Інтермодуляційні спотворення: поняття, особливості вимірювань і методи зниження

Недосвідчена людина при виборі підсилювачів, моніторів і подібної техніки часто керується такими показниками як потужність і амплітудно-частотна характеристика. Більш підковані люди цікавляться значенням коефіцієнта гармонійних викладів. І тільки найбільш обізнані згадують інтермодуляційні спотворення. Хоча їх згубний вплив найбільш масштабне Серед всіх перерахованих. До того ж, вони дуже важко вимірюються і визначаються.

Вступна інформація

Спочатку почнемо з визначення. Коли сигнал, що формується з двох частот, подається на вхід підсилювача, який володіє не дуже лінійною характеристикою, то це веде до генерування гармонік (обертонів). Причому в цьому беруть участь не тільки два цих показника, але і їх математична сума і різниця. Ось останнє і називають інтермодуляційними спотвореннями.

Невеликий приклад

Припустимо, що у нас є сигнал. Він складається з двох частот - 1000 і 1100 Гц. Це означає, що на виході підсилювача будуть генеруватися також сигнали з частотою в 2100 Гц (1000+1100) і 100 Гц (1100-1000). І це лише похідні гармоніки першого порядку!

Ще один приклад. Беруться дві частоти, що відрізняються на квінту. Якось 1000 Гц і 1500 Гц. В даному випадку гармоніки другого порядку становитимуть 2000 Гц і 3000 Гц, а третього-3000 Гц і 4500 Гц. Відносно 1000 Гц, значення в 2000 Гц, 3000 Гц і 4500 Гц є октавою, дуодецимой і ноной. З 1500 Гц справа йде трохи інакше. По відношенню до нього гармоніка частот в 2000 Гц, 3000 Гц і 4500 Гц є квартою, октавою і дуодецимой.

Слід зазначити, що вироблені обертони обох розглянутих частот співвідносяться з основними тонами. Втім, це не дивно, враховуючи, що все Музичні інструменти при використанні створюють природні гармоніки.

Які особливості мають інтермодуляційні спотворення?

Їх специфіка полягає в тому, що здійснюється генерування сигналів, частоти яких є сумою і різницею обертонів. Слід зазначити, що вироблені комбінації не завжди співвідносяться зі значеннями основних показників. Більш того, при складному спектральному розподілі результатів це не тільки не призводить до збагачення гармонійної структури (як це можливо з обертонами нижчих порядків), але і починає нагадувати звичайне додавання шуму.

Це особливо актуально при створенні або відтворенні комплексного музичного сигналу. Вимірювання інтермодуляційних спотворень має на увазі під собою спробу визначити ступінь нелінійності системи. Наприклад, в гучномовцях подібні ефекти виникають завдяки різним значенням пружності рухомої системи дифузора. Також відноситься і до поведінки магнітних полів в різних умовах збудження. ДО РЕЧІ, гучномовець-це хороший приклад системи, у якої спостерігається несиметрична поведінка на різних рівнях гучності.

Власне, це і призводить до виникнення нелінійних явищ на акустичному виході з нього. Якби гучномовець був би системою з симетричною поведінкою, то в ній би були відсутні можливі передумови для того, щоб виникали інтермодуляційні спотворення. З цього, до речі, виходить, що якщо на виході системи є гармоніка, то завжди повинна бути певна нелінійність.

Який проміжний висновок з цього можна зробити?

Підводячи підсумок вищесказаного, слід зазначити, що гармонійні спотворення не демонструють виникнення процесів, що ведуть до не музикальності систем. Більш того, пряме порівняння різних пристроїв за цим параметром може ввести в істотні помилки щодо якості генеруються сигналів.

Одним з дуже показових прикладів є інтермодуляційні спотворення в підсилювачах. Там, багато хто вважає, що лампові володіють кращим звуком ніж транзисторні. Хоча другі генерують на порядок менше спотворень.

Про вимірювання та спотворення

Вже зрозуміло, що інтермодуляційні спотворення є проблемою-реальною і при цьому прихованою. Якщо ж стоїть завдання її зменшення, то для цього доводиться напружитися і попрацювати, попередньо вивчивши. Хороших результатів домігся Російський електроакустик Олександр Войшвілло. Його роботи рекомендовані для вивчення всім, хто хоче розширити власні пізнання в цій області. В першу чергу слід зазначити, що спотворення проявляються залежно від генерованої частоти.

При цьому фіксується перевищення порогового рівня. Це спостерігається в тих випадках, коли фіксуються інтермодуляційні спотворення третього порядку, так само як і другого. На будь-якій окремо взятій частоті рівень гармоніки можна знайти завдяки відніманню спотворення від рівня відгуку, який спостерігається в осьовій спрямованості.

Які методи вимірювання інтермодуляційних спотворень існують?

В якості основи використовуються теорії зв`язку і ймовірностей, а також математична статистика. Їх доповнює спектральний аналіз, методи апроксимації нелінійних характеристик і комп`ютерне моделювання багатопроменевих діаграм. Якщо ж говорити про більш конкретні рішення, то це:

1. Комп`ютерно-орієнтований метод аналізу і розрахунку спектра вихідного сигналу з апроксимацією передавальних характеристик за допомогою функцій Бесселя. Він відрізняється високою точністю, яка коливається в діапазоні 0,1 ... 0,2 дБ.
2. Група чисельно-аналітичних методів моделювання багатопроменевих діаграм. Широкого поширення не набули через новизну, але їх дієздатність підтверджена експериментальними дослідженнями.
3. Використання масиву параметрів і моделей паразитних і головних пелюсток полярних і спектральних діаграм спрямованості. Це широко використовується при роботі з системами супутникового зв`язку, для яких передбачено зональне обслуговування.

Це не всі методики вимірювань інтермодуляційних спотворень. Радіотракт може характеризуватися наявністю специфічних особливостей, які необхідно враховувати як при веденні роботи, так і при вирішенні завдання зниження впливу.

Практичні рішення щодо захисту

Єдиної універсальної відповіді на цей виклик не існує. Тому, звертаються до:

1. Програмно-апаратного коректора передавальних характеристик. Він дозволяє підвищувати коефіцієнт корисної дії на 10-15%, одночасно зменшуючи енергоспоживання на 15-20 %. Крім цього, можливості пропускання системи збільшуються на 5 %.
2. Алгоритми і програми теоретичного розрахунку, що дозволяють контролювати комбінаційний спектр і паразитне випромінювання. Вони дозволяють домогтися підвищення коефіцієнта корисної дії передавальних трактів на ті ж 10-15 %, знижуючи енергоспоживання на 15-20 %.
3. Використання комп`ютерно-орієнтованого методу аналізу комбінаційного спектра із застосуванням апроксимації функціями Бесселя. Це рішення дозволяє розраховувати теоретичні показники, контролювати і знижувати паразитні випромінювання в функціонуючих системах.

А також ряд інших. Щось конкретне підбирається в залежності від того, які цілі переслідуються, а також орієнтуючись на Актуальні проблеми.

Трохи про практичну роботу

Як прослухати інтермодуляційні спотворення, щоб зреагувати на них? Навіщо їх взагалі вимірювати? Слід зазначити, що це не така вже й легка справа, як може здатися на перший погляд. Величина значень інтермодуляційних спотворень залежить від частотного діапазону сигналу, його абсолютного рівня, складності, співвідношення між піковим і усередненим значенням, від форми хвилі, взаємодії між згаданими факторами і ще від ряду причин. Тому, виміряти значення складно. Адже йдуть процеси, де одні частоти впливають на генерацію інших. І кількість варіацій, суто теоретично, може наближатися до нескінченності.

Важливу роль в оцінці відіграє коефіцієнт інтермодуляційних спотворень. Він є показником йдуть нелінійних спотворень підсилювача. Використовується коефіцієнт інтермодуляційних спотворень для відображення того, яку частину від основного сигналу складають Додаткові генерації. Вважається, що значення даного показника не може перевищувати 1 %. Чим він менший, тим більшою вірністю звучання характеризується джерело. Підсилювачі високого класу можуть похвалитися коефіцієнтом, який дорівнює сотим часткам відсотка або навіть ще менше.

Не тільки джерелами єдиними

Виникнення спотворень не обмежується однією точкою їх формувань. Певні проблеми виникають і при спробі вловити сигнали. Так з`являються інтермодуляційні спотворення в приймачах. Особливо це достовірно для різної радіоапаратури. Адже для неї дуже актуальним є зменшення рівня корисного сигналу, а також погіршення його співвідношення з шумом. Слід зазначити, що потужні перешкоди можуть навіть заважати працювати на сусідніх сигналах. В такому випадку говорять про наявність перехресних спотворень.

Це явище виникає в тих випадках, коли сигнал і радіоперешкоди не збігаються з частотами основного і подібних каналів. Яка природа цього явища? Перехресні спотворення проявляються як приватний результат взаємодії спектральних складових модульованої перешкоди і корисного сигналу на нелінійностях приймача. Розрізнення при цьому погіршується, а при значних проблемах нормальний прийом стає неможливим.

Пам`ятаємо про важливі моменти

Інтермодуляційні спотворення схильні до перетворення в модульований шум. Щоб зрозуміти суть явища досить уявити ситуації, коли вдома хтось хоче послухати хорошу музичну систему, а за вікном знаходиться людина, на всю орудує бензопилою за своїм прямим призначенням. Рівень шуму буде залежати від спектральної щільності та гучності музики.

Хоча слід зазначити, що прямої залежності в даному випадку немає. При наявності інтермодуляційних спотворень буде втрачатися проникливість і чистота звучання. На низьких рівнях сигналу пропадає деталювання, а також втрачається характерна легкість. Особливо проблематично це для духових оркестрів і хорів. Якщо людина звикла слухати їх наживо, то при спробі почути ті ж самі композиції через гучномовець можна залишитися сильно розчарованим.

Це пояснюється тим, що коли все перемішується і відтворюється через дві акустичні системи, спотворення стають дуже очевидними. Тоді як якщо розмістити об`єкти в різних точках простору, то кількість проблем буде на порядок менше.

Цікаві дослідження

Хочеться згадати про результати досліджень, які можна отримати мультичастотним методом. Є суть в тому, що через систему пропускають одночасно кілька сигналів, у які різний тон. При цьому вибираються частоти виходять з того, щоб забезпечити максимальне розділення інтермодуляційних складових. Це дозволяє більш точно зрозуміти проблемну область.

Мультичастотний метод дозволив дізнатися, що в багатьох випадках загальна кількість фіксованих інтермодуляційних спотворень перевищує сумарне значення коефіцієнта нелінійних спотворень в чотири рази. З цього робиться простий висновок. А саме те, що часто вважається гармонійними спотвореннями, насправді в більшій мірі складається з явищ інтермодуляційної природи. В такому випадку дуже легко пояснити, чому ж значення коефіцієнта погано співвідноситься з реальним звучанням, яке сприймається на слух.

Укладення

Ось загалом - то і все, що необхідно знати про інтермодуляційні спотворення звичайній людині. Слід зазначити, що дана тема є дуже широкою і охоплює безліч сфер, навіть космос! Але той великий обсяг знань, з якими можна познайомитися, буде цікавий хіба що для профільних фахівців, які займаються серйозними дослідженнями і дослідженнями.