Современный метод измерения импульсной характеристики и нелинейных искажений

В 2000 году профессор Пармского университета Анджело Фарина предложил оригинальный метод одновременного измерения импульсной характеристики и нелинейных искажений с помощью гармонического сигнала экспоненциально изменяющейся частоты (далее ESS – exponential sine sweep).

Для получения этих характеристик необходимо записать воздействие ESS-сигнала на испытуемое устройство и найти взаимную корреляционную функцию записанного сигнала с исходным ESS-сигналом, но промодулированным по амплитуде (подробнее об этом можно узнать в публикациях А.Фарина).

В результате получается набор импульсных характеристик (ИХ), последняя из которых является линейной импульсной характеристикой устройства. Ей предшествует импульсная характеристика квадратичной нелинейности устройства, перед ней – импульсная характеристика кубической нелинейности и т.д. На практике удаётся зафиксировать нелинейности до 20 порядка.



Эта особенность (отделение продуктов нелинейности от линейной импульсной характеристики) является уникальным преимуществом ESS-метода по сравнению с другими методами. ESS-метод обладает и другими преимуществами:

  • Повышенная устойчивость к случайному шуму. Так получается потому, что гармонический сигнал «сканирует» очень узкий частотный промежуток в каждый интервал времени, что позволяет уменьшить уровень случайного шума в результирующей импульсной характеристике. Чем продолжительнее ESS-сигнал — тем заметнее эффект снижения уровня шума.
  • Простота использования. Вся процедура декодирования сводится к нескольким вычислениям методом БПФ.
  • Возможность автоматизации процесса измерений.

Расположение характеристик искажений относительно линейной импульсной характеристики можно найти по следующему правилу: если частота ESS-сигнала растёт со скоростью 1 октава в секунду, то характеристика нелинейности 2-го порядка будет расположена за 1 секунду до линейной импульсной характеристики; характеристика нелинейности 4-го порядка будет расположена за 1 секунду до характеристики 2-го порядка и т.д.

Несмотря на очевидные преимущества, ESS-метод имеет и свои границы применения. Сам автор метода перечисляет следующие ограничения:

  • Результирующая импульсная характеристика, а также её АЧХ имеет заметную неравномерность («звон»)
  • Метод чувствителен к нестабильности временной оси

Для снижения неравномерности АЧХ и импульсной характеристики А.Фарина предлагает модулировать начало ESS-сигнала по амплитуде (fade-in), а также применять различные техники фильтрации.

Другой энтузиаст, Katja Vetter в своём исследовании обнаружил другую проблему, связанную с тем, что каждая октава сигнала начинаются не в нулевой фазе. Это накладывает погрешность на измерение гармоник. В качестве решения автор предложил новый подход к формированию ESS-сигнала: каждая октава должна начинаться с нулевой фазы.

Практические примеры применения ESS-метода.


Путём подбора и моделирования в MATLAB был сгенерирован ESS-сигнал длительностью в 43 секунды, диапазоном в 11 октав (11.7-24000Гц), с амплитудным модулированием краёв сигнала. Это позволило получить неравномерность АЧХ <0.2дБ на краях диапазона измерения (22 и 23000 Гц) и уровень относительной погрешности <-140дБ.



Измерение характеристик ячейки эквалайзера (частотного корректора).


ESS-метод оказался очень полезным при наладке эквалайзера, собранного на операционных усилителях. Схема проявляла неустойчивость, причину которой сложно было проанализировать. ESS-методом удалось определить, что устройство имело повышенные нелинейные искажения в области частот работы эквалайзера.



Измерение характеристик компьютерной аудиокарты.


В данном примере выход аудиокарты был соединён со входом и производилось измерение сквозной АЧХ устройства. Как видно, некоторая неравномерность (в регионе 20-60Гц) связана с погрешность самого ESS-метода. Остальной же вклад в неравномерность относится к аудиокарте.



Измерение акустических характеристик громкоговорителя


В данном примере приведены измерения АЧХ студийных мониторов в ближнем поле. В данном случае отношение сигнал/шум составило 90дБ, при этом измерения производились в студийном помещении при умеренном уровне звукового давления (не более 90дБ SPL).




Огибающая измеренной импульсной характеристики студийного монитора (видно, что динамический диапазон измерения составил 90дБ).

Измерение акустических характеристик помещения


В этом примере представлена огибающая импульсной характеристики отклика помещения. Время реверберации составило 3.8 секунд. Как видно, энергия затухает равномерно и без всплесков вплоть до самых низких уровней.



Метод, предложенный А.Фарина, позволяет проводить высокоточные измерения электронных и электроакустических устройств, а также акустических свойств помещений. Известно, что этот метод успешно применяется в программах акустический измерений, таких как CLIO и REW.

Полезные ссылки:
  1. Simultaneous measurement of impulse response and distortion with a swept-sine technique
  2. Advancements in impulse response measurements by sine sweeps
  3. Impulse response measurement with sine sweeps and amplitude modulation schemes
  4. Optimizing the exponential sine sweep (ESS) signal for in situ measurements on noise barriers
  • +23
  • 3,1k
  • 6
Поддержать автора
Поделиться публикацией
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама

Комментарии 6

    0
    Извините, мне кажется, или тут много общего с гетеродинированием?
      0
      Всё-таки, гетеродинирование — это нелинейное преобразование. Но стратегия чем-то похожа.
        0
        Да, интересно было бы сопоставить предложенный метод с чирплетами (вейвлет, базовая функция которого — радиоимпульс с линейной частотной модуляцией) с одной стороны, и методами, применяемыми в современных анализаторах АЧХ/ФЧХ.
          0
          Добавил в конце статьи несколько ссылок, посвящённых исследованию этого алгоритма. В 3-й ссылке есть сравнение экспоненциального и линейного свипа. Если срезюмировать: экспоненциальный свип отделяет продукты нелинейности в отдельные импульсные характеристики. Линейный свип не имеет такого преимущества. В плане соотношения сигнал/шум линейный и экспоненциальный свип отличаются распределением по спектру, но одинаковы по энергии.
        +1
        Было бы интереснее, если бы вы на одних и тех же данных сравнили результаты по методу Фарины с классическими способами — измерение только АЧХ импульсом/свиптоном и гармоник на отдельно взятых частотах.
          0
          В первой ссылке (в конце статьи) на 24 странице, рис.20 приводится очень хорошее сравнение по нелинейным искажениям. Там же есть сравнение ESS с MLS методов.

        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

        Самое читаемое