Прокопенко Всеволод Анатольевич Тема магистерской работы: Разработка и исследование модема для сверхвысокочастотного радиоканала телекоммуникационной системы. Научный руководитель: Воронцов А.Г.

Измерение нелинейности усилителей.

Журнал "Радио", номер 4, 1999г. Автор: А. Сырицо, г. Москва

Источник: http://www.chipinfo.ru/literature/radio/199904/p29_30.html

Известные методы измерения нелинейных искажений в трактах звукопередачи отличаются большим разнообразием [1, 2]. Широкое распространение получил метод гармоник как наиболее простой при экспериментах и удобный для расчетов. Менее распространены другие методы: разностного тона, модулированного тона, взаимной модуляции (интермодуляции). Измеряют и переходные интермодуляционные искажения.

Для перечисленных методов существуют свои области применения. При этом каждый из них использует специальные сигналы, обеспечивающие наибольшую эффективность обнаружения продуктов искажений. Однако именно это и является причиной их малой информативности относительно интегральной оценки искажений, вносимых в звуковой тракт и значительно влияющих на субъективную (экспертную) оценку качества передачи реальных звуковых сигналов.

Заметность нелинейных искажений реального сигнала связана с тем, насколько часто, если рассматривать процесс во времени, или с какой вероятностью, если применить к нему статистическую меру, его мгновенные значения попадают в область существенной нелинейности тракта звукопередачи. Многим, наверное, приходилось наблюдать, как при уменьшении уровня сигнала в перегруженном канале исчезает хриплость звучания. Она тем меньше, чем реже выбросы сигнала попадают в область перегрузки.

Типичная характеристика функции передачи сигнала s в тракте звукопередачи представлена на рис. 1,а. Здесь: s_вх, s_вых - входной и выходной нормированные по мощности сигналы; W(s) - плотность вероятности мгновенных значений сигнала s_вх. Участок А соответствует относительно малой нелинейности, а участки Б - большой. Для удобства анализа на рис. 1,б изображены графики распределения плотности вероятности W(s) мгновенных значений двух сигналов одинаковой мощности: белого (гауссовского) шума (кривая 2) и гармонического (кривая 1). Как следует из рис. 1,а, все значения входного сигнала, ограниченные функцией W(s) для синусоиды, приходятся на участок характеристики передачи с меньшей нелинейностью, в то время как для шумового сигнала 16 % времени его значения находятся на участках характеристики передачи с большой нелинейностью. Понятно, что шумовой сигнал подвергается значительно большим искажениям, чем синусоидальный.

В [3] приведены результаты исследований плотности вероятности мгновенных значений сигналов натуральных звучаний (речевых и музыкальных). Они оказались по своему распределению уровней гораздо ближе к шумовому сигналу, чем к гармоническому. Следовательно, оценка нелинейных искажений, основанная на перечисленных выше методах, дает неверные представления о действительных нелинейных искажениях реальных сигналов.

Значительно большей информативностью обладают менее известные методы измерений, использующие шумовые сигналы [1, 2, 4 - 9].

Один из методов [4] применяется в кинематографии и телевидении для измерения нелинейных искажений фотографической фонограммы [5]. Структурная схема измерения и спектральные диаграммы для этого метода приведены на рис.2. Измерительный сигнал создается генератором белого шума ГБШ, ограниченный с помощью полосового фильтра ПФ полосой частот 3...12 кГц, который и подается на вход объекта измерений ОИ. Продукты нелинейных искажений ПНИ (интермодуляции) шумового сигнала измеряют вольтметром V после ФНЧ со взвешиванием в полосе частот 30 Гц... 1,2 кГц. Числовой показатель нелинейности - это выраженное в децибелах отношение среднеквадратичного напряжения продуктов искажений (U_С) к напряжению опорного сигнала (U_В), вырабатываемого встроенным в прибор генератором с частотой 1 кГц:

К_ИШ = 20 lg (U_С/U_В). (1)

Описанный метод измерений реализован в приборе 7Э-67 и с успехом применяется на киностудиях. На телевидении подобным устройством является измеритель ИНИФ.

Измерения искажений проводятся и методом гармоник с использованием измерительного сигнала в виде третьоктавной полосы шума [5-9]. Структурная схема и спектральные диаграммы приведены на рис. 3.

Из вырабатываемого генератором ГРШ розового шума блоком полосовых фильтров БПФ для исследования объекта измерений ОИ поочередно выделяют полосы, причем спад уровня 3 дБ на октаву с ростом частоты обеспечивает постоянную мощность измерительного сигнала в любой третьоктавной полосе. Из продуктов искажений напряжения сигнала U1 в расчет принимаются только расположенные в третьоктавных полосах его гармоники U₂, U₃ со средними частотами nf₁, где n = 2, 3...,f₁ - средняя частота полосы измерительного сигнала. Измерения проводят анализатором спектра АС, подключенным к выходу объекта измерений. Числовой показатель коэффициента гармоник шумового сигнала определяется по формуле:

Следует учитывать, что достоверность измерений при этом методе значительно зависит от ограничения полосы пропускания объекта измерений.

Существуют и другие, более сложные методы измерений с использованием шумовых сигналов. Широкому применению таких сигналов при измерениях в звуковой аппаратуре, по мнению автора, препятствует ряд факторов: дефицитность и высокая стоимость оборудования для анализа случайных сигналов, необходимость пересмотра стандартов (например, выходной мощности в усилителях), да и инерционность мышления многих инженеров, привыкших к синусоидальным сигналам.

Для практической оценки эффективности использования шумовых сигналов автором проведены сравнительные измерения нелинейных искажений в нескольких УМЗЧ по стандартной методике (методом гармоник) и на шумовом сигнале с использованием прибора 7Э-67 при одинаковых величинах перегрузки усилителей. Для испытаний были выбраны различные по схемотехнике и элементной базе УМЗЧ, предназначенные для озвучивания больших помещений (мощность 100 Вт и более, во всех моделях имелись индикаторы перегрузки). Кроме того, были проведены и субъективные оценки качества (СОК) звуковоспроизведения по десятибалльной шкале.

Результаты испытаний нелинейности усилителей приведены в таблице. Усилители мощности 1 - 4 - транзисторные с различной глубиной обратной связи (А), усилитель 5 - ламповый. В таблице приведены значения коэффициента гармоник К_Г на частоте 1 кГц и коэффициента шумовой интермодуляции по прибору 7Э-67.

Высокий уровень искажений в транзисторных усилителях с глубокой общей ООС при измерении нелинейности шумовым сигналом обусловлен тем, что измерительный сигнал в виде шума имеет высокий пик-фактор и содержит достаточно широкий спектр частот, создающих еще более широкий спектр продуктов искажений, а значительная разница в отношении К_Г/К_ИШ для всех усилителей - увеличением интермодуляционных искажений при кратковременной перегрузке. Из таблицы следует, что УМЗЧ с большей глубиной ООС обладают и большим отношением К_Г/К_ИШ, получая соответственно и невысокие баллы СОК.

В итоге испытаний можно сделать следующие выводы:

1. Контроль нелинейных искажений на шумовом сигнале обладает значительно большей информативностью, позволяет приблизиться к субъективной оценке качества звуковоспроизведения.

2. При проектировании всех звеньев тракта звукопередачи следует стремиться не только к снижению коэффициента гармоник, но и коэффициента шумовой интермодуляции.

Описанный метод изначально предложен для измерения нелинейности фотографической фонограммы кинофильмов (при контроле качества технологического процесса их тиражирования), поэтому применительно к измерениям в высококачественных трактах звукопередачи, включая и громкоговорители, целесообразно скорректировать полосу измерительного сигнала.

Литература

1. Раковский В. В. Измерения в аппаратуре записи звука кинофильмов. - М.: Искусство, 1962, с. 336 - 353.

2. Ишуткин Ю. М., Раковский В. В. Измерения в аппаратуре записи и воспроизведения звука кинофильмов. - М.: Искусство, 1985, с.

3. Шитов А. В., Белкин Б. Г. Статистические характеристики сигналов, представляющих натуральные звучания, и их применение при исследовании электроакустических систем. - Труды НИКФИ, вып. 56, 1976 г.

4. Раковский В. В. Способ измерений нелинейных искажений в фотографической поперечной фонограмме. Авт. свид. # 136573 (1960 г.) - БИ, 1961, # 5.

5. РТМ 19-17-72. Кинофильмы 35 и 16 мм. Технологический регламент компенсационного метода записи негативов, фотографической обработки, печати позитивов и контроля качества фотографических фонограмм. - М.: НИКФИ, 1972.

6. Пенков Г. Върху измерването на нелинейни изкривявания със случаен стационарен сигнал. Измерване на нелинейни изкривявания с тясна лента от нормален шум. - Известия на НИИКРА, т. 6. - София, 1966.

7. Журавлев В. М. Метод измерения нелинейных искажений с помощью полос шума. Канд. дисс. ЛИКИ, 1967.

8. Белкин Б. Г., Борк А. А. Соотношение между коэффициентами нелинейных искажений, измеренных на шумовых и синусоидальных сигналах. - Техника кино и телевидения, 1968, # 7.

9. ГОСТ 16122-78. Громкоговорители. Методы электроакустических испытаний.

От редакции. Измерения шумовой интермодуляции УМЗЧ профессионального назначения отличаются в данном случае тем, что эту аппаратуру часто используют на предельной мощности, допуская кратковременную перегрузку. По сравнению с ламповыми, в транзисторных усилителях при перегрузке ограничение максимального тока часто более выражено, что соответствует резкому росту нелинейных искажений. В УМЗЧ, используемых в домашней обстановке, режим ограничения сигнала при правильно выбранной мощности практически не достигается, поэтому целесообразно рассмотреть вариант применения методики с ограничением предельного уровня шумового сигнала. При этом разница между усилителями с различной элементной базой, вероятно, существенно уменьшится. Кроме того, следует учитывать, что есть еще ряд критичных параметров - полоса частот, фазовая и переходная характеристики, уровень собственных шумов...

© Прокопенко В.А., 2007г.