Способ измерения нелинейных искажений электрического сигнала Советский патент 1990 года по МПК G01R23/20 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для выявления и оценки различных видов нелинейных искажений в звукотехнической аппаратуре, в частности в усилителях, акустических системах, звукозаписывающих и звуковоспроизводящих аппаратах.

Цель изоб ретения - расширение функциональных возможностей за счет измерения различных коэффициентов, нелинейных искажений: коэффициента гормоник, коэффициента интермодуляционных искажений, коэффициента разностного тона.

На чертеже показана структурная схема устройства, реализующего предлагаемый сггособ.

Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 измерительных сигналов, объект 2 измерений, амплитудный гильбертовский демодулятор, состоящий из широкополосного квадратурного фазовращателя 3, выходы которого через квадраторы 4 и 5 соединены с входами сумматора 6, выход которого соединен с входом контрольно-измерительного блока, состоящего из вольтметров постоянного 7 и переменного 8 тока.

Способ измерения заключается в следунщем.

Любой непрерывный сигнал можно представить в виде произведения двух функций

СП

ел ю

сь

A(t-) - S(i) cosCf(t),

где S(t) - огибающая, a (f(t) - текущая фаза сигнала. Для однознач- ного определения S(t) и lf(t) рас- сматривают пару сопряженных по Гильберту сигналов S(t) и 5A(t) тогда вместо пары сигналов S,S можно рассматривать комплексный сигнал

Z(t)S(t)+J S(t)s(t)expjCf(t)..

Так как связь между сигналом S(t) и его гильбертовыми модулирующими

функциями S(t), Ц (t) взаимно однозначна, любые искажения сигнала, возникающие в объекте измерений, являются нежелательными изменениями гильбертовой огибающей S(t) и гильберто- вой текущей фазы Cj (t). При нелинейных искажениях достаточно рассмотреть передачу гильбертовой огибающей.

Пусть на вход объекта 2 измерения подан какой-нибудь измерительный сигнал S(t), которому, соответствует комплексный гильбертовый сигнал Z(t). Обозначим выходной сигнал идеализированного неискажающего объекта измерения через S|.j(t) а соответствую- щий ему комплексный сигнал через Zu(t) Si,(t) cos (t). На выходе реального объекта 2 измерений появится искаженный сигнал Sn(t), которому ставится в соответствие комплексный сигнал Zp(t) Sp(t) cosCfp(t). Можно записать, что Sp(t) SH(t) + + SH(t), где SM (t) - нежелательная компонента реальной гильбертовой огибающей, обусловленная нелиней-

ностью объекта 2 измерения.

Составим отношение гильбертовых огибающих

.

, sH(t) suit)

(О

В качестве числового показателя искажений можно принять отношение

к SH

« S 7 Du

(2)

где SH, Вц - результаты измерения напряжений, представляющих собой функции Fh(t) и Sll(t). По малости искажений в звукотехнической аппаратуре всегда RH « Пи и К « 1.

Вместо отношения гильбертовых огибающих можно рассматривать отношение из квадратов

5

Sp(t) Sg(t)+2Sjt) SH(t) + S«(t)

ItT

11

-1 + s(t)

2 s-TtT

(з)

0

5

0

5 Q .

35

45

50

Поскольку конкретная форма измерительного сигнала S(t) не оговаривалась, показатель (2) универсален, в определенных условиях измерений он может с точностью до масштаба принимать значения частотных показателей нелинейности: коэффициента гармоник, коэффициента интермодуляционных искажений и др.

При измерении нелинейных искаже-. ний тональными методами, т.е. при измерительных сигналах в виде гармонического колебания или суммы гармонических колебаний, удобно в качестве Su принимать напряжение постоянной составляющей сигнала s5(t), которая по малости искажений приблизительно равна постоянной составляющей сигнала S(t)

Ru lim - | S(t)dt

T(J} lim i { sj(t)dt S0..

1 V

В качестве SH для тональных методов следует принять средне-квадратичное значение продуктов искажений, выделенных из спектра сигнала S.(t).

При реализации предлагаемого способа измерения нелинейных искажений по методу гармоник на вход объекта 2 измерений от генератора 1 гармонических колебаний подается.сигнал S со scot.

На выходе объекта измерения получается искаженный сигнал

sj) +Ч0 +

оо

+ 2LSn cos(n«t +Cfn).

Затем сигнал поступает на вход широкополосного квадратурного фазовра- щателя 3 и на двух его выходах ока- зываются сопряженные между собой по Гильберту сигналы

55S(t)S, cos («t +tf,) +

v(nwt +lfn) S, cos (Ot +

+ 41) + f((t);(4)

S(t) S, sin(wt +(f,)+ 2Z Snsinx х(п(Л +Cpn) S, sinfot + tf,) +

+ Mt)(5)

Пренебрегая слагаемыми f, (t) и fji (t) выходной сигнал сумматора 6 представляет собой

Sp(t) S4(t) + S(t) «: sf + 2S4

00Г i

2Isn cos(n-l )wt + ednj ,(6)

где edn lfn-Cf4.

Постоянная составляющая этого напряжения регистрируется вольтметром 7 постоянного тока и составляет

su S0 S,.

Спектральный состав переменной составляющей сигнала S.(t) соответствует спектру высших гармоник выходно го сигнала объекта 2 измерения: составляющая сигнала S«(t) с номером п образуется из составляющей сигнала Semx(t) с номером тем же умножением на константу 2S-4, сдвигом по частоте вниз на (,) и сдвигом по фазе. Среднеквадратичное значение переменной составляющей сигнала Sp(t) регистрируется вольтметром 8 переменного тока и составляет

1(2

S-S 2(8 Г

ьн- s, j 1 .

I- .

Значение показателя нелинейных ис- кажрний по Ьормулесо(2)

„(7)

о

к - п

кч §7

( п-г

s;1

Коэффициент гармоник определяется по формуле

I 22

у ...

„,

где Sn - амплитуды или среднеквадратичные значения гармоник. Из сравнения выражений (7) и (8) , следует, что

кг KU/-JF.

Следовательно, вольтметр 8 переменного тока можно отградуировать в значениях коэффициента гармоник Кг, а по шкале вольтметра 7 постоянного тока осуществить калибровку прибора.

552116

При реализации способа по методу взаимной модуляции1 на вход объекта 2 измерения поступает двухтональный

измерительный сигнал 5

SBX(t) S, cosЈt + S2 cosGDt

S, S2, GO Q ,

10

Начальными фазами гармонических функций здесь и далее будем пренебрегать .

Из-за нелинейности объекта 2 изме- с рения на его выходе появляются спектральные компоненты выходного сигнала с частотами:

К SI К 1,2,3,... - гармоники колебания с частотой; 2о ntOn 1,2,3,..,- гармоники колебания с частотой;

nCO±KS2 - суммовые и разностные комбинационные составляющие.

Комбинационные составляющие рас- 25 полагаются симметрично в двухсторонней окрестности частот пСл) и образуют боковые полосы амплитудной модуляции при колебании с частотой 05 его высших гармоник. Информативной 30 компонентой сигнала на выходе объекта 2 измерений в методе взаимной модуляции является первая гармоника колебания с частотой СО и принадлежащие ей боковые модуляционные полосы. Эта компонента вместе с амплитудно-моду35

лированными высшими гармониками колебания с частотой СО передается фильтром верхних частот на вход гильбертового амплитудного демоду- лятора, а неинформативная компонента с частотой G и его гармоники задерживаются.

Запишем информативную компоненту Сигнала в виде

45

S(t) S(l +2ImKcos Kct) cosCDt,

где Юц - коэффициент амплитудной модуляции колебания с частотой сОу и колебанием с частотой KQ . Она пред- 5о ставляет собой узкополосный сигнал, поэтому гильбертовая огибающая сигнала S(t) совпадает с обычной огибающей

55 Sp(t) S(l 4&„сов Kat)

гк л

и при подаче на вход гильбертового амплитудного демодулятора сигнала S(t) на его выходе будет сигнал

Sf(.t) + tot +

+ ( cos Kct) +

+ 2ЈmKcos KstTj .5

Кроме информативной компоненты (Сигнала на выход гильбертового амплитудного демодулятора пройдут10

е гармоники со своими боковыми ло- лосами, которые, согласно формуле (6), займут в спектре выходного напряжения гильбертрвого амплитудного демодулятора полосы в окрестности15

частотСЭ, %). Чтобы избежать погрешности из-за этих гармоник, выходной сигнал гильбертового амплитудного демодулятора пропускается через гоильтр нижних частот, на выходе кото-.20 рого присутствует только сигнал Sn(t)V Постоянная составляющая этого сигнала регистрируется вольтметром 7 пос- ,

гоянного тока и составляет S, S.SZ. i зЈ ременная составляющая сигнала Sp(t) 1

регистрируется вольтметром 8 переменного тока и составляет в квадратичном измерении

ч 11(/г S-n-S л|2{51т J .30

Значение показателя нелинейных скажений по формуле (2), а показатель нелинейности в методе взаимной модуляции - коэффициент интермодуляционных искажений35

К,

LUM I Таким образом, Ки и Ким совпадают точностью до масштаба

Ком КЦД12 ,

Вольтметр 8 переменного тока можно отградуировать в значениях коэффициента интермодуляционных искажений Кцм, а по шкале вольтметра 7 постоянного тока калибровать прибор перед отсчетом показаний.

При реализации способа по методу разностного .тона на вход объекта 2 измерения подается двухтональный измерительный сигнал

S&x(t) S cosco,t + S cosW2t;

Wp &г-Сд,«с02 ,00, ,

слагаемые имеют равные амплитуды и близкие частоты, расположенные в

верхней части рабочей полосы частот объекта 2 измерений.

Методом разностного тона пользуются для оценки нелинейности систем с квадратичной характеристикой передачи вида

8выч a S6X + Ъ S6X .

Если объект 2 измерения обладает такой характеристикой передачи, то

Звы) - ъ + a(c°sW + cosCO t) + (cos 2Q,t + cos 2u)2t)+ (Q2 - СЭ, H + cos(C02 + CO, )t.

Информативными компонентами этого сигнала являются колебания с частотами (X), , СОг и СОр COi -W, . Гармоники и суммарная комбинационная составляющая с ча.стотой С02 +С0 задерживаются фильтром нижних частот,в результате чего к входу широкополосного квадратурного фазовращателя 3 подводится сигнал

S,(t) Ъ + a(cosCO,t + cosG)2t)+

+ Ъ cos(At .

(9)

1

Пренебрегая начальными фазами сигналов на выходах фазовращателя 3 можем написать, что на одном из его выходов получается сигнал S(t)+S(t), а на другом

S(t) a(sinCO,t + sinQ2t) + + Ъ sinCOpt.

Сигналы S(t) и S(t) проходят через квадраторы 4 и 5 и поступают на входы сумматора 8. В результате на выходе сумматора 6 получается сигнал

Sp(t) 2а4 + 2a2cosGOpt + 2аЪ

2 cosW.t + cos(cO,+ GDp) t, +

+cos(GD -(Op )t jt

Постоянная составляющая этого напряжения регистрируется вольтметром 7 постоянного тока и составляет Sy S0 2а . Продуктами искажений в спектре сигнала ) являются три компоненты в квадратных скобках, интенсивность которых зависит от коэффициента Ъ. Эти компоненты через фильтр верхних частот поступают на вход вольтметра 8 переменного тока, который показывает их среднеквадратичное значение.

5Н , ,

Значение показателя нелинейности по формуле (2)

SH Ъл 5Л а

К.

(Ю)

55211610

в значениях коэффициента разностного тона, а вольтметр 7 постоянного тока пользоваться для калибровки прибора.

Достоинством предлагаемого способа является также то, что спектры гильбертовой огибающей и ее квадрата всегда содержат постоянную составляющую и начинаются от нуля герц, тогда как спектр измерительного сигнала S(t) может занимать на оси частот произвольное положение и, как следствие, исключается необходимость наст10

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для определения нелинейных искажений в звукотехнической аппаратуре. Цель - расширение функциональных возможностей - достигается тем , что из исследуемого электрического сигнала формируют напряжение, пропорциональное квадрату гильбертовой огибающей. В спектре этого напряжения выделяют постоянную составляющую и продукты искажений и сравнивают напряжение продуктов искажений с нарпяжением постоянной составляющей. Благодаря введению универсального показателя нелинейных искажений способ позволяет измерять коэффициенты гармоник, интермодуляционных искажений и разностного тона. 1 ил.

Показатель нелинейности в методе разностного тона - коэффициент разностного тона. Он определяется как отношение интенсивности разностного тока к интенсивности спектральных компонент с частотами входного сигнала оЭ, , СО2; из выражения (.9) следует, что коэффициент разностного тона

Ъ

(11)

Сравнивая выражения (ю) и (l l) , видим, что Ки и К ргп совпадают с точностью до масштаба

рт

Ки Зб1

Следовательно, вольтметр 8 переменного тока можно отградуировать

ройки измерительного тракта на частоту сигнала.

Формула изобретения

Способ измерения нелинейных искажений электрического сигнала, основанный на выделении сигнала продуктов искажений и оценке их интенсивности, отличающийся тем, ч то, с целью расширения функциональных возможностей измерений путем измерения коэффициентов гармоник, интермодуляционных искажений, разностного тона, из сигналов формируют напряжение, пропорциональное квадрату гильбертовой огибающей, в спектре этого напряжения выделяют постоянную составляющую и составляющие искажений и сравнивают напряжение составляющих искажений с напряжением постоянной составляющей.