Способ измерения нелинейных искажений электрического сигнала

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (.51)5 G 01 R 23/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР»

"(21 ) 4189024/24-21 (22) 02.02.87 (46) 23.03.90. Бюл. № 11 (72) Н.И. Веселова, В.,В. Давыдов, Ю.М. Ишуткин, И. В . Карпов и В.M.. Плющев (53) 621.317.353 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1239623, кл. G 01 P 23/20, 1980.

Ишуткин Ю.М., Саковский В.В.

Измерения в аппаратуре записи и воспроизведения звука кинофильмов.

И.:. Искусство, .1985, с. 142. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ

ИСКАЖЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предИзобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для выявления и оценки различных видов нелинейных искажений в звукотехнической аппарйтуре, в частности в усилителях, акустических системах, звукозаписывающих и звуковоспроизводящих аппаратах, Цель изобретения — 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 пред" лагаемый способ .

„.Я0„„1552116 А 1

2 назначено для определения нелинейных искажений в эвукотехнической аппаратуре. Цель — расширение функциональных возможностей — достигается тем, что из исследуемого электрического сигнала формируют напряжение, пропорциональное квадрату гильбертовой огибающей. В спектре этого напряжения выделяют постоянчую составляющую. и продукты искажений и сравнивают напряжение продуктов искажений с напряжением постоянной составляющей. Благодаря введению универсального показателя нелинейных искажений способ позволяет измерять коэффициенты гармоник, интермодуля- O ционных искажений и раэностного тона ° 1 ил.

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 следующем.

Любой непрерывный сигнал можно представить в в иде произв едения двух функций

1552116 (1,) = S(t) cos(g(t), s,(t)

-s-"711 (3) 10

s„(t)

+ - í, (1) Ян

Б„ (2) 50

К„

+cp„) + z,(t); (4) где S(t, ) — огибающая, а (p (t ) текущая фаза сигнала. Для однозначного определения Я(т,) и q(t) рассматривают пару сопряженных по л

Гильберту сигналов H(t) и 5 (t), тог да вместо пары сигналов Н,Н можно рассматривать комплексный сигнал

Z(t) =H(t)+g H(t ) =S(t ) expo/(t ) Так как связь между сигналом Б(1) и его гильбертовыми модулирующими 15 функциями,(t), g (t) взаимно одно, значна, любые искажения сигнала, возникающие в объекте измерений, явля,ются нежелательными изменениями гиль бертовой огибающей S(t,) и гильберто- 20 вой текущей фазы (g (t). При нели нейных искажениях достаточно рассмотреть передачу гильбертовой огибающей, Пусть на вход объекта 2 измере-! ния подан какой-нибудь измерительный 25, сигнал H(t,), которому. соответствует комплексный гильбертовый сигнал Z(t).

1, Обозначим выходной сигнал идеализированного нсискажающего объекта из( мерения через Яц(Ф,), а соответствую- З0 щий ему комплексный сигнал через

Z„(t) = H„(t) cos ф (t) На выходе реального объекта ? измерений появится искаженный сигнал Б (t ), которому ставится в соответствие комплексный сигнал Х (t) = H<(t) cos gp (t). Мож35 но записать, что Я (1) = Ян() +

+ Я„(t,), где Я„(t) — нежелательная компонента реальной гильбертовой

or ибающей, обусловленная нелинейностью объекта 2 измерения.

Составим отношение гильбертбвых огибающих

H p(t )

Б„7Е7

В качестве числового показателя искажений можно принять отношение где Я„, ߄— результаты измерения напряжений, представляющих собой функции Ha(t) и H„(t,), По малости искажений в знукотехнической аппаратуре всегда Я „(< S„è К (с 1, Вместо отношения гильбертовых огибающих можно рассматривать отношение из квадратов

Б;() ".„(t)+2S„(t,) s,(t)+s„(t)

Я 7" 1 Т» ) 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 Я„ принимать напряжение постоянной составляющей сигнала Я (t), которая по малости искажений приблизительно равна постоянной составляющей сигнала Яц(г,),1.. (т)

— I Sl(t)dt, т се

В качестве Я„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

Б cosset.

На выходе объекта измерения получается искаженный сигнал

Б„,ft) = S, cos (ЫС + q,) +

+,7 Б cos(ncot + (ф) °

h--ß

Затем сигнал поступает на вход

:широкополосного квадратурного фазовра щателя 3 и на двух его выходах ока зываются сопряженные между собой по Гильберту сигналы

H(t)=S< cos (Qt +g ) + . Hcosx п2 х(по + q „) = Я< cos (cat +

1552116

5 л

DCI

S(t)= Б, s.n(63t +,)+,К S„sin»

x(n43t + („) = S sin(Qt +(f,) +

+ (t) (5) 5

При реализации способа по методу взаимной модуляции на вход объекта

2 .измерения поступает двухтональный 1 измерительный сигнал

Пренебрегая слагаемыми r (t) и

2 (t ) выходной сигнал сумматора 6

2 представляет собой

Б (t) = S (t) + и (t) = S< + 2Б„х

°;. =я„сов ((и-! )ыс + «„), 0=2 (6) где oC „= q„— q,, Постоянная составляющая этого напряжения регистрируется вольтметром 7 постоянного тока и составляет

S„- =Бо= Б, Коэффициент гармоник определяется по формуле

К (8)

Г S

1 где H „- амплитуды или среднеквадратичные значения гармоник. Из сравне- 5<, ния выражений (7) и (8), следует, что

К, = К„/,12.

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

Спектральный состав переменной составляющей сигнала Б (t) соответст Р вует спектру высших гармоник выходно-25

ro сигнала объекта 2 измерения: составляющая Сигнала Б (1) с номером и 2 образуется из составляющей сигнала

Б „,„(t) с номером тем же умножением на константу 2Б„, сдвигом по частоте 30 вниз на у и сдвигом по фазе. Среднеквадратичное значение переменной составляющей сигнала S<(t) регистрируется вольтметром 8 переменного тока и составляет

S„= Б, 2, Б „), Значение показателя нелинейных йскажений по йормул (2)

+gj Е " 40

I (7) S (t ) = S(соя Qt + Б cosQt

Б2 ° + + °

Начальными фазами гармонических функций здесь и далее будем пренебрегать.

Из-sa нелинейности объекта 2 измерения на его выходе появляются спектральные компоненты выходного сигнала с ч ас тотами:

К S2 К = 1,2,3,... — гармоники колебания с частотой; и Я n = 1,2,3,:... - гармоники колебания с частотой;

nCQ+K Q - суммовые и раэностные комбинационные составляющие.

Комбинационные составляющие рас.полагаются симметрично в двухсторон ней окрестности частот пИ и образуют боковые полосы амплитудной моду,ляции при колебании с частотой Я

:его высших гармоник. Информативной .компонентой сигнала на выходе объекта

2 измерений в методе взаимной модуляции является первая гармоника колебания с частотой М и принадлежащие ей боковые модуляционные полосы. Эта компонента вместе с амплитудно-моду.лированными высшими гармониками колебания с частотой Ю передается фильтром верхних частот на вход гильбертового амплитудного демодулятора, а неинформативная компонента с частотой 2 и его гармоники задерживаются.

Запишем информативную компоненту сигнала в.виде

S(t) = Б(1 + ш„сов Kgt) соэЖ, к где шк — коэффициент амплитудной модуляции колебания с частотой сд„и колебанием с частотой KQ . Она представляет собой узкополосный сигнал, поэтому гильбертовая огибающая сигнала S(t) совпадает с обычной огибающей

S (t) = Б(1 +Qm сов Ks2t) к и при подаче на вход гильбертового амплитудного демодулятора сигнала

S(t) на.его выходе будет сигнал

+ 2 шксоз Kgb + к

+ (2 тв сов Kat))S (! в к

+ 2вв(вcos Kut) l 5521 l 6 верхней части рабочей полосы частот объекта 2 измерений.

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

Такмм образом, К„и Кир совпадают с точностью до масштаба

К„„= К /,(22

Вольтметр 8 переменного тока можно отградуировать в значениях коэффициента интермодуляционных искажений 45

Ки, а по шкале вольтметру 7 постоянного тока калибровать прибор перед б отсчетом показаний.

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

Я „(t) = Б сову,t + Б созЯД, QP =Ы2- (C< Я2, Я) ) 5S слагаемые имеют равные амплитуды и близкие частоты, расположенные в

Кроме информативной компоненты сигнала на выход гильбертового амплитудного демодулятора п ройдут е гармони<и со своими боковыми по осами, которые, согласно формуле > ° s ( (6) займут в спектре выходного напяжения гильбертового амплитудного емодулятора полосы s окрестности астотЯ„ф3. Чтобы избежать погрешости из-за этих гармоник, выходной игнал гильбертового амплитудного емодулятора пропускается через ильтр нижних частот, на выходе кото- 20

2 ого присутствует только сигнал S<(t), Постоянная составляющая этого сигала регистрируется вольтметром 7 пос- ( оянного тока и составляет S = Б =Я, ПеИ О еменная составляющая сигнала Я (1) егистрируется вольтметром 8 переменноо тока и составляет в квадратичном эмерении

"= я (2(2в в I .. ЗО

Значение показателя нелинейных (искажений по формуле (2), а показа тель нелинейности в методе взаимной

Модуляции — коэффициент интермодуляционных искажений 35

S()b)x s Ss) + Б х

Если объект 2 измерения обладает такой характеристикой передачи, то

S (t) = b + a(cosh) t + cosQ t)+ (сов 2(О,t + cos 2(est)+ t(cos

Ь (и, - (2, )t + сов ((2, + (О, )t), Б,(С) — Ь + a(cosQ t + cos6)2t)+ (9) + Ъ cosQlt, Пренебрегая начальными фазами сигналов на выходах фазовращателя 3 можем написать, что на одном иэ его выходов получается сигнал $(1 )+Я (t ), а на другом

S(t) = а(зю(),t + з1пУ2 ) +

+ b singlet.

Сигналы S(t, ) и реэ квадраторы 4 и входы сумматора 8. выходе сумматора 6

Б(С) проходят че5 и поступают на

В результате на получается сигнал

2 х 2

Б (1) 2а + 2а eosM>t + 2ад»

» (2 cosR(t + со з (д, + 03p ) t +

+соз(Я -у )1 ), Постоянная составляющая этого напряжения регистрируется вольтметром

7 постоянного тока и составляет

S> = S = 2а . Продуктами искажений

2 о

2 в спектре сигнала $ (t) являются три компоненты в квадратных скобках, интенсивность которых зависит от коэфИнформативными компонентами этого сигнала являются колебания с частотами я,, а и И = 472 -Я, . Гармоники и суммарная комбинационная составляющая с частотой Я2 + (д, задерживаются фильтром нижних частот,в результате чего к входу широкополосного квадратурного фазовращателя 3 подводится сигнал!

552116 фициента Ь. Зти компоненты через фипьтр верхних частот поступают на вход вольтметра 8 переменного тока, который показывает их среднеквадратичное значение, Bí = 2а» 2, Значение показателя нелинейности по формуле (2) ц Sо а

Формула изобре тен ия

Сравнивая выражения () 0) и () )), видим, что Кц и К р совпадают с точностью до масштаба

Кц

Рц 16

Составитель А. Дворников

Редактор В. Бугренкова Техред А. Кравчук Корректор М. Максимишинец

Заказ 328 .Тираж 556 Подп исное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,tOt

Показатель нелинейности в методе разностного тона — коэффициент разносс тно го тона . Он определяется как отношение интенсивности разностного тока к интенсивности спектральгъл ных компонент с. частотами входного сигнала Я,, Ю ; из выражения

1,9) следует, что коэффициент разностного тона

Следовательно, вольтметр 8 переменного тока можно отградуировать . 35 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

Б(т,) может занимать на оси частот произвольное положение и, как следствие, исключается необходимость настройки измерительного тракта на частоту сигнала.

Способ измерения нелинейных искажений электрического сигнала, основанный на выделении сигнала продуктов искажений и оценке их интенсивности, отличающийся тем, что, 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.