СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ СИГНАЛОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2023 года по МПК G01R23/20 

Изобретение относится к области радиоизмерений и позволяет определять уровень нелинейных искажений, вносимых в тестовые сигналы исследуемыми устройствами. В частности, изобретение может применяться для контроля качества усилителей различного назначения, отличающихся малыми нелинейными искажениями.

В качестве прототипа выбран широкоизвестный спектральный способ определения нелинейных искажений сигналов, предусматривающий генерацию и подачу тестового моногармонического сигнала на вход устройства, вносящего искажения, определение спектра выходного сигнала устройства и измерение в логарифмическом масштабе уровней гармоник (спектральных составляющих), определение разности между первой гармоникой (спектральной составляющей), являющейся основной, и дополнительными гармониками (спектральными составляющими), появившимися в спектре выходного сигнала, и получение оценки уровня нелинейных искажений, выраженной в децибелах, в виде затухания нелинейности по выбранной n-й гармонике, то есть получение логарифма отношения первой гармоники и выбранной n-й. Способ и его вариации описаны в различных источниках, см., например, [Головин О.В., Кубицкий А.А. Электронные усилители. - М.: Радио и связь, 1983, стр. 26; А.с. СССР №754325. Способ измерения коэффициента гармоник четырехполюсника на заданном уровне мощности / Е.И. Боднева, Р.А. Русакова. - Опубл. 10.08.1980].

Способ длительное время считался достаточно трудоемким и редко применялся, несмотря на вполне простую и понятную с физической точки зрения суть применяемого критерия: уменьшение объема продуктов искажений с увеличением частоты (затухание нелинейности). Сложность его применения была обусловлена необходимостью проведения спектрального анализа с точностью, позволяющей без ущерба для исследований оценить уровень каждой внесенной в исходный сигнал спектральной составляющей в достаточно широком диапазоне частот и амплитуд. Однако интенсивное развитие цифровых методов обработки сигналов и появление необходимой элементной базы позволило к сегодняшнему дню получить в распоряжение специалистов достаточно обширный парк как специализированных измерителей - быстродействующих цифровых спектроанализаторов с высоким разрешением, так и универсальных приборов более низкой точности, выполняющих спектральный анализ как одну из многих функций. В то же время несмотря на ставшие более доступными аппаратурные возможности, широкое применение способа все же сдерживается его невысокой информативностью, поскольку получение даже с достаточно высокой точностью оценки затухания нелинейности по конкретной гармонике не позволяет оценить по данному числовому показателю общую картину искажений и оказывается полезным лишь при малом объеме продуктов нелинейных искажений, когда можно довольствоваться относительным уровнем второй или третьей гармоник.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в повышении информативности способа за счет введения двухкомпонентной оценки нелинейных искажений, учитывающей как совокупный объем появившихся гармоник, так и ширину их спектра.

Технический результат достигается тем, что в способе определения нелинейных искажений сигналов (вариант 1), предусматривающем генерацию и подачу тестового моногармонического сигнала на вход устройства, вносящего искажения, определение спектра выходного сигнала устройства и измерение уровней спектральных составляющих в логарифмическом масштабе, определение разности между основной спектральной составляющей и спектральными составляющими, появившимися в спектре выходного сигнала, согласно изобретению, предварительно измеряют уровень шумов на выходе устройства без тестового сигнала на входе, задают в логарифмическом масштабе порог фильтрации по амплитуде спектральных составляющих выше уровня шумов, удаляют из спектра выходного сигнала все спектральные составляющие ниже по амплитуде порога фильтрации, измеряют уровень каждой спектральной составляющей после амплитудной фильтрации, представляя уровни спектральных составляющих в логарифмическом масштабе, после чего вычисляют среднеарифметическое значение разностей между основной спектральной составляющей и другими, прошедшими амплитудную фильтрацию и представленными в логарифмическом масштабе, измеряют ширину спектра выходного сигнала после фильтрации, оценкой нелинейных искажений является вектор, состоящий из вышеуказанного среднего значения и ширины спектра выходного сигнала.

Технический результат достигается тем, что в способе определения нелинейных искажений сигналов (вариант 2), предусматривающем генерацию и подачу тестового моногармонического сигнала на вход устройства, вносящего искажения, определение спектра выходного сигнала устройства и измерение уровней спектральных составляющих в логарифмическом масштабе, определение разности между основной спектральной составляющей и спектральными составляющими, появившимися в спектре выходного сигнала, согласно изобретению, предварительно измеряют уровень шумов на выходе устройства без тестового сигнала на входе, задают в логарифмическом масштабе порог фильтрации по амплитуде спектральных составляющих выше уровня шумов, удаляют из спектра выходного сигнала все спектральные составляющие ниже по амплитуде порога фильтрации, измеряют уровень каждой спектральной составляющей после амплитудной фильтрации, представляя уровни спектральных составляющих в логарифмическом масштабе, после чего вычисляют среднеарифметическое значение спектральных составляющих, кроме основной, прошедших амплитудную фильтрацию и представленных в логарифмическом масштабе, вычисляют разность между основной спектральной составляющей и результатом вычисления среднеарифметического значения спектральных составляющих, кроме основной, измеряют ширину спектра выходного сигнала после фильтрации, оценкой нелинейных искажений является вектор, состоящий из вышеуказанной разности и ширины спектра выходного сигнала.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг. 1 показана функциональная схема измерителя, реализующего заявленный способ, на фиг. 2 представлены примеры спектрограмм, описывающие два случая нелинейных искажений и иллюстрирующие изобретение. На фиг. 3 показана функциональная амплитудного селектора.

Схема по фиг. 1 содержит генератор 1 синусоидальных сигналов, исследуемый усилитель 2 (не входит в состав измерителя) с подключенной нагрузкой с сопротивлением R_L, спектроанализатор 3, управляемый амплитудный селектор 4 и вычислительный блок 5, вход исследуемого усилителя 2 подключен к выходу генератора 1, а выход ко входу спектроанализатора 3, выход которого соединен с сигнальным входом амплитудного селектора 4, выход которого соединен с сигнальным входом вычислительного блока 5, выход которого является выходом измерителя. Управляющий вход амплитудного селектора 4 является входом lgS₀ задания порога фильтрации измерителя.

Графики по фиг. 2 содержат спектральные составляющие, представляющие собой модули комплексных коэффициентов дискретного преобразования Фурье (ДПФ) |S(n)|, представленные в логарифмическом масштабе 10lg|S(n)|, распределенные вдоль оси частот ƒ с шагом 10 МГц. Причем n - номер гармоники (спектральной составляющей), начиная с первой, соответствующей частоте n ƒ₁, а ƒ₁ - частота тестового синусоидального сигнала и соответственно первой гармоники, которой соответствует коэффициент |S(1)|. На графиках (фиг. 2, а и фиг. 2, б) показаны различные случаи появления нелинейных искажений, отличающихся количеством и уровнем появившихся гармоник.

Амплитудный селектор по схеме, приведенной на фиг. 3, содержит цифровой компаратор 6, буферный регистр 7 и многоразрядный ключ 8, выход которого является выходом амплитудного селектора, входом которого является первый вход компаратора 6, второй вход которого соединен с выходом регистра 7, вход которого является входом задания порога фильтрации, выход компаратора 6 соединен с разрешающим входом ключа 8, вход которого подключен ко входу амплитудного селектора.

Идея, лежащая в основе заявленного способа определения нелинейных искажений, заключается в получении оценки среднего затухания нелинейности s и одновременного определения ширины спектра появившихся гармоник Δƒ, с представлением результата в виде двухкомпонентного вектора вида . Действия, связанные с получением показателя s, являющегося средним затуханием нелинейности на выбранном участке Δƒ, по первому варианту способа (см. п. 1 формулы изобретения) можно представить в виде несложной математической записи

Выражение (1) целесообразно привести к виду

При этом, учитывая, что

получим следующую запись:

Из формулы (2) видно, что в знаменателе под знаком логарифма находится среднее геометрическое спектральных компонент начиная с n=2, т.е. появившихся в спектре выходного сигнала дополнительных гармоник. Причем, чем меньше среднее геометрическое значение, тем больше отношение под знаком логарифма и, следовательно, выше уровень затухания нелинейности s. Заметим, что если выражать значения s в децибелах, то формула (3) примет вид

а формула (1) - вид

Поясним процесс определения нелинейных искажений, обращаясь к схеме измерителя, показанной на фиг. 1. Предварительно оценивают уровень шумов на выходе спектроанализатора 3 при подключенном исследуемом усилителе 2, но при отсутствующем тестовом сигнале на выходе генератора 1. После определения уровня шумов, например, по максимальному смещению вдоль оси ординат огибающей сплошного спектра, задают в децибелах пороговый уровень 10lsS₀, который должен быть обязательно выше относительного уровня шумов Е, но, в частности, при заданном минимальном требуемом уровне выявления спектральных составляющих должен быть не выше указанного минимального уровня, то есть в частном случае может быть задано условие . Далее на вход исследуемого усилителя 2 подают тестовый моногармонический сигнал с частотой ƒ₁ и амплитудой, определяемыми характеристиками усилителя 2, которые, в свою очередь, задают исходные требования к параметрам указанного тестового сигнала. Полученные в результате анализа в блоке 3 спектральные составляющие S(n), например, путем выполнения операций дискретного преобразования Фурье над исследуемым сигналом, направляются через амплитудный селектор 4 в вычислительный блок 5, в котором определяется среднее затухание нелинейности s согласно формуле (1) или (4), в зависимости от того, в каких единицах представлены результаты спектрального анализа. Причем на выход амплитудного селектора проходят только те спектральные составляющие S(n), уровень которых выше заданного порога фильтрации lgS₀ (фильтрация необходима для снижения избыточности представления данных и ускорения процесса дальнейшей обработки). Для задания величины lgS₀ в амплитудном селекторе предусмотрен вход lgiS₀. Одновременно в вычислительном блоке 5 определяется ширина спектра гармоник Δƒ как результат умножения значения ƒ₁ на номер n наивысшей гармоники (спектральной составляющей) прошедшей на выход селектора 4. Таким образом определяются компоненты вектора искажений .

Проиллюстрируем вышеописанное примером оценки уровня нелинейных искажений, вносимых исследуемым усилителем в тестовый синусоидальный сигнал с частотой 10 МГц и уровнем 10,3 дБм. Коэффициент усиления исследуемого усилителя на указанной частоте около 0 дБ. В данном случае после оценки уровня шумов был выбран порог фильтрации -45 дБм (см. фиг. 2, а), выше которого оказались две спектральные составляющие: четвертая и пятая гармоники. Среднее затухание s, вычисленное по формуле (4) составляет 52,3 дБ, а ширина спектра гармоник, превышающих порог, как это видно из графика, составляет 40 МГц, т.е. K={52,3 дБ; 40 МГц}. В другом примере (см. фиг. 2, б) уровень нелинейных искажений выше, так как сигнал проходит больший участок нелинейной характеристики исследуемого устройства вследствие увеличенной амплитуды на входе: уровень первой гармоники составляет 12 дБ. При том же пороге фильтрации учету подлежат 11 гармоник, не считая основной. Среднее затухание s в этом случае составит 50,54 дБ, а ширина спектра гармоник 110 МГц; показатель искажений K={50,54 дБ; 110 МГц}.

Второй вариант способа (см. п. 4 формулы изобретения) отличается от первого тем, что среднее затухание нелинейности s измеряют, первоначально определив среднеарифметическое значение уровней спектральных составляющих S(n), прошедших амплитудную фильтрацию, после чего вычисляют разность между основной спектральной составляющей |S(l)| и результатом вычисления среднеарифметического значения спектральных составляющих, кроме основной. Указанное можно представить в виде записи:

или, если спектральные составляющие выражены в децибелах,

В данном случае в блоке 5 среднее определяется по формулам (5) или (6), в зависимости от принятых единиц измерения.

Несложно убедиться, что критерии, выражаемые формулами (5) и (1) в количественном отношении равны. Для этого достаточно переписать (1) в виде:

Далее учитывая, что , приходим к равенству:

Необходимо отметить, что во всех вышеприведенных формулах, включая (3), (4) и (6), во избежание громоздкого вида выражений сделано допущение, согласно которому под знаками логарифмов присутствуют непосредственно спектральные составляющие |S(n)|, носящие смысл средней мощности, а не нормированные величины. В то же время введенное допущение не влияет на суть излагаемого материала, так как в этом случае |S(n)| будут отличаться от нормированных величин лишь постоянными коэффициентами, одинаковыми для всех |S(n)| (n=1,2…N).B частности, если в спектроанализаторе аппаратурная оценка уровней |S_A(n)| осуществляется в милливаттах, то при общепринятом подходе определения уровней в радиочастотной технике в единицах дБм, следует исходить из того, что .

Один из возможных вариантов построения амплитудного селектора 4 показан на функциональной схеме по фиг. 3. Работа селектора сводится к сравнению кода на первом входе компаратора 6 (вход селектора) с опорным кодом lgS₀, подаваемым на второй его вход (справа по схеме на фиг. 3). Хранится опорный код в регистре 7, в который заносится предварительно, до начала процесса определения спектра выходного сигнала исследуемого усилителя 2. В случае равенства кодов или превышения значения входного кода значения опорного, на выходе компаратора формируется высокий логический уровень, играющий роль разрешающего для многоразрядного ключа 8. В результате на выход ключа 8 со входа селектора передаются цифровые отсчеты, уровень которых не меньше порога фильтрации lgS₀. Отметим, что амплитудный селектор может быть выполнен и на основе универсальных микропроцессоров, а также совмещен с вычислительным блоком 5. Причем последний целесообразно реализовать программно, с использованием вычислительных ресурсов универсальных компьютеров.

Изобретение относится к области радиоизмерений и позволяет определять уровень нелинейных искажений, вносимых в тестовые сигналы исследуемыми устройствами. В частности, изобретение может применяться для контроля качества усилителей различного назначения, отличающихся малыми нелинейными искажениями. Способ предусматривает предварительное определение уровня шумов на выходе исследуемого устройства, вносящего искажения, задание порога амплитудной фильтрации гармоник, исходя из уровня шумов, генерацию тестового сигнала, определение спектра сигнала после прохождения исследуемого устройства и вычисление среднего затухания нелинейности в полосе частот. Числовым показателем искажений является двухкомпонентный вектор. Варианты способа отличаются измерительными процедурами, касающимися получения среднего уровня гармоник - спектральных составляющих, полученных при разложении исследуемого сигнала. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение информативности процесса определения нелинейных искажений за счет получения двухкомпонентной оценки нелинейных искажений, учитывающей как совокупный объем появившихся гармоник, так и ширину их спектра. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения нелинейных искажений сигналов, предусматривающий генерацию и подачу тестового моногармонического сигнала на вход устройства, вносящего искажения, определение спектра выходного сигнала устройства и измерение уровней спектральных составляющих в логарифмическом масштабе, определение разности между основной спектральной составляющей и спектральными составляющими, появившимися в спектре выходного сигнала, отличающийся тем, что предварительно измеряют уровень шумов на выходе устройства без тестового сигнала на входе, задают в логарифмическом масштабе порог фильтрации по амплитуде спектральных составляющих выше уровня шумов, удаляют из спектра выходного сигнала все спектральные составляющие ниже по амплитуде порога фильтрации, измеряют уровень каждой спектральной составляющей после амплитудной фильтрации, представляя уровни спектральных составляющих в логарифмическом масштабе, после чего вычисляют среднеарифметическое значение разностей между основной спектральной составляющей и другими, прошедшими амплитудную фильтрацию и представленными в логарифмическом масштабе, измеряют ширину спектра выходного сигнала после фильтрации, оценкой нелинейных искажений является вектор, состоящий из вышеуказанного среднего значения и ширины спектра выходного сигнала.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что спектр выходного сигнала определяют путем выполнения операций дискретного преобразования Фурье над указанным сигналом.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что порог фильтрации задают не выше минимально допустимого уровня спектральных составляющих, участвующих в определении нелинейных искажений сигналов.

4. Способ определения нелинейных искажений сигналов, предусматривающий генерацию и подачу тестового моногармонического сигнала на вход устройства, вносящего искажения, определение спектра выходного сигнала устройства и измерение уровней спектральных составляющих в логарифмическом масштабе, определение разности между основной спектральной составляющей и спектральными составляющими, появившимися в спектре выходного сигнала, отличающийся тем, что предварительно измеряют уровень шумов на выходе устройства без тестового сигнала на входе, задают в логарифмическом масштабе порог фильтрации по амплитуде спектральных составляющих выше уровня шумов, удаляют из спектра выходного сигнала все спектральные составляющие ниже по амплитуде порога фильтрации, измеряют уровень каждой спектральной составляющей после амплитудной фильтрации, представляя уровни спектральных составляющих в логарифмическом масштабе, после чего вычисляют среднеарифметическое значение спектральных составляющих, кроме основной, прошедших амплитудную фильтрацию и представленных в логарифмическом масштабе, вычисляют разность между основной спектральной составляющей и результатом вычисления среднеарифметического значения спектральных составляющих, кроме основной, измеряют ширину спектра выходного сигнала после фильтрации, оценкой нелинейных искажений является вектор, состоящий из вышеуказанной разности и ширины спектра выходного сигнала.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что спектр выходного сигнала определяют путем выполнения операций дискретного преобразования Фурье над указанным сигналом.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что порог фильтрации задают не выше минимально допустимого уровня спектральных составляющих, участвующих в определении нелинейных искажений сигналов.