Интермодулационни изкривявания: концепция, измервателни характеристики и техники за намаляване

При избора на усилватели, монитори и подобно оборудване неопитният човек често се ръководи от показатели като мощност и амплитудно-честотна характеристика. По-претенциозните хора се интересуват от стойността на коефициента на хармонично изкривяване. И само най-запознатите споменават интермодулационните изкривявания. Въпреки че вредното им въздействие е най-широко разпространено от всички. те също така са много трудни за измерване и определяне.

Въвеждаща информация

Първоначално нека започнем с определение. Когато сигнал, формиран от две честоти, се подаде на входа на усилвател, чиято характеристика не е много линейна, това води до генериране на хармоници (обертонове). И не става дума само за двете, но и за техния математически сбор и разлика. Последното се нарича интермодулационно изкривяване.

Кратък пример

Да предположим, че имаме сигнал. Той има две честоти - 1000 Hz и 1100 Hz. Това означава, че на изхода на усилвателя ще се генерират и сигнали с честота 2100 Hz (1000+1100) и 100 Hz (1100-1000). А това са само производните на хармоничните от първи ред!

Друг пример. Вземете две честоти, които се различават с една квинта. Нещо като 1000 Hz и 1500 Hz. В този случай хармоници от втори ред ще бъдат 2000 Hz и 3000 Hz, а хармоници от трети ред ще бъдат 3000 Hz и 4500 Hz. По отношение на 1000 Hz стойностите на 2000 Hz, 3000 Hz и 4500 Hz са октава, дуодецима и нона. При 1500 Hz случаят е малко по-различен. По отношение на него хармониците на честотите 2000 Hz, 3000 Hz и 4500 Hz са квартови, октавови и дуодови.

Струва си да се отбележи, че обертоновете, създавани от двете разглеждани честоти, са свързани с основните тонове. Това обаче не е изненадващо, като се има предвид, че всички музикални инструменти създават естествени хармонии, когато се използват.

Какви са характеристиките на интермодулационните изкривявания?

Спецификата им се състои в това, че генерират сигнали, чиито честоти са сумата и разликата на обертоновете. Следва да се отбележи, че получените комбинации не винаги съответстват на стойностите на основните показатели. Освен това при сложно спектрално разпределение на резултатите това не само не води до обогатяване на хармоничната структура (както е възможно при обертоновете от нисък ред), но и започва да прилича на обичайното добавяне на шум.

Това е особено вярно, когато създавате или възпроизвеждате сложни музикални сигнали. Измерването на интермодулационните изкривявания включва опит да се определи степента на нелинейност на системата. При високоговорителите например тези ефекти се дължат на различни стойности на еластичността на системата от подвижни мембрани. Прилага се и за поведението на магнитните полета при различни условия на възбуждане. Между другото, високоговорителят е добър пример за система, която показва асиметрично поведение при различни нива на силата на звука.

Всъщност това води до нелинейни явления в акустичния изход от него. Ако високоговорителят беше система със симетрично поведение, нямаше да има никакви предпоставки за появата на интермодулационни изкривявания. От това между другото следва, че ако на изхода на една система има хармоник, винаги трябва да има някаква степен на нелинейност.

Какъв е междинният извод, който може да се направи от този?

В обобщение на гореизложеното, хармоничните изкривявания не демонстрират появата на процеси, водещи до немузикални системи. Освен това директните сравнения между различни устройства, използващи този параметър, могат да доведат до значително объркване по отношение на качеството на сигналите, които те произвеждат.

Един много очевиден пример са интермодулационните изкривявания в усилвателите. Там мнозина смятат, че лампите имат по-добър звук от транзисторите. Въпреки че последният генерира на порядък по-малко изкривявания.

За измерването и изкривяването

Вече е ясно, че интермодулационните изкривявания са проблем - реален и все още скрит. Но ако искате да го намалите, ще трябва много да учите и да работите за това. Руският електроакустик Александър Войшвило постига добри резултати. Трудът му се препоръчва за изучаване от всички, които желаят да разширят собствените си познания в тази област. Преди всичко трябва да се отбележи, че в зависимост от генерираната честота се появяват изкривявания.

В същото време се установява, че праговото ниво е превишено. Това се наблюдава в случаите, когато се откриват интермодулационни изкривявания от трети ред, както и изкривявания от втори ред. При всяка отделна честота нивото на хармониката може да се намери чрез изваждане на изкривяването от нивото на реагиране, наблюдавано при аксиална насоченост.

Коя техника за измерване на интермодулационни изкривявания съществува?

За основа се използват теориите за свързването и вероятностите, както и математическата статистика. Те се допълват от спектрален анализ, методи за апроксимиране на нелинейни характеристики и компютърна симулация на многолъчеви диаграми. Ако разгледаме по-конкретни решения обаче, те са:

1. Компютърно ориентиран метод за анализ и изчисление на спектъра на изходния сигнал с апроксимация на предавателните характеристики с помощта на функции на Бесел. Той има висока точност, която варира между 0,1...0,2 dB.
2. Група числено аналитични методи за многопътно моделиране. Тези ефекти не са широко разпространени поради своята новост, но тяхната ефективност е потвърдена от експериментални проучвания.
3. Използване на набор от параметри и модели за полярни и спектрални диаграми на паразитните и главните лобове. Той се използва широко на работа със сателитни комуникационни системи, за които се предоставя зонална услуга.

Това не са всички методи за измерване на интермодулационни изкривявания. Радиотрасетата могат да се характеризират със специфични особености, които трябва да се вземат предвид както при провеждането на операциите, така и при решаването на задачата за смекчаване на въздействието.

Практически решения за защита

Няма универсален отговор на това предизвикателство. Ето защо се обръщат към:

1. Софтуерно-хардуерен коректор на характеристиките на прехвърляне. Подобрява ефективността с 10-15%, като същевременно намалява консумацията на енергия с 15-20%. Освен това капацитетът на лентата на системата е увеличен с 5 %.
2. Алгоритми и програми за теоретични изчисления за контрол на Рамановия спектър и паразитното излъчване. Те позволяват същото 10-15% увеличение на ефективността на трасетата за предаване, като същевременно намаляват консумацията на енергия с 15-20%.
3. Компютърно базиран анализ на Рамановия спектър чрез апроксимация на функцията на Бесел. Това решение дава възможност за изчисляване на теоретичните стойности и за контрол и намаляване на паразитните емисии във функциониращите системи.

Както и редица други. Избира се нещо конкретно в зависимост от целите, които трябва да се преследват, както и от действителните проблеми.

Малко практически опит

Как да слушате интермодулационни изкривявания, за да можете да реагирате на тях? Защо изобщо ги измервате?? Това не е толкова лесно, колкото изглежда на пръв поглед. Големината на интермодулационните изкривявания зависи от честотния диапазон на сигнала, абсолютното му ниво, сложността, съотношението между пикова и средна стойност, формата на вълната, взаимодействието между посочените фактори и редица други причини. Затова е трудно да се измерят стойностите. Защото се случват процеси, при които една честота влияе върху генерирането на други честоти. А количеството на вариациите, чисто теоретично, може да се доближи до безкрайност.

Коефициентът на интермодулационни изкривявания играе важна роля при оценката. Това е мярка за присъщите на усилвателя нелинейни изкривявания. Коефициентът на интермодулационно изкривяване се използва, за да покаже каква част от основния сигнал са допълнителни трептения. Предполага се, че стойността не може да надвишава 1 %. Колкото по-ниска е тя, толкова по-голяма е верността на източника. Усилвателите от висок клас се отличават с коефициенти, които са в стотни от процента или дори по-малко.

Не само източници

Появата на изкривяване не се ограничава само до една точка на образуване. При опитите за улавяне на сигнали възникват и някои проблеми. Ето как се появяват интермодулационните изкривявания в приемниците. Това важи с особена сила за различни видове радиооборудване. В края на краищата е много важно да се намали нивото на полезния сигнал, както и съотношението му с шума. Трябва да се отбележи, че силната интерференция може да попречи дори на съседните сигнали. В този случай говорим за наличие на кръстосано изкривяване.

Това явление се появява, когато сигналът и радиосмущенията не съвпадат с честотите на основните и подобни канали. Какво е естеството на това явление?? Пресичането възниква като конкретен резултат от взаимодействието на спектралните компоненти на модулираното смущение и желания сигнал върху нелинейните характеристики на приемника. По този начин се нарушава видимостта и нормалното приемане става невъзможно, ако има значителни проблеми.

Запомнете важните моменти

Интермодулационните изкривявания имат тенденция да се превръщат в модулиран шум. За да разберем същността на явлението, е достатъчно да си представим ситуация, в която у дома някой иска да слуша хубава музикална система, а зад прозореца има човек, който напълно владее моторен трион по предназначение. Нивата на шума зависят от спектралната плътност и силата на звука на музиката.

Въпреки че трябва да се отбележи, че няма пряка връзка между. При наличие на интермодулационни изкривявания се губи възприемчивостта и яснотата. При ниски нива на сигнала Детайлите са изгубени, както и характерната лекота. Това е особено проблематично за духовите оркестри и хоровете. Ако човек е свикнал да ги слуша на живо, опитът да чуе същите песни по високоговорител може да бъде много разочароващ.

Това е така, защото когато всичко се смесва и възпроизвежда през два високоговорителя, изкривяването става много видимо. Докато ако поставите обектите в различни точки на пространството, броят на проблемите е на порядък по-малък.

Интересни изследвания

Бих искала да спомена резултатите от проучвания, които могат да бъдат проведени с многочестотния метод. Става дума за това, че през системата преминават едновременно няколко сигнала с различни тонове. Честотите са избрани така, че да осигуряват максимално разделяне на интермодулационните компоненти. Това дава по-точна представа за проблемната област.

Многочестотният метод ви позволява да разберете, че в много случаи общото количество на отчетените интермодулационни изкривявания е четири пъти по-голямо от сумата на коефициентите на нелинейните изкривявания. От това може да се направи просто заключение. А именно това, което често се счита за хармонично изкривяване, всъщност се състои предимно от явления с интермодулационен характер. Тогава е много лесно да се обясни защо стойността на коефициента не е добре свързана с действителния чуваем звук.

Заключение

Това е всичко, което средностатистическият човек трябва да знае за интермодулационните изкривявания. Трябва да се отбележи, че тази тема е много широка и обхваща много области, дори космоса! Но обемът на знанията, които могат да бъдат предоставени, е интересен само за тези, които се занимават със сериозни изследвания и проучвания.