Способ визуализации спектральных изменений

Предложенное изобретение относится к области радиоизмерений и предназначено для визуальной оценки степени изменения формы спектра случайного сигнала при прохождении его через четырехполюсник с частотно-зависимыми параметрами. Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в упрощении соответствующего способа визуализации спектральных изменений случайного сигнала. Способ визуализации спектральных изменений случайного сигнала при прохождении его через четырехполюсник заключается в том, что определяют спектр входного сигнала, определяют спектр выходного сигнала, спектр выходного сигнала делят на спектр входного сигнала, после чего визуально отображают зависимость результата деления от частоты, причем визуальное отображение сводится к построению графика функции, представляющей собой отношение спектров, уменьшенное на постоянную величину, которая не превышает наименьшего значения отношения спектров. 3 ил.

 

Изобретение относится к области радиоизмерений и предназначено для визуальной оценки степени изменения формы спектра случайного сигнала при прохождении его через четырехполюсник с частотно-зависимыми параметрами. В частности, устройство может найти применение в трактах передачи/усиления аудиосигналов с прецизионной многополосной частотной коррекцией для наблюдения за результатами вносимой коррекции.

В настоящее время для визуальной оценки изменений (деформации) спектра S(ω) применяют анализаторы спектра, представляющие результат анализа в виде кривой зависимости амплитуды частотных компонент от частоты - S(ω). При этом устройство (аналог изобретения) содержит два функциональных узла: генератор тестового сигнала и сам спектроанализатор. Выход спектроанализатора является информационным выходом устройства, тестовым выходом которого служит выход генератора тестового сигнала, а тестовым входом является вход спектроанализатора [Розенберг В.Я. Радиотехнические методы измерения параметров процессов и систем. М.: Издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов, 1970, стр.123-124].

Такой подход позволяет оценить, как меняется спектр сигнала на выходе четырехполюсника только по отклонению графика S(ω) от прямой линии. Для этого на вход четырехполюсника следует подавать сигнал с равномерной спектральной плотностью S(ω) - const во всем диапазоне рабочих частот, например белый шум или близкий к нему слабокоррелированный процесс. Следовательно, особенностью аналога является обязательное наличие специального тестового сигнала, а это значит, что аналог не может быть использован для работы с реальными сигналами в нормальном рабочем режиме, воздействующими на частотно-зависимый четырехполюсник. Отсюда также следует, что устройство-аналог не может быть использовано и для оценки результатов частотной коррекции, вносимой в реальный случайный сигнал с произвольной формой спектра.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ визуализации спектральных изменений сигнала при прохождении его через четырехполюсник, при котором определяют нормированный спектр входного сигнала, определяют нормированный спектр выходного сигнала, полученные нормированные значения сравнивают между собой, после чего визуально отображают зависимость результата сравнения нормированных значений от частоты. Устройство для визуализации спектральных изменений, выбранное в качестве прототипа, содержит два спектроанализатора, два блока нормирования, блок сравнения и индикатор, предназначенный для визуального отображения зависимости результата сравнения от частоты, вход первого спектроанализатора служит первым тестовым входом, вторым тестовым входом устройства служит вход второго спектроанализатора, выход первого спектроанализатора соединен со входом первого блока нормирования, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом второго блока нормирования, вход которого соединен с выходом второго спектроанализатора, выход блока сравнения соединен с входом индикатора [Пат. РФ №2266547. Опубл. 20.12.2005, Бюл. №35].

Недостатком прототипа является сложность реализации.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящей группы изобретений, состоит в упрощении как способа, так и устройства его реализующего.

Технический результат достигается тем, что в способе визуализации спектральных изменений случайного сигнала при прохождении его через четырехполюсник согласно изобретению определяют спектр входного сигнала, определяют спектр выходного сигнала, спектр выходного сигнала делят на спектр входного сигнала, после чего визуально отображают зависимость результата деления от частоты.

Визуальное отображение может сводиться к построению графика функции, представляющей собой отношение спектров, уменьшенное на постоянную величину, которая не превышает наименьшего значения отношения спектров.

По первому варианту реализации технический результат достигается тем, что в устройстве для визуализации спектральных изменений, содержащем два спектроанализатора, блок сравнения и индикатор, вход первого спектроанализатора служит первым тестовым входом, вход второго спектроанализатора служит вторым тестовым входом, выход блока сравнения подключен ко входу индикатора, согласно изобретению блок сравнения предназначен для деления спектра с выхода первого спектроанализатора на спектр с выхода второго спектроанализатора, выходы первого и второго спектроанализаторов подключены соответственно к первому и второму входам блока сравнения.

По второму варианту реализации технический результат достигается тем, что в устройстве для визуализации спектральных изменений, содержащем два спектроанализатора, блок сравнения и индикатор, вход второго спектроанализатора служит вторым тестовым входом, выход блока сравнения подключен ко входу индикатора, согласно изобретению блок сравнения предназначен для деления спектра с выхода первого спектроанализатора на спектр с выхода второго спектроанализатора, дополнительно введен делитель напряжения, вход которого является первым тестовым входом, а выход делителя соединен со входом первого спектроанализатора, выходы первого и второго спектроанализаторов подключены соответственно к первому и второму входам блока сравнения.

Кроме того, блок сравнения содержит блок деления, вычитатель, группу N регистров, группу N дешифраторов, адресный счетчик, дешифратор адреса и элемент ИЛИ, первый вход блока деления является первым информационным входом блока сравнения, второй вход блока деления служит вторым информационным входом блока сравнения, выход блока деления соединен с первым входом вычитателя, второй вход которого является входом кода смещения, выход вычитателя соединен с объединенными информационными входами N регистров, выходы которых подключены к входам соответствующих N дешифраторов, тактовые входы регистров подключены к соответствующим N выходам дешифратора, вход которого соединен с разрядным выходом счетчика, выход переноса которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого является входом обнуления блока сравнения, тактовый вход счетчика является синхровходом блока сравнения, выходом которого служат выходы N дешифраторов.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг.1 показан пример визуального представления функции, характеризующей спектральные изменения. На фиг.2 показана функциональная схема устройства для визуализации спектральных изменений. Фиг.3 содержит функциональные схемы одного из возможных вариантов реализации блока сравнения, сопряженного с индикатором.

Фиг.1 содержит график зависимости результата сравнения S₂/S₁ спектральных компонентов от частоты ω в диапазоне [ω_min, ω_max].

Схема по фиг.2 содержит спектроанализаторы 1, 2, блок 3 сравнения, индикатор 4 и контролируемый четырехполюсник, представляющий собой усилитель 5 с подключенной нагрузкой R_L. Вход спектроанализатора 1 служит первым тестовым входом устройства, вторым тестовым входом которого служит вход спектроанализатора 2, к первому тестовому входу подключен выход контролируемого усилителя 5, вход которого объединен со вторым тестовым входом, выход спектроанализатора 1 соединен с первым входом блока 3 сравнения, выход которого соединен с входом индикатора, ко второму входу блока 3 сравнения подключен выход спектроанализатора 2.

Функциональная схема по фиг.3 содержит блок 6 деления, вычитатель 7, группу 8 регистров 8-1÷8-N группу 9 дешифраторов 9-1÷9-N, адресный счетчик 10, дешифратор 11 адреса и элемент 12 ИЛИ, а также N светодиодных линеек 4-1÷4-N. Первый вход блока 6 деления является первым информационным входом S₂(nΔω) блока 3 сравнения, предназначенным для соединения с выходом блока 1, второй вход блока 6 деления служит вторым информационным входом S₁(nΔω) блока 3 и предназначен для соединения с выходом блока 2, выход блока 6 деления соединен с первым входом вычитателя 7, второй вход которого является входом кода смещения S₀, выход вычитателя 7 соединен с объединенными информационными входами DI регистров группы 8, выходы которых подключены к входам соответствующих дешифраторов группы 9 (выход n-го регистра ко входу n-го дешифратора), тактовые входы с регистров группы 8 подключены к соответствующим N выходам дешифратора 11, вход которого соединен с разрядным выходом Q счетчика 10, выход переноса Р которого соединен с первым входом элемента 12 ИЛИ, второй вход которого является входом RST обнуления (начальной установки) блока 3 сравнения, тактовый вход счетчика 10 является синхровходом CLK блока 3 сравнения, выходом которого служат выходы N дешифраторов группы 9, которые подключены к соответствующим N входам индикатора 4.

Спектр аудиосигналов при прохождении их через реальные усилительные тракты как правило претерпевает изменения. Происходящее можно разделить на два типичных случая. В первом случае причиной является независящая от исследователя неидеальность амплитудно-частотной характеристики тракта (четырехполюсника), приводящая к нежелательным линейным искажениям входного сигнала. Во втором случае спектр выходного сигнала изменяют умышленно, ослабляя и/или усиливая отдельные его участки для получения желаемого эффекта, которым в подавляющем большинстве случаев является изменение тембральной окраски преобразованного в звуковые волны выходного сигнала. И, разумеется, в каждом из случаев полезно знать, как изменился спектр сигнала. Действительно, применение в современной аудиотехнике прецизионных широкодиапазонных амплитудно-частотных корректоров позволяет изменять спектр выходного сигнала по всей ширине, доводя его форму до неузнаваемости. Однако указанный процесс внешнего вмешательства необходимо контролировать, отслеживая влияние вносимых корректив на результат. Визуальный анализ формы спектра выходного сигнала, который предусмотрен во многих современных эквалайзерах высокого класса, безусловно, повышает эффективность управления процессами коррекции, но в то же время не несет в явном виде информации о произошедших спектральных изменениях.

Исчерпывающую информацию об изменениях спектра сигнала несет функция, представляющая собой зависимость результата сравнении амплитуд или мощностей спектральных составляющих от частоты. Наглядным примером такого критерия сравнения (и удобным для восприятия) является отношение

М(ω)=S₂(ω)/S₁(ω).

где S₁(ω) и S₂(ω) - спектры входного и выходного сигналов соответственно.

Иллюстрацией предложенного служит пример функции М(ω), приведенный на фиг.1 и призванный показать графически всю картину частотных изменений, произошедших в пределах рабочего диапазона устройства от ω_min до ω_max.

Устройство для получения картины, приведенной на фиг.1, работает следующим образом (фиг.2). Выходной и входной сигналы четырехполюсника, например контролируемого усилителя 5, поступают на входы спектроанализаторов 1 и 2 соответственно. Вычисленные в каждом из них значения функций S₁(ω) и S₂(ω), являющиеся спектрами входного и выходного сигналов соответственно, поступают в блок 3 сравнения, в котором вычисляется отношение М(ω). Далее результат сравнения направляется на индикатор 4, служащий для визуального отображения зависимости результата сравнения от частоты.

Рассмотрим далее один из возможных вариантов построения блока 3 сравнения, предназначенного для работы с цифровыми отсчетами, полученными в предположении, что спектроанализаторы 1 и 2 цифровые, и на выходах имеем последовательность отсчетов - значений амплитуд гармоник S₂(nΔω) и S₁(nΔω) соответственно и вычисленных методом дискретного преобразования Фурье при условии, что n=0, 1, 2 ...N-1 (N - общее число гармоник), а Δω - шаг расположения отсчетов по оси частот. В частном случае от гармоники с нулевой частотой можно и отказаться.

Будем считать, что отсчеты S₂(nΔω) и S₁(nΔω) в двух каналах во времени появляются одновременно, сопровождаются синхроимпульсами CLK и, кроме того, смена отсчетов в каждом из каналов происходит с тактовой частотой CLK. В предлагаемой схеме (фиг.3) блока 3 сравнения данные сравниваются путем вычисления их отношения в блоке 6. Далее в вычитателе 7 вычитается постоянная S₀ и затем N полученных величин

М(nΔω)=(S₂(nΔω)/S₁(nΔω))-S₀

распределяются по N регистрам группы 8. Занесенные в регистры 8-1÷8-N двоичные коды N величин М(nΔω) преобразуются в дешифраторах группы 9 в коды управления светодиодными линейками 4-1÷4-N, каждая из которых соответствует одному отсчету частоты ω_n=nΔω.

Управляет поочередной записью кодов М(nΔω) в регистры 8 узел развертки, состоящий из адресного счетчика 10 и дешифратора 11. Модуль пересчета счетчика 10 выбирают на единицу больше количества отсчетов N. Это позволяет использовать обнуленное состояние счетчика как исходное и запрещающее запись данных в регистры 8. С появлением первого синхроимпульса CLK счетчик 10 устанавливает на выходе Q код единицы и активизирует, таким образом, выход дешифратора 11 с порядковым номером «1» (нумерация выходов дешифратора 11 начинается с нуля; нулевой выход не используется). Поскольку данный процесс протекает скачкообразно, то положительный перепад напряжений на выходе «1» дешифратора 11 разрешает синхронную запись информации о первом отсчете М(0) в первый регистр 8-1. Далее с приходом второго синхроимпульса, сопровождающего следующий отсчет М(ω), счетчик 10 переходит в состояние, соответствующее числу «2» и логический перепад формируется уже на втором выходе дешифратора 11, разрешая, таким образом, запись в регистр 8-2. Указанным путем потактно производится запись и в другие регистры 8. После того как в группу 8 будет записан последний отсчет, счетчик 10 обнулится и на этом цикл первой записи данных закончится. Все последующие циклы аналогичны первому и служат для обновления информации в регистрах 8, а следовательно, для обновления изображения, формируемого индикатором 4. Вход RST служит для первоначального обнуления блока сравнения.

Для того чтобы приведенная на фиг.3 схема позволяла смещать изображение по вертикальной оси, в структуре предусмотрен ввод кода смещения S₀ (вычитатель 7). Введение постоянной составляющей позволяет управлять положением формируемой кривой на экране индикатора, независимо от коэффициента усиления исследуемого устройства (при большом коэффициенте усиления график М(ω) может оказаться за пределами рабочей области экрана). Дискретный индикатор (блок 4 на фиг.3) может быть собран на основе вертикально ориентированных светодиодных линеек 4-1÷4-N, количество которых определяется количеством отсчетов частоты.

Учитывая, что при больших коэффициентах усиления контролируемого устройства на первый тестовый вход будет поступать сигнал с уровнем, значительно превышающим уровень сигнала на втором тестовом входе, а это в свою очередь приведет к усложнению блока деления, то целесообразно в таких случаях выходной сигнал контролируемого устройства ослаблять, например, при помощи резистивного делителя напряжения (на схеме не показан).

Способ визуализации спектральных изменений случайного сигнала при прохождении его через четырехполюсник, отличающийся тем, что определяют спектр входного сигнала, определяют спектр выходного сигнала, спектр выходного сигнала делят на спектр входного сигнала, после чего визуально отображают зависимость результата деления от частоты, причем визуальное отображение сводится к построению графика функции, представляющей собой отношение спектров, уменьшенное на постоянную величину, которая не превышает наименьшее значение отношения спектров.