Способ измерения нелинейных искажений случайных сигналов и цифровой измеритель (варианты)

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений. Формируют текущие отношения мгновенных значений сигнала до и после нелинейного преобразования. Сравнивают текущие отношения соседних отсчетов сигнала до нелинейного преобразования и после нелинейного преобразования. По результатам сравнения судят о степени нелинейных искажений. Технический результат - обеспечение возможности выявления оценки нелинейных искажений в процессе выполнения усилителем своих функций. 6 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области электрорадиоизмерений, предназначено для оценки наличия и степени нелинейных искажений случайного сигнала на выходе звукоусилительного тракта и позволяет использовать в качестве измерительного сигнала передаваемый по исследуемому тракту случайный сигнал.

Прототипом заявляемого устройства является структура, содержащая генератор тестового сигнала, режекторный фильтр, два измерителя среднеквадратических значений и блок деления, выход которого является информационным выходом устройства, тестовым выходом которого служит выход генератора тестового сигнала, а тестовым входом служит вход режекторного фильтра, выход которого соединен с входом первого измерителя среднеквадратических значений, выход которого соединен с первым входом блока деления, второй вход которого соединен с выходом второго измерителя среднеквадратических значений, вход которого объединен с входом режекторного фильтра (Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, стр.384, рис. 14.14б].

Принцип действия прототипа предусматривает применение специального измерительного сигнала, как правило моногармонического, по результатам искажения которого и судят о наличии и степени нелинейности тракта. Указанная особенность не позволяет использовать устройства подобного типа для оценки нелинейных искажений, возникающих в процессе выполнения усилителем его штатных функций - усиления полезного сигнала, в реальности являющимся случайным. Отмеченное относится к существенному недостатку прототипа,

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в обеспечении возможности выявления и оценки нелинейных искажений в процессе выполнения усилителем своих полезных функций, без прерывания его работы и перевода в специальный измерительный режим. При этом цифровой измеритель позволяет оценивать нелинейные искажения как случайных, так и детерминированных сигналов.

Технический результат достигается тем, что цифровой измеритель нелинейных искажений согласно изобретению содержит два формирователя текущих отношений, блок вычитания, накапливающий сумматор и элемент задержки, выходы первого и второго формирователей текущих отношений подключены соответственно к первому и второму входам блока вычитания, выход которого соединен с информационным входом накапливающего сумматора, выход которого является выходом цифрового измерителя нелинейных искажений, первым и вторым тестовыми входами которого являются информационные входы соответственно первого и второго формирователей текущих отношений, тактовые входы которых объединены и служат тактовым входом измерителя, тактовый вход накапливающего сумматора через элемент задержки соединен с тактовым входом измерителя.

В цифровом измерителе формирователь текущих отношений содержит блок деления, аналого-цифровой преобразователь, два регистра и элемент задержки, входом формирователя текущих отношений является информационный вход аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с информационным входом первого регистра, выход которого соединен с объединенными информационным входом второго регистра и первым входом блока деления, второй вход которого соединен с выходом второго регистра, выход блока деления является выходом формирователя текущих отношений, тактовым входом которого являются объединенные тактовые входы аналого-цифрового преобразователя и второго регистра, тактовый вход первого регистра подключен к тактовому входу формирователя через элемент задержки.

В цифровой измеритель может быть дополнительно введен аттенюатор, выход которого соединен с информационным входом первого формирователя текущих отношений, а вход аттенюатора является первым тестовым входом измерителя.

Кроме того, в цифровой измеритель могут быть дополнительно введены первый и второй полосовые фильтры, выходы которых подключены к информационным входам соответственно первого и второго формирователей текущих отношений, а входы первого и второго полосовых фильтров служат соответственно первым и вторым тестовыми входами измерителя.

Цифровой измеритель может содержать блок деления на постоянную величину, вход которого соединен с выходом накапливающего сумматора, а выход блока деления служит выходом измерителя.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг.1 представлена функциональная схема цифрового измерителя нелинейных искажений случайных сигналов с подключенным тестируемым усилителем. На фиг.2 показана функциональная схема блока тактирования.

Функциональная схема по фиг, 1 содержит идентичные первый F1 и второй F2 формирователи текущих отношений, куда входят аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 1-1, 1-2, регистры 2-1, 2-2, 3-1, 3-2, блоки 4-1, 4-2 деления, а также элементы 5-1, 5-2 задержки, кроме того, функциональная схема содержит блок 6 вычитания, накапливающий сумматор 7, элемент 8 задержки и тестируемый усилитель 9 с подключенной нагрузкой R_L. Информационный вход АЦП 1-1 является информационным входом формирователя F1, выход АЦП 1-1 соединен с информационным входом регистра 2-1, выход которого соединен с объединенными информационным входом регистра 3-1 и первым входом блока 4-1 деления, второй вход которого соединен с выходом регистра 3-1, выход блока 4-1 деления является выходом формирователя F1 и соединен с первым входом блока 6 вычитания, второй вход которого соединен с выходом формирователя F2, выходом которого служит выход блока 4-2 деления, информационным входом формирователя F2 служит информационный вход АЦП 1-2, выход которого соединен с информационным входом регистра 2-2, выход которого соединен с объединенными информационным входом регистра 3-2 и первым входом блока 4-2 деления, второй вход которого соединен с выходом регистра 3-2, информационный вход формирователя F1 является первым тестовым входом измерителя и объединен с выходом усилителя 9, со входом которого объединен информационный вход формирователя F2, который (вход) является вторым тестовым входом измерителя, тактовым входом CLK которого являются объединенные тактовые входы АЦП 1-1, 1-2 и регистров 3-1, 3-2, тактовые входы регистров 2-1 и 2-2 подключены к тактовому входу измерителя через элементы 5-1 и 5-2 задержки соответственно, а тактовый вход накапливающего сумматора 7 подключен к тактовому входу CLK измерителя через элемент 8 задержки, выход накапливающего сумматора 7 является выходом измерителя, вход накапливающего сумматора 7 соединен с выходом блока 6 вычитания.

Функциональная схема блока тактирования содержит триггеры 10, 11, генератор 12 тактовых импульсов, элемент И 13 и счетчик 14, выход переполнения которого соединен с объединенными обнуляющими входами триггеров 10, 11, управляющим входом СО блока тактирования является установочный вход триггера 10, выход которого соединен с - D-вхо-дом триггера 11, выход которого соединен с первым входом элемента И 13, второй вход которого объединен с тактовым входом триггера 11 и подключен к выходу генератора 12 тактовых импульсов, выход элемента И 13 является тактовым входом CLK блока и соединен со счетным входом счетчика 14.

В основе функционирования измерителя лежит метод оценки нелинейных искажений, идея которого построена на том, что при прохождении случайного сигнала через нелинейные цепи меняются текущие отношения его мгновенных значений. Следовательно, если сравнивать текущие отношения соседних отсчетов сигнала до нелинейного преобразования и после, то по тому, насколько отличаются отношения, можно будет судить о степени вносимых нелинейных искажений. Цифровой вариант реализации метода предполагает одновременное вычисление отношений вида

где x(t_n), y(t_n) - квантованные отсчеты сигналов x(t) и y(t) соответственно;

t_n=t₀+nΔt (n=1, 2,...,N);

t₀ - начальный момент времени;

Δt - период дискретизации сигналов x(f), y(f);

и далее определение на заданном, нормированном интервале времени Т₀=NΔt суммы

По значению величины S_xy судят о наличии и степени вносимых нелинейных искажений: с повышением уровня нелинейных искажений будет возрастать и S_xy. В идеальном случае отсутствия нелинейных искажений S_xy=0.

Работает цифровой измеритель нелинейных искажений случайных сигналов (фиг.1) следующим образом. Выходной y(t) и входной x(f) сигналы исследуемого усилителя 9 поступают в формирователи F1 и F2 соответственно для вычисления текущих отношений вида (1). Полученные на выходах формирователей величины направляются в блок 6 вычитания, на выходе которого имеем модуль разности отношений

и далее, как это видно из схемы (фиг.1), вычисленная величина поступает в накапливающий сумматор 7 для получения суммы (2).

Учитывая, что формирователи F1, F2 идентичны, опишем принцип действия только одного из них, например, F1.

Перед началом вычислений всю последовательную логику измерителя обнуляют подачей на вход RST импульса (цепи обнуления регистров 2-1, 2-2, 3-1, 3-2 объединены с обнуляющим входом RST накапливающего сумматора и на схеме не показаны). После обнуления на вход CLK измерителя подают пакет, состоящий из N тактовых импульсов для получения первого отсчета S_xy. По первому тактовому импульсу из указанного пакета АЦП 1-1 начинает преобразование аналогового сигнала y(t) в цифровой код, и одновременно в регистр 3-1 переписывается код с разрядных выходов регистра 2-1. Так как в исходном состоянии регистры обнулены, то в регистр 3-1 с первым тактовым импульсом переписывается код нуля. Через время t_пр, равное времени преобразования АЦП 1-1, на выходе АЦП появляется код y(t₁), который заносится в регистр 2-1. Запись в этот регистр происходит под действием задержанного в элементе 5-1 такового импульса, причем время задержки выбирается несколько большим величины t_пр, то есть достаточным для формирования на выходе АЦП 1-1 цифрового кода текущего аналогового отсчета. В результате к концу первого тактового интервала на входы блока 4-1 деления будут поданы два операнда: код нуля - делимое и код величины y(t₁) - делитель. На выходе блока 4-1 в первом тактовом интервале будет получен нуль, который вычитается из такого же нуля в блоке 6 и нуль (уже разность) поступает на вход накапливающего сумматора 7. Первый тактовый интервал является своего рода переходным интервалом и уже в следующем такте результат вполне может быть отличен от нуля, так как в регистр 3-1 заносится код у(t₁) с выхода регистра 2-1, а в регистре 2-1 появляется новый отсчет y(t₂). Таким образом, с каждым очередным тактовым импульсом на выходе блока 4-1 деления будут появляться результаты деления у(t_n) на у(t_n+1).

Процесс формирования отношений вида (1) и последующих вычислений происходит в течение нормированного интервала времени То, который задается количеством N тактовых импульсов в пакете, подаваемом на вход CLK. Для формирования пакета из N импульсов может быть использована несложная схема (блок тактирования), показанная на фиг, 2. Короткий управляющий импульс СО запускает блок тактирования и как следствие весь измеритель (разумеется, если выход блока CLK тактирования соединить со входом CLK измерителя). С появлением первого тактового импульса D-триггер 11 переходит в состояние высокого логического уровня и разрешает счет тактовых импульсов счетчиком 14, коэффициент Р пересчета которого выбирается таким образом, чтобы на выходе переполнения появился бы импульс после N-то тактового импульса. После переполнения счетчика 14 триггеры 10 и 11 обнуляются и после последнего в пакете N-то импульса блок тактирования возвращается в режим ожидания следующего управляющего импульса СО.

Из вышеприведенного ясно, что если для управления измерителем использовать описанный блок тактирования (фиг.2), то для получения каждого очередного отсчета результата S_xy на вход СО следует подавать по одному управляющему импульсу. Разумеется, перед подачей каждого управляющего импульса следует выполнять операцию обнуления как измерителя, так и блока тактирования.

Касаясь особенностей реализации представленного измерителя, отметим, что операцию выделения модуля разности в блоке 6 достаточно просто производить, если данные на выходе указанного блока представляются в прямом коде, тогда выделение модуля сводится к исключению знакового разряда выходного кода блока 6. Учитывая, что накапливающие сумматоры строятся по схемам, содержащим узлы памяти на регистрах, то для управления их работой безусловно понадобятся либо импульсы загрузки, либо тактовые импульсы в синхронных схемах. Для тактирования накапливающего сумматора 7 используются те же тактовые импульсы, что и для работы формирователей F1, F2, но со сдвигом во времени на величину, большую (на 10-20%) времени, которое затрачивает измеритель на получение нового значения модуля разности отношений на выходе блока 6.

Период дискретизации Δt и, следовательно, период формирования текущих отношений вида (1) следует выбирать исходя из интервала корреляции исследуемых случайных сигналов x(t) и y(t); от Δt зависит точность вычислений и, разумеется, период Δt не должен превышать интервал корреляции. Еще один фактор, влияющий на точность оценки нелинейных искажений, это групповое время запаздывания в тестируемом усилителе 9. В малокаскадных усилителях звуковой частоты запаздывание выходного сигнала настолько мало, что им можно пренебречь, однако в многозвенных трактах усиления и обработки групповое время запаздывания необходимо учитывать.

Принцип действия измерителя рассматривался на примере тестирования неинвертирующего усилителя 9. В реальности же усилитель может быть и инвертирующим. В таких случаях один из сигналов х(t), y(t) перед подачей в измеритель следует проинвертировать. С целью снижения дополнительно вносимых нелинейных искажений целесообразно инвертировать сигнал с меньшей амплитудой, то есть входной - x(t). Следует также отметить, что при больших коэффициентах усиления тестируемых усилителей сигнал на первый тестовый вход измерителя (вход формирователя F1) безусловно следует подавать ослабленным и учитывая, что коэффициенты усиления тестируемых усилителей могут отличаться, то для универсальных широкодиапазонных измерителей полезно было бы предусмотреть аттенюатор, ослабляющий выходной сигнал усилителя (сигнал, подаваемый на вход формирователя F1).

Для уменьшения влияния неравномерностей амплитудно-частотных характеристик реальных усилителей на результат оценки нелинейных искажений, сигналы x(f), y(t) на входы измерителя можно подавать через полосовые фильтры, выделяя ту часть спектра, в пределах которой частотные искажения малозначительны.

Формой оценки нелинейных искажений может быть не только сумма S_xy, но и среднее значение S_xy/(N-1). В этом случае для получения усредненного показателя к выходу измерителя следует подключить блок деления на величину N-1.

1. Способ оценки нелинейных искажений случайных сигналов, отличающийся тем, что формируют текущие отношения мгновенных значений сигнала до нелинейного преобразования, формируют текущие отношения мгновенных значений сигнала после нелинейного преобразования, сравнивают текущие отношения соседних отсчетов сигнала до нелинейного преобразования и после нелинейного преобразования, по результатам сравнения судят о степени нелинейных искажений.

2. Цифровой измеритель нелинейных искажений, отличающийся тем, что он содержит два формирователя текущих отношений, блок вычитания, накапливающий сумматор и элемент задержки, выходы первого и второго формирователей текущих отношений подключены соответственно к первому и второму входам блока вычитания, выход которого соединен с информационным входом накапливающего сумматора, выход которого является выходом цифрового измерителя нелинейных искажений, первым и вторым тестовыми входами которого являются информационные входы соответственно первого и второго формирователей текущих отношений, тактовые входы которых объединены и служат тактовым входом измерителя, тактовый вход накапливающего сумматора через элемент задержки соединен с тактовым входом измерителя.

3. Цифровой измеритель нелинейных искажений, отличающийся тем, что он содержит два формирователя текущих отношений, блок вычитания, накапливающий сумматор, аттенюатор и элемент задержки, выходы первого и второго формирователей текущих отношений подключены соответственно к первому и второму входам блока вычитания, выход которого соединен с информационным входом накапливающего сумматора, выход которого является выходом цифрового измерителя нелинейных искажений, выход аттенюатора соединен с информационным входом первого формирователя текущих отношений, а вход аттенюатора является первым тестовым входом измерителя, вторым тестовым входом которого являются информационный вход второго формирователя текущих отношений, тактовые входы формирователей текущих отношений объединены и служат тактовым входом измерителя, тактовый вход накапливающего сумматора через элемент задержки соединен с тактовым входом измерителя.

4. Цифровой измеритель нелинейных искажений, отличающийся тем, что он содержит два формирователя текущих отношений, блок вычитания, накапливающий сумматор, два полосовых фильтра и элемент задержки, выходы первого и второго формирователей текущих отношений подключены соответственно к первому и второму входам блока вычитания, выход которого соединен с информационным входом накапливающего сумматора, выход которого является выходом цифрового измерителя нелинейных искажений, первым и вторым тестовыми входами которого являются входы первого и второго полосовых фильтров, выходы которых подключены к информационным входам соответственно первого и второго формирователей текущих отношений, тактовые входы которых объединены и служат тактовым входом измерителя, тактовый вход накапливающего сумматора через элемент задержки соединен с тактовым входом измерителя.

5. Цифровой измеритель нелинейных искажений, отличающийся тем, что он содержит два формирователя текущих отношений, блок вычитания, накапливающий сумматор, блок деления на постоянную величину и элемент задержки, выходы первого и второго формирователей текущих отношений подключены соответственно к первому и второму входам блока вычитания, выход которого соединен с информационным входом накапливающего сумматора, выход которого соединен с блоком деления, выход которого является выходом цифрового измерителя нелинейных искажений, первым и вторым тестовыми входами которого являются информационные входы соответственно первого и второго формирователей текущих отношений, тактовые входы которых объединены и служат тактовым входом измерителя, тактовый вход накапливающего сумматора через элемент задержки соединен с тактовым входом измерителя.

6. Формирователь текущих отношений для использования в цифровом измерителе нелинейных искажений по любому из пп.2-5 содержит блок деления, аналого-цифровой преобразователь, два регистра и элемент задержки, входом формирователя текущих отношений является информационный вход аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с информационным входом первого регистра, выход которого соединен с объединенными информационным входом второго регистра и первым входом блока деления, второй вход которого соединен с выходом второго регистра, выход блока деления является выходом формирователя текущих отношений, тактовым входом которого являются объединенные тактовые входы аналого-цифрового преобразователя и второго регистра, тактовый вход первого регистра подключен к тактовому входу формирователя через элемент задержки.