройство может быть принято в качестве прототипа заявленного изобретения.

Недостатком устройства-прототипа является его ограниченные функциональные возможности.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей за счет дополнительной оценки коэффициента усиления исследуемого четырехполюсника.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для статистической оценки нелинейных искажений, содержащем два блока деления (измерителя отношения), два статистических блока и блок вычитания, выход которого является информационным выходом устройства, первым тестовым входом которого служит вход первого статистического блока, первый выход которого подключен к первому входу первого блока деления, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом второго блока деления, к первому входу которого подключен первый выход второго статистического блока, вход которого является вторым тестовым входом устройства, согласно изобретению второй выход первого статистического блока подключен ко второму входу второго блока деления, второй выход второго статистического блока подключен ко второму входу первого блока деления.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показаны графики, иллюстрирующие способ оценки нелинейных искажений, на фиг.2 - функциональная схема устройства для его осуществления.

Графическое представление по фиг.1 содержит передаточную (статическую амплитудную) характеристику y=f(x) исследуемого четырехполюсника (усилителя 6), фрагменты входного x(t) и выходного y(t) сигналов, точку покоя (х₀, у₀) на передаточной характеристике y=f(x), границы рабочего участка (x₁, y₁), (х₂, у₂), а также средние значения крутизны передаточной характеристики в области положительных значений S_cp(x⁺) усиливаемого сигнала и в области отрицательных значений S_cp(x^-).

Функциональная схема (фиг.2) устройства статистической оценки нелинейных искажений содержит два статистических блока 1, 2, два блока деления 3, 4, блок вычитания 5 и исследуемый усилитель 6 с сопротивлением нагрузки R_L. Первым тестовым входом x(t) устройства служит вход статистического блока 2, выход М(х^-) которого подключен к первому входу блока 4 деления, выход которого соединен с первым входом блока 5 вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока 3 деления, к первому входу которого подключен выход М(у⁺) статистического блока 1, вход которого является вторым тестовым входом y(t} устройства, вход и выход усилителя 6 подключены соответственно к первому x(t) и второму y(t) тестовым входам устройства, выход M(x⁺) блока 2 соединен со вторым входом блока 3, выход М(у^-) блока 1 соединен со вторым входом блока 4. Выходом μ устройства является выход блока 5 вычитания.

Суть способа статистической оценки нелинейных искажений состоит в разделении центрированного знакопеременного случайного процесса x(t) на положительную x⁺(t) и отрицательную x^-(t) составляющие, измерении для каждой из них математического ожидания М(x⁺) и М(х^-) и определения как изменяется отношение математических ожиданий после прохождения сигналом x(t) четырехполюсника, который по предположению и должен внести нелинейные искажения.

Зададим разнополярные составляющие процесса x{t) следующим образом

где T₁ - множество значений t, при которых x(t)≥0;

Т₂ - множество значений t, при которых x(t)<0.

Для каждой из составляющих x⁺(t) и x^-(t) не представляет труда получить аппаратным путем оценку математического ожидания

и

где ΔТ⁺ - суммарная длительность положительной составляющей x⁺(t) на участках, где функция x⁺(t) отлична от нуля;

ΔT^- - аналогичный параметр для x^-(t).

Физическая суть нелинейного преобразования заключается в том, что различные по величине внешние возмущения вызывают различную реакцию четырехполюсника на эти возмущения. Следовательно, если передаточная характеристика усилителя y=f(x) на рабочем участке с границами (x₁, y₁) и (х₂, у₂) имеет вид монотонной нелинейной функции (фиг.1), то положительная x⁺(t) и отрицательная x^-(f) составляющие случайного сигнала x(t) будут усиливаться по-разному в зависимости от крутизны S(x) передаточной характеристики на конкретных участках. Допустим, что среднее значение крутизны в области x(t)<0 равно S_cp(x^-)=tgα₁, а в области x(t)>0-S_cp(x⁺)=tgα₂ (α₁, α₂ - углы между аппроксимирующими прямыми, показанными штриховыми линиями и осью х (см. фиг.1)). Тогда, полагая, что

y⁺(t)=S_cp(x⁺)x⁺(t) и y^-{t)=S_cp(x^-)x^-{t),

найдем оценки математических ожиданий положительной M(y⁺(t) и отрицательной составляющих M(y^-(t)) сигнала y(f) на выходе усилителя (четырехполюсника) с характеристикой y=f(x):

Отношение выражений (3) и (4) с учетом (1) и (2) позволяет получить следующую запись

Из (5) легко видеть, что если S_cp(x⁺)=S_cp(x^-), то или

Показанное равенство (6) описывает случай отсутствия нелинейных искажений. При появлении искажений равенство (6) нарушается. Следовательно, в качестве числового показателя степени нелинейных искажений можно использовать разность

При отсутствии искажений, то есть при линейной передаточной характеристике, μ=0. По тому, насколько значение величины μ отличается от нуля, судят о степени нелинейных искажений.

Учитывая, что разность, определяемая выражением (7), может иметь как положительный, так и отрицательный знак, то в случаях если знак разницы для исследователя не несет дополнительной информации, за показатель нелинейных искажений можно принять модуль величины μ.

Важно отметить, что в формуле (7) отношения математических ожиданий есть не что иное, как коэффициенты усиления на участках передаточной характеристики (фиг.1), соответствующих положительной и отрицательной составляющим усиливаемого сигнала.

Принцип функционирования устройства, реализующего первый вариант вышеописанного способа, легко понять из функциональной схемы (фиг.2). Откуда видно, что входной x{t) и выходной y(f) сигналы поступают в статистические блоки 2 и 1 соответственно, в которых вычисляются математические ожидания M(x⁺{t)), M(x^-{t)) (блок 2) и M(y⁺{t}), M(y^-(t)) (блок 1). Отношения математических ожиданий M(y⁺(t)/M{x⁺{t)) с выхода блока 3 и M(y^-(t))/M{x^-(t}) с выхода блока 4 поступают в блок 5 вычитания, на выходе которого имеем оценку искомой величины μ, определяемую выражением (7). При этом, кроме оценки нелинейных искажений, устройство позволяет определить и коэффициент усиления: на выходе блока 3 будет получена величина, соответствующая коэффициенту усиления в области положительных полуволн, на выходе блока 4 - в области отрицательных полуволн.

Работа устройства (устройство не показано), реализующего п.5 формулы изобретения, происходит рассмотренным выше образом, за исключением того, что на информационный выход устройства результат μ поступает без знака.

Сигналом x{t), выполняющим роль тестового, может быть любой центрированный знакопеременный процесс: как детерминированный, так и случайный. Это позволяет использовать для тестирования усилителей реальный случайный сигнал с произвольным спектром, поступающий на вход усилителя в рабочем режиме. Эта же особенность позволяет применять способ и устройство для автоматизированного непрерывного контроля нелинейных искажений в усилительном тракте без вмешательства в работу самого тракта. Необходимым условием является лишь установление связи выхода исследуемого (контролируемого) усилителя и входа устройства (фиг.2) только по переменному току, что достаточно просто обеспечивается включением разделительного конденсатора между выходом усилителя 6 и входом блока 1, если такое не предусмотрено в схеме самого усилителя 6. Другими словами, сигнал y(t), поступающий на вход блока 1, не должен содержать постоянных составляющих, также как и x(t).

Поскольку тестовым сигналом может являться реальный случайный сигнал со сплошным спектром, то следует учитывать возможность неравномерного (неодинакового) усиления всех частотных компонент, что, в свою очередь, может привести к еще одной составляющей погрешности. В том случае, если неравномерность амплитудно-частотной характеристики действительно способна повлиять на результат, целесообразно на входы блоков 1, 2 подавать сигналы в ограниченный полосе частот, неравномерностью частотной характеристики усилителя в пределах которой можно пренебречь.

Один из вариантов исполнения статистического блока 1 (2) представлен в [Пат. RU 2244314 С2. Опубл. 10.01.2005, Бюл. №1].

Предложенное изобретение относится к области электрорадиоизмерений и позволяет оценивать наличие и степень нелинейных искажений в четырехполюсниках при прохождении через них случайных сигналов. Технический результат, достигаемый при использовании данного изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей за счет дополнительной оценки коэффициента усиления исследуемого четырехполюсника. Устройство для статистической оценки нелинейных искажений, содержащее два блока деления, два статистических блока и блок вычитания, выход которого является информационным выходом устройства, первым тестовым входом которого служит вход первого статистического блока, первый выход которого подключен к первому входу первого блока деления, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом второго блока деления, к первому входу которого подключен первый выход второго статистического блока, вход которого является вторым тестовым входом устройства, второй выход первого статистического блока подключен ко второму входу второго блока деления, второй выход второго статистического блока подключен ко второму входу первого блока деления. 2 ил.

Устройство для статистической оценки нелинейных искажений, содержащее два блока деления, два статистических блока и блок вычитания, выход которого является информационным выходом устройства, первым тестовым входом которого служит вход первого статистического блока, первый выход которого подключен к первому входу первого блока деления, выход которого соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом второго блока деления, к первому входу которого подключен первый выход второго статистического блока, вход которого является вторым тестовым входом устройства, отличающееся тем, что второй выход первого статистического блока подключен ко второму входу второго блока деления, второй выход второго статистического блока подключен ко второму входу первого блока деления.