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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Messung nichtlinearer Verzerrungen an einem Rauschsignal. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik In dem Artikel macht der Autor die Leser auf eine praktisch ungenutzte Methode zur Messung der Nichtlinearität von Verstärkern aufmerksam. Die Ergebnisse objektiver Messungen nichtlinearer Verzerrungen von UMZCH mit dieser Methode stimmen überraschenderweise mit den Ergebnissen ihrer subjektiven Einschätzungen beim Expertenhören überein. Die bekannten Methoden zur Messung nichtlinearer Verzerrungen in Schallübertragungswegen sind sehr vielfältig [1, 2]. Die harmonische Methode hat sich als einfachste Methode für Experimente und praktisch für Berechnungen weit verbreitet. Andere, weniger verbreitete Methoden sind Differenzton, modulierter Ton, Intermodulation (Intermodulation). Auch transiente Intermodulationsverzerrungen werden gemessen. Die oben aufgeführten Methoden haben ihre eigenen Anwendungsbereiche. Darüber hinaus verwendet jeder von ihnen spezielle Signale, die die größte Effizienz bei der Erkennung von Verzerrungsprodukten bieten. Gerade hierin liegt jedoch ihr geringer Informationsgehalt hinsichtlich der integralen Bewertung der in den Audiopfad eingebrachten Verzerrungen, der die subjektive (Experten-)Beurteilung der Übertragungsqualität realer Schallsignale maßgeblich beeinflusst. Die Auffälligkeit nichtlinearer Verzerrungen eines realen Signals hängt davon ab, wie oft, wenn wir den Prozess über die Zeit betrachten, oder mit welcher Wahrscheinlichkeit, wenn wir ein statistisches Maß darauf anwenden, seine Momentanwerte in den Bereich signifikanter Nichtlinearität fallen der Schallübertragungsweg. Viele Menschen haben wahrscheinlich beobachtet, dass die Heiserkeit des Tons verschwindet, wenn der Signalpegel in einem überlasteten Kanal verringert wird. Je seltener Signalspitzen in den Überlastbereich fallen, desto kleiner ist dieser. Ein typischer Verlauf der Signalübertragungsfunktionen im Schallübertragungsweg ist in Abb. dargestellt. 1, a. Hier: sin, sout – durch Leistung normierte Eingangs- und Ausgangssignale; W(s) – Wahrscheinlichkeitsdichte der momentanen Signalwerte sin. Abschnitt A entspricht einer relativ kleinen Nichtlinearität und Abschnitt B entspricht einer großen. Zur Vereinfachung der Analyse ist in Abb. Abbildung 1b zeigt Diagramme der Wahrscheinlichkeitsdichteverteilung W(s) von Momentanwerten zweier Signale gleicher Leistung: weißes (Gaußsches) Rauschen (Kurve 2) und harmonisches Rauschen (Kurve 1). Wie aus Abb. Wie in 1a dargestellt, fallen alle Werte des durch die Funktion W(s) begrenzten Eingangssignals für eine Sinuskurve in den Abschnitt der Übertragungskennlinie mit geringerer Nichtlinearität, während ihre Werte für ein Rauschsignal in 16 % der Fälle in Abschnitten vorliegen der Übertragungskennlinie mit hoher Nichtlinearität. Es ist klar, dass das Rauschsignal einer viel größeren Verzerrung unterliegt als das Sinussignal.
In [3] werden die Ergebnisse von Untersuchungen zur Wahrscheinlichkeitsdichte von Momentanwerten natürlicher Schallsignale (Sprache und Musik) vorgestellt. Es stellte sich heraus, dass sie hinsichtlich ihrer Pegelverteilung einem Rauschsignal deutlich näher kamen als einem harmonischen. Folglich liefert die Schätzung nichtlinearer Verzerrungen auf der Grundlage der oben aufgeführten Methoden falsche Darstellungen der tatsächlichen nichtlinearen Verzerrungen realer Signale. Weniger bekannte Messmethoden, die Rauschsignale verwenden, haben einen deutlich höheren Informationsgehalt [1, 2, 4 – 9]. Eine der Methoden [4] wird in der Kinematographie und im Fernsehen verwendet, um nichtlineare Verzerrungen einer fotografischen Tonspur zu messen [5]. Das Messblockdiagramm und die Spektraldiagramme für diese Methode sind in Abb. 2 dargestellt.
Das Messsignal wird von einem weißen Rauschgenerator GBSH erzeugt, mit einem PF-Bandpassfilter auf ein Frequenzband von 3...12 kHz begrenzt und dem Eingang des Messobjekts OM zugeführt. Die Produkte der nichtlinearen Verzerrung PNI (Intermodulation) des Rauschsignals werden mit einem Voltmeter V nach dem Tiefpassfilter mit Gewichtung im Frequenzband 30 Hz...1,2 kHz gemessen. Der numerische Indikator für Nichtlinearität ist das in Dezibel ausgedrückte Verhältnis der quadratischen Mittelspannung der Verzerrungsprodukte (UC) zur Spannung des Referenzsignals (UV), das vom im Gerät eingebauten Generator mit einer Frequenz von erzeugt wird 1 kHz: KISH \u20d 1 lg (UС / UВ). (eines) Das beschriebene Messverfahren ist im Gerät 7E-67 implementiert und wird erfolgreich in Filmstudios eingesetzt. Ein ähnliches Gerät im Fernsehen ist das INIF-Messgerät. Klirrmessungen werden auch nach der harmonischen Methode mit einem Messsignal in Form eines Terz-Rauschbandes durchgeführt [5-9]. Das Blockdiagramm und die Spektraldiagramme sind in Abb. dargestellt. 3.
Aus dem vom GRS-Generator erzeugten rosa Rauschen wird ein Block von Bandpass-FFT-Filtern verwendet, um das Messobjekt des OP zu untersuchen, Streifen nacheinander auszuwählen und mit zunehmender Frequenz den Pegel um 3 dB pro Oktave zu verringern sorgt für eine konstante Leistung des Messsignals in jedem Terzband. Von den Spannungsverzerrungsprodukten des Signals U1 werden nur seine in Terzbändern liegenden Harmonischen U2, U3 mit den Durchschnittsfrequenzen nf1 berücksichtigt, wobei n = 2, 3...,f1 die Durchschnittsfrequenz des Messsignals ist Band. Die Messungen werden mit einem Lautsprecherspektrumanalysator durchgeführt, der an den Ausgang des Messobjekts angeschlossen ist. Der numerische Indikator des harmonischen Verzerrungskoeffizienten des Rauschsignals wird durch die Formel bestimmt:
Es ist zu berücksichtigen, dass die Zuverlässigkeit der Messungen mit dieser Methode maßgeblich von der Begrenzung der Bandbreite des Messobjekts abhängt. Es gibt andere, komplexere Messmethoden, die Rauschsignale nutzen. Der weit verbreitete Einsatz solcher Signale bei Messungen in Audiogeräten wird laut Autor durch eine Reihe von Faktoren behindert: die Knappheit und die hohen Kosten von Geräten zur Analyse zufälliger Signale, die Notwendigkeit, Standards zu überarbeiten (z. B. Ausgangsleistung in Verstärkern). ) und die Trägheit des Denkens vieler Ingenieure, die an sinusförmige Signale gewöhnt sind. Zur praktischen Beurteilung der Wirksamkeit der Nutzung von Rauschsignalen führte der Autor Vergleichsmessungen nichtlinearer Verzerrungen in mehreren UMZCHs mit einer Standardtechnik (der harmonischen Methode) und an einem Rauschsignal mit einem 7E-67-Gerät bei gleichen Verstärkerüberlastwerten durch . Zum Testen wurden UMZCHs mit unterschiedlichem Schaltungsdesign und Elementbasis ausgewählt, die für die Beschallung großer Räume bestimmt sind (Leistung 100 W oder mehr, alle Modelle hatten Überlastungsanzeigen). Darüber hinaus wurden subjektive Qualitätsbeurteilungen (SQA) der Tonwiedergabe auf einer zehnstufigen Skala durchgeführt. Die Ergebnisse der Verstärker-Nichtlinearitätstests sind in der Tabelle aufgeführt. Die Leistungsverstärker 1 - 4 sind Transistoren mit unterschiedlichen Rückkopplungstiefen (A), Verstärker 5 ist eine Röhre. Die Tabelle zeigt die Werte des harmonischen Verzerrungskoeffizienten bei einer Frequenz von 1 kHz und des Rauschintermodulationskoeffizienten für das 7E-67-Gerät.
Die hohe Verzerrung bei Transistorverstärkern mit tiefer Gesamtrückkopplung bei der Messung der Nichtlinearität mit einem Rauschsignal ist darauf zurückzuführen, dass das Messsignal in Form von Rauschen einen hohen Crest-Faktor aufweist und einen ziemlich breiten Frequenzbereich enthält, wodurch ein gleichmäßiges Signal entsteht größere Auswahl an Verzerrungsprodukten und ein signifikanter Unterschied in Bezug auf CG/KISH für alle Verstärker – eine Zunahme der Intermodulationsverzerrung bei kurzzeitiger Überlastung. Aus der Tabelle geht hervor, dass UMZCH mit einer größeren OOS-Tiefe auch ein höheres CG/ISH-Verhältnis aufweisen und dementsprechend niedrige SOC-Werte erhalten. Als Ergebnis der Tests können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: 1. Die Überwachung nichtlinearer Verzerrungen eines Rauschsignals ist viel aussagekräftiger und ermöglicht eine subjektivere Beurteilung der Qualität der Klangwiedergabe. 2. Bei der Gestaltung aller Teile des Schallübertragungsweges sollte man nicht nur darauf achten, den harmonischen Koeffizienten, sondern auch den Rauschintermodulationskoeffizienten zu reduzieren. Die beschriebene Methode wurde ursprünglich zur Messung der Nichtlinearität des fotografischen Tonträgers von Filmen (bei der Überwachung der Qualität des technologischen Prozesses ihrer Vervielfältigung) vorgeschlagen und ist daher in Bezug auf Messungen in hochwertigen Tonübertragungswegen, einschließlich Lautsprechern, ratsam um die Bandbreite des Messsignals anzupassen. Messungen der Rauschintermodulation von UMZCH für professionelle Zwecke unterscheiden sich in diesem Fall darin, dass dieses Gerät häufig mit maximaler Leistung verwendet wird, was eine kurzfristige Überlastung ermöglicht. Im Vergleich zu Röhrenverstärkern ist bei Transistorverstärkern bei Überlastung die maximale Strombegrenzung oft stärker ausgeprägt, was einem starken Anstieg der nichtlinearen Verzerrungen entspricht. Bei UMZCHs, die in einer häuslichen Umgebung verwendet werden, wird der Signalbegrenzungsmodus bei richtig ausgewählter Leistung praktisch nicht erreicht, daher ist es ratsam, die Möglichkeit in Betracht zu ziehen, eine Technik zu verwenden, die den maximalen Rauschsignalpegel begrenzt. In diesem Fall dürfte sich der Unterschied zwischen Verstärkern mit unterschiedlichen Elementbasen deutlich verringern. Darüber hinaus sollte berücksichtigt werden, dass es eine Reihe kritischer Parameter gibt – Frequenzband, Phasen- und Übergangseigenschaften, Geräuschpegel … Literatur
Autor: A.Syritso, Moskau
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