СПОСОБ КОРРЕКЦИИ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ СИГНАЛОВ И УСИЛИТЕЛЬ С АВТОКОРРЕКЦИЕЙ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR NONLINEAR DISTORTION CORRECTION OF SIGNALS AND SELF-CONTROLLED AMPLIFIER (VERSIONS)

Изобретение относится к области усилительной техники и, в частности, может быть использовано для создания усилителей аудиосигналов с автоматической коррекцией уровня нелинейных искажений в реальном времени.
В качестве прототипа выбран способ, получивший широкое распространение в аудиотехнике, суть которого сводится к оценке уровня нелинейных искажений посредством сравнения уровня выходного сигнала с некоторым пороговым значением и принятию решения об уменьшении уровня входного сигнала при превышении выходным сигналом заданного порога. При этом предполагается, что превышение выходным сигналом заданного порога приводит к увеличению уровня нелинейных искажений сверх допустимого. Способ-прототип, согласно которому осуществляется статистический анализ выходного сигнала, описан в [Пат. RU 2274868. Опубл. 20.04.2006. Бюл. №11]. Там же описано устройство его реализующее, содержащее усилитель, который может иметь регулируемое усиление, например, за счет наличия межкаскадного аттенюатора, блок статистической оценки уровня сигнала и компаратор.
Недостатком подхода и, следовательно, устройства является отсутствие информации об уровне нелинейных искажений. Решение о необходимости корректирующих воздействий принимается только на основе априорных данных о взаимосвязи возможных нелинейных искажений с уровнем выходного сигнала, полученных либо путем расчетов на этапе проектирования усилителя, либо экспериментально на идеализированных тестовых сигналах. Понятно, что речь идет о косвенном методе, не позволяющем отслеживать фактические искажения и служащем по сути средством порогового контроля уровня сигнала. Некоторым шагом вперед является идея принимать решение об изменении усиления путем выявления клиппированных выходных сигналов [Заявка US 2013058501 A1. Volume control apparatus. Onkyo Corporation. Mar. 7, 2013]. Однако несмотря на то, что особенность указанного способа и позволяет управлять усилением в относительно широких пределах с контролем возникающих нелинейных искажений по наступлению ограничения выходных сигналов, контроль искажений здесь также осуществляется косвенно, причем только по существенному изменению формы выходного сигнала.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в повышении эффективности работы средств контроля нелинейных искажений и снижении искажений в управляемых усилителях за счет прямого контроля нелинейных искажений и обеспечения возможности управления усилением непосредственно по результатам оценки нелинейных искажений сигналов в реальном времени.
Технический результат достигается тем, что в способе коррекции нелинейных искажений сигналов (вариант 1), согласно изобретению, определяют в реальном времени нелинейные искажения выходного сигнала усилителя, вносящего искажения, задают пороговое значение нелинейных искажений, сравнивают полученную оценку нелинейных искажений с пороговым значением, если оценка превысила пороговый уровень, уменьшают коэффициент усиления усилителя до тех пор, пока оценка нелинейных искажений не окажется ниже порогового значения.
Технический результат достигается также тем, что в усилитель с автокоррекцией, реализующий способ по варианту 1, содержащий компаратор, предварительный усилитель, аттенюатор и оконечный усилитель, выход которого является выходом устройства, входом которого является вход предварительного усилителя, выход которого соединен со входом оконечного усилителя через аттенюатор, согласно изобретению, введены измеритель нелинейных искажений и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора, входы измерителя нелинейных искажений соединены с выходом оконечного усилителя и предварительного усилителя соответственно, выход измерителя нелинейных искажений соединен с первым входом компаратора, второй вход которого служит входом порогового уровня нелинейных искажений, выход компаратора соединен со входом блока управления.
Технический результат достигается также тем, что в способе коррекции нелинейных искажений сигналов (вариант 2), согласно изобретению, определяют в реальном времени нелинейные искажения выходного сигнала усилителя, вносящего искажения, задают пороговое значение нелинейных искажений, сравнивают полученную оценку нелинейных искажений с пороговым значением, если оценка превысила пороговый уровень, уменьшают уровень входного сигнал усилителя до тех пор, пока оценка нелинейных искажений не окажется ниже порогового значения.
Технический результат достигается также тем, что в усилитель с автокоррекцией, реализующий способ по варианту 2, содержащий компаратор, предварительный усилитель, аттенюатор и оконечный усилитель, выход которого является выходом устройства, входом которого является вход аттенюатора, выход которого соединен со входом предварительного усилителя, выход которого соединен со входом оконечного усилителя, согласно изобретению, введены измеритель нелинейных искажений и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора, входы измерителя нелинейных искажений соединены с выходом оконечного усилителя и предварительного усилителя соответственно, выход измерителя нелинейных искажений соединен с первым входом компаратора, второй вход которого служит входом порогового уровня нелинейных искажений, выход компаратора соединен со входом блока управления.
Технический результат достигается также тем, что в способе коррекции нелинейных искажений сигналов (вариант 3), согласно изобретению, определяют в реальном времени нелинейные искажения выходного сигнала усилителя, вносящего искажения, в выделенной полосе частот, задают пороговое значение нелинейных искажений, сравнивают полученную оценку нелинейных искажений с пороговым значением, если оценка превысила пороговый уровень, уменьшают коэффициент усиления усилителя до тех пор, пока оценка нелинейных искажений не окажется ниже порогового значения.
Технический результат достигается также тем, что в усилитель с автокоррекцией, реализующий способ по варианту 3, содержащий компаратор, предварительный усилитель, аттенюатор и оконечный усилитель, выход которого является выходом устройства, входом которого является вход предварительного усилителя, выход которого соединен со входом оконечного усилителя через аттенюатор, согласно изобретению, введены два фильтра, измеритель нелинейных искажений и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора, входы измерителя нелинейных искажений через фильтры соединены с выходом оконечного усилителя и предварительного усилителя соответственно, выход измерителя нелинейных искажений соединен с первым входом компаратора, второй вход которого служит входом порогового уровня нелинейных искажений, выход компаратора соединен со входом блока управления.
Технический результат достигается также тем, что в усилитель с автокоррекцией, реализующий способ по варианту 3, содержащий компаратор, предварительный усилитель, аттенюатор и оконечный усилитель, выход которого является выходом устройства, входом которого является вход предварительного усилителя, выход которого соединен со входом оконечного усилителя через аттенюатор, согласно изобретению, введены два фильтра, измеритель нелинейных искажений и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора, входы измерителя нелинейных искажений через фильтры соединены с выходом оконечного усилителя и со входом предварительного усилителя соответственно, выход измерителя нелинейных искажений соединен с первым входом компаратора, второй вход которого служит входом порогового уровня нелинейных искажений, выход компаратора соединен со входом блока управления.
Технический результат достигается также тем, что в способе коррекции нелинейных искажений сигналов (вариант 4), согласно изобретению, определяют в реальном времени нелинейные искажения выходного сигнала усилителя, вносящего искажения, в выделенной полосе частот, задают пороговое значение нелинейных искажений, сравнивают полученную оценку нелинейных искажений с пороговым значением, если оценка превысила пороговый уровень, уменьшают уровень входного сигнала усилителя до тех пор, пока оценка нелинейных искажений не окажется ниже порогового значения.
Технический результат достигается также тем, что в усилитель с автокоррекцией, реализующий способ по варианту 4, содержащий компаратор, предварительный усилитель, аттенюатор и оконечный усилитель, выход которого является выходом устройства, входом которого является вход аттенюатора, выход которого соединен со входом предварительного усилителя, выход которого соединен со входом оконечного усилителя, согласно изобретению, введены два фильтра, измеритель нелинейных искажений и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора, входы измерителя нелинейных искажений через фильтры соединены с выходом оконечного усилителя и предварительного усилителя соответственно, выход измерителя нелинейных искажений соединен с первым входом компаратора, второй вход которого служит входом порогового уровня нелинейных искажений, выход компаратора соединен со входом блока управления.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг. 1 представлена функциональная схема усилителя с автокоррекцией, согласно п. 9 формулы изобретения. На фиг. 2 в виде функциональной схемы показан вариант исполнения блока 9 управления. На фиг. 3 и 4 представлены функциональные схемы усилителей с автокоррекцией, согласно п. 15 и п. 11 формулы изобретения соответственно.
0
Функциональная схема устройства по фиг. 1 содержит предварительный усилитель 1, аттенюатор 2, оконечный усилитель 3, полосовые фильтры (ПФ) 4, 5, измеритель 6 нелинейных искажений, компаратор 7, индикатор 8 и блок 9 управления. Вход предварительного усилителя 1 и выход оконечного усилителя 3 являются соответственно входом и выходом устройства, выход предварительного усилителя 1 соединен со входом аттенюатора 2, выход которого соединен со входом оконечного усилителя 3, выход которого соединен со входом ПФ 4, выход которого соединен с первым входом измерителя 6, второй вход которого соединен с выходом ПФ 5, вход которого соединен с выходом предварительного усилителя 1, выход измерителя 6 соединен с первым входом компаратора 7, второй вход которого служит входом порогового уровня нелинейных искажений ψ, выход компаратора 7 соединен со входом блока 9 управления, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора 2, к выходу компаратора 7 подключен индикатор 8.
Функциональная схема блока 9 по фиг. 2 содержит управляемый генератор 10 тактовых импульсов, делитель 11 частоты и логический элемент 3И 12, выход которого является выходом блока, входом которого являются объединенные первый вход элемента 3И 12 и запускающий вход генератора 10, выход которого соединен со входом делителя 11, выход которого соединен со вторым входом элемента 3И 12, третий вход которого является разрешающим входом Ε блока.
0
Функциональная схема устройства по фиг. 3 содержит аттенюатор 13, предварительный усилитель 14, оконечный усилитель 15, ПФ 16, 17, измеритель 18 нелинейных искажений, компаратор 19, индикатор 20 и блок 21 управления. Вход аттенюатора 13 и выход оконечного усилителя 15 являются соответственно входом и выходом устройства, вход предварительного усилителя 14 соединен с выходом аттенюатора 13, а выход предварительного усилителя 14 соединен со входом оконечного усилителя 15, выход которого соединен со входом ПФ 16, выход которого соединен с первым входом измерителя 18, второй вход которого соединен с выходом ПФ 17, вход которого соединен с выходом предварительного усилителя 14, выход измерителя 18 соединен с первым входом компаратора 19, второй вход которого служит входом порогового уровня нелинейных искажений ψ, выход компаратора 19 соединен со входом блока 21 управления, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора 13, к выходу компаратора 19 подключен индикатор 20.
0
Функциональная схема устройства по фиг. 4 содержит предварительный усилитель 22, аттенюатор 23, оконечный усилитель 24, ПФ 25, 26, измеритель 27 нелинейных искажений, компаратор 28, индикатор 29 и блок 30 управления. Вход предварительного усилителя 22 и выход оконечного усилителя 24 являются соответственно входом и выходом устройства, выход предварительного усилителя 22 соединен со входом аттенюатора 23, выход которого соединен со входом оконечного усилителя 24, выход которого соединен со входом ПФ 25, выход которого соединен с первым входом измерителя 27, второй вход которого соединен с выходом ПФ 26, вход которого объединен со входом предварительного усилителя 22, выход измерителя 27 соединен с первым входом компаратора 28, второй вход которого служит входом порогового уровня нелинейных искажений ψ, выход компаратора 28 соединен со входом блока 30 управления, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора 23, к выходу компаратора 28 подключен индикатор 29.
0
0
0
0
Рассмотрим суть изобретения на примере функционирования устройства, показанного на фиг. 1. Входной сигнал, пройдя предварительный усилитель 1, поступает одновременно на первый вход (нижний по схеме) измерителя 6 нелинейных искажений и через аттенюатор 2 на вход оконечного усилителя 3, который, как правило, вносит наибольшие нелинейные искажения. Усиленный, и предположительно искаженный, сигнал с выхода оконечного усилителя поступает на второй вход измерителя 6. Последний в реальном времени, путем совместной обработки по специальному алгоритму двух сигналов (исходного и искаженного), определяет величину нелинейных искажений ψ, которая в компараторе 7 сравнивается с пороговым значением ψ. Если уровень нелинейных искажений ψ превышает порог ψ, на выходе компаратора 7 появляется сигнал Ф(ψ-ψ), поступающий на вход блока 9 управления, который в свою очередь вырабатывает импульсы управления аттенюатором 2, поступление которых на управляющий вход аттенюатора приводит к ослаблению сигнала, поступающего на вход оконечного усилителя 3. Рассматривая цепочку блоков 1, 2, 3 как единый усилитель, можно считать, что уменьшилось усиление устройства в целом. Если уровень нелинейных искажений ψ ниже порога ψ, то, как несложно понять, на выходе компаратора 7 отсутствует активный уровень и, следовательно, сигналы управления аттенюатором 2 не вырабатываются - усиление устройства не меняется. При этом оператор (пользователь) может при необходимости, пользуясь аттенюатором 2, уменьшать или увеличивать уровень сигнала на выходе оконечного усилителя 3. Наличие же цепочки измеритель 6 - компаратор 7 - блок 9 управления автоматически ограничивает усиление, корректируя таким образом уровень нелинейных искажений на выходе.
A
A
i
Важнейшей операцией рассматриваемого способа является оценка нелинейных искажений рабочих сигналов, носящих случайный характер. Возможность автоматической коррекции нелинейных искажений в реальном времени обусловлена наличием именно этой операции. Понятно, что в данном случае речь не может идти об измерении таких показателей нелинейных искажений, как коэффициент гармоник или коэффициент интермодуляции. Осуществление способа возможно путем применения методов оценки нелинейных искажений случайных сигналов с использованием специально введенных для этих целей количественных показателей. Указанные методы и устройства их реализующие описаны в работах [Аванесян Г.Р. Оценка нелинейных искажений случайных сигналов по аппаратурно вычисленному коэффициенту усиления цепи // Приборы. - 2010. - №10. С. 38-43; Аванесян Г.Р. Оценка нелинейных искажений случайных сигналов путем сравнения отношений их мгновенных значений // Измерительная техника. - 2012. - №6. С. 57-60] и отличаются тем, что позволяют получать оценку нелинейных искажений путем статистической обработки исследуемых входных и выходных сигналов, длительность реализаций которых определяет точность измерений. Разумеется, в этом случае сигнал на выходе измерителя будет изменяться только в дискретные моменты времени с периодом, задаваемым временем анализа t, которое измеритель 6 затрачивает на получение очередного результата. Следовательно, управление аттенюатором 2 также может и будет носить дискретный характер: управляющие воздействия должны формироваться блоком 9 управления не чаще, чем обновляется информация на выходе измерителя 6. При этом следует исходить из того, что появление на выходе компаратора 7 признака превышения допустимого уровня нелинейных искажений может потребовать, в зависимости от конкретного рабочего сигнала, изменения усиления устройства в различной степени. Это обеспечивается формированием соответствующего количества импульсов управления в блоке 9 приводящих к пошаговому уменьшению усиления, но строго с периодом не меньшим, чем период обновления информации на выходе измерителя 6. В простейшем случае период следования корректирующих импульсов может равняться времени анализа t, а моменты их появления t:
i
A
t=it+Δt,
где i=1, 2, 3,
A
Δt - защитный интервал, задержка, необходимая для окончательного установления напряжения на выходе измерителя 6 при обновлении результатов, Δt<t.
упр
i
В общем случае управляющее напряжение U(t), поступающее на вход аттенюатора 2, в предположении, что он управляется импульсами, должно определяться следующим образом:
упр
i
0
i
U(t)=Ф(ψ-ψ)S(t)E,
где
<mrow><mi>Ф</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ψ</mi><mo>−</mo><msub><mi>ψ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mn>1,</mn></mrow></mtd><mtd><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mi>ψ</mi><mtext>-</mtext><msub><mi>ψ</mi><mtext>0</mtext></msub><mo>></mo><mn>0</mn></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mn>0,</mn></mrow></mtd><mtd><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mi>ψ</mi><mtext>-</mtext><msub><mi>ψ</mi><mtext>0</mtext></msub><mo>≤</mo><mn>0</mn></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow><mtext> - логический уровень на выходе компаратора 7</mtext></mrow>
;
<mrow><mi>S</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mn>1,</mn></mrow></mtd><mtd><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><msub><mrow><mtext> t</mtext></mrow><mtext>i</mtext></msub><mo>=</mo><mi>i</mi><msub><mi>t</mi><mi>A</mi></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mn>0,</mn></mrow></mtd><mtd><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><msub><mrow><mtext> t</mtext></mrow><mtext>i</mtext></msub><mo>≠</mo><mi>i</mi><msub><mi>t</mi><mi>A</mi></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow><msub><mrow><mtext> - импульсы дискретизации с периодом следования t</mtext></mrow><mtext>A</mtext></msub></mrow>
упр
i
i
E - сигнал разрешения, принимающий значения 1 или 0. В выражении для U(t) простоты ради показаны единичные импульсы S(t) c бесконечно малой длительностью, что вполне допустимо, так как в данном случае роль играют моменты их появления (моменты формирования передних фронтов, приводящие к переключениям аттенюатора 2), а не длительность.
упр
i
0
A
0
A
0
0
A
0
Для формирования управляющего напряжения U(t) может быть использована схема, показанная на фиг. 2 (возможный вариант исполнения блока 9 управления). Высокий логический уровень (Ф(ψ-ψ)=1) на выходе компаратора 7 запускает генератор 10 тактовых импульсов, частота которых после делителя 11 составляет 1/t. Указанные импульсы при наличии разрешающего уровня на верхнем по схеме входе логического элемента 3И 12 поступают на его выход и далее на управляющий вход аттенюатора 2. Если после поступления на управляющий вход аттенюатора 2 первого импульса с выхода элемента 3И 12 уменьшившееся усиление приведет к снижению уровня нелинейных искажений ниже порога ψ, то через время t-Δt после поступления управляющего импульса на выходе компаратора 7 установится низкий логический уровень (Ф(ψ-ψ)=0), который отключит тактовый генератор 7 и прекратит, таким образом, выработку импульсов управления. Если же после первого импульса поступившего на управляющий вход аттенюатора уменьшившегося усиления окажется недостаточным для снижения уровня нелинейных искажений ниже порога ψ, то через время t-Δt высокий логический уровень на выходе компаратора 7 останется неизменным, генератор 10 продолжит работу и с делителя 11 поступит очередной (второй) импульс управления. Так будет продолжаться до тех пор, пока не зафиксируется разность ψ-ψ≤0.
Защитный интервал Δt, в частности, может образовываться естественным путем за счет задержки запуска генератора 10, обусловленной переходными процессами. Что же касается сигнала разрешения Ε (см. фиг. 2), то он полезен, прежде всего, с точки зрения пользователя, так как позволяет отключать процесс автокоррекции и таким образом не снижать усиления в тех случаях, когда уровень нелинейных искажений не играет существенной роли. По этой причине наличие разрешающего входа Ε не является обязательным. Также полезным в процессе эксплуатации является индикатор 8, назначение которого - информирование пользователя о включении процесса автокоррекции. В простейшем случае это может быть светодиодный индикатор, включающийся при наличии высокого логического уровня на выходе компаратора 7.
ПФ 4, 5, показанные на схеме устройства (см. фиг. 1), позволяют выделять для анализа заданные частотные полосы, что в случае неравномерной амплитудно-частотной характеристики усилительного тракта позволяет выбирать полосу с минимальной неравномерностью и таким образом снижать влияние частотных искажений на результат определения нелинейных искажений и, как следствие, на процесс автокоррекции. Причем важное требование, которое должно соблюдаться в случае фильтрации сигналов - это максимально идентичные характеристики используемых фильтров. При равномерной в диапазоне рабочих частот амплитудно-частотной характеристике от указанных фильтров можно отказаться.
Следует иметь в виду, что управление коэффициентом усиления усилителя, как показано на схеме по фиг. 1, не единственный вариант получения ожидаемого результата. В тех случаях, когда существует риск перегрузок входных каскадов, рекомендуется управлять ослаблением входного сигнала путем применения входного аттенюатора 13, как показано на фиг. 3. Причем входной сигнал для подачи на вход измерителя нелинейных искажений может подаваться как с исходным уровнем (см. фиг. 4, где нижний по схеме вход измерителя 27 объединен со входом предварительного усилителя 22), так и после предварительного усиления, как показано на схемах по фиг. 1 и 3.
Относительно показанных на схемах по фиг. 3, 4 измерителей нелинейных искажений 18, 27, фильтров 16, 17, 25, 26, компараторов 19, 28, блоков 21, 30 управления и индикаторов 20, 29 заметим, что они имеют то же назначение, что и показанные ранее.