Интермодуляционные искажения: понятие, особенности измерений и методы снижения

Обсудить Редактировать статью
 

Неопытный человек при выборе усилителей, мониторов и подобной техники часто руководствуется такими показателями как мощность и амплитудно-частотная характеристика. Более подкованные люди интересуются значением коэффициента гармонических изложений. И только самые осведомленные упоминают интермодуляционные искажения. Хотя их пагубное воздействие наиболее масштабное среди всех перечисленных. К тому же, они очень трудно измеряются и определяются.

Вводная информация

Первоначально давайте начнем с определения. Когда сигнал, формирующийся из двух частот, подается на вход усилителя, который обладает не очень линейной характеристикой, то это ведет к генерированию гармоник (обертонов). Причем в этом принимают участие не только два этих показателя, но и их математическая сумма и разница. Вот последнее и называют интермодуляционными искажениями.

Небольшой пример

интермодуляционные искажения в приемниках

Допустим, что у нас есть сигнал. Он состоит из двух частот – 1000 и 1100 Гц. Это значит, что на выходе усилителя будут генерироваться также сигналы с частотой в 2100 Гц (1000+1100) и 100 Гц (1100-1000). И это только производные гармоники первого порядка!

Еще один пример. Берутся две частоты, что отличаются на квинту. Как-то 1000 Гц и 1500 Гц. В данном случае гармоники второго порядка будут составлять 2000 Гц и 3000 Гц, а третьего – 3000 Гц и 4500 Гц. Относительно 1000 Гц, значения в 2000 Гц, 3000 Гц и 4500 Гц являются октавой, дуодецимой и ноной. С 1500 Гц дело обстоит немного иначе. По отношению к нему гармоника частот в 2000 Гц, 3000 Гц и 4500 Гц является квартой, октавой и дуодецимой.

Следует отметить, что производимые обертоны обеих рассмотренных частот соотносятся с основными тонами. Впрочем, это не удивительно, учитывая, что все музыкальные инструменты при использовании создают естественные гармоники.

Какие особенности имеют интермодуляционные искажения?

методы измерения интермодуляционных искажений

Их специфика заключается в том, что осуществляется генерирование сигналов, частоты которых являются суммой и разностью обертонов. Следует отметить, что производимые комбинации не всегда соотносятся со значениями основных показателей. Более того, при сложном спектральном распределении результатов это не только не приводит к обогащению гармонической структуры (как это возможно с обертонами низших порядков), но и начинает напоминать обычное добавление шума.

Это особенно актуально при создании или воспроизведении комплексного музыкального сигнала. Измерение интермодуляционных искажений подразумевает под собой попытку определить степень нелинейности системы. Например, в громкоговорителях подобные эффекты возникают благодаря различным значениям упругости подвижной системы диффузора. Также относится и к поведению магнитных полей в разных условиях возбуждения. Кстати, громкоговоритель – это хороший пример системы, у которой наблюдается несимметрическое поведение на различных уровнях громкости.

Собственно, это и приводит к возникновению нелинейных явлений на акустическом выходе с него. Если бы громкоговоритель был бы системой с симметричным поведением, то в ней бы отсутствовали возможные предпосылки для того, чтобы возникали интермодуляционные искажения. Из этого, кстати, выходит, что если на выходе системы есть гармоника, то всегда должна быть определенная нелинейность.

Какой промежуточный вывод из этого можно сделать?

Подводя итог вышесказанному, следует отметить, что гармонические искажения не демонстрируют возникновение процессов, ведущих к не музыкальности систем. Более того, прямое сравнение различных устройств по этому параметру может ввести в существенные заблуждения относительно качества генерируемых сигналов.

Один очень показательный пример – это интермодуляционные искажения в усилителях. Там, многие считают, что ламповые обладают лучшим звуком нежели транзисторные. Хотя вторые генерируют на порядок меньше искажений.

Об измерении и искажении

интермодуляционные искажения третьего порядка

Уже понятно, что интермодуляционные искажения являются проблемой – реальной и при этом скрытой. Если же стоит задача ее уменьшения, то для этого приходится поднапрячься и поработать, предварительно изучив. Хороших результатов добился русский электроакустик Александр Войшвилло. Его работы рекомендованы для изучения всем, кто хочет расширить собственные познания в этой области. В первую очередь следует отметить, что искажения проявляются зависимо от генерируемой частоты.

При этом фиксируется превышение порогового уровня. Это наблюдается в тех случаях, когда фиксируются интермодуляционные искажения третьего порядка, так же как и второго. На любой отдельно взятой частоте уровень гармоники можно найти благодаря вычитанию искажения от уровня отклика, который наблюдается в осевой направленности.

Какие методы измерения интермодуляционных искажений существуют?

методика измерений интермодуляционных искажений

В качестве основы используются теории связи и вероятностей, а также математическая статистика. Их дополняет спектральный анализ, методы аппроксимации нелинейных характеристик и компьютерное моделирование многолучевых диаграмм. Если же говорить о более конкретных решениях, то это:

  1. Компьютерно-ориентированный метод анализа и расчета спектра выходного сигнала с аппроксимацией передаточных характеристик с помощью функций Бесселя. Он отличается высокой точностью, которая колеблется в диапазоне 0,1…0,2 дБ.
  2. Группа численно-аналитических методов моделирования многолучевых диаграмм. Широкого распространения не приобрели из-за новизны, но их дееспособность подтверждена экспериментальными исследованиями.
  3. Использование массива параметров и моделей паразитных и главных лепестков полярных и спектральных диаграмм направленности. Это широко используется при работе с системами спутниковой связи, для которых предусмотрено зональное обслуживание.

Это не все методики измерений интермодуляционных искажений. Радиотракт может характеризоваться наличием специфических особенностей, которые необходимо учитывать как при ведении работы, так и при решении задачи понижения влияния.

Практические решения по защите

Единственного универсального ответа на этот вызов не существует. Поэтому, обращаются к:

  1. Программно-аппаратному корректору передаточных характеристик. Он позволяет повышать коэффициент полезного действия на 10-15 %, одновременно уменьшая энергопотребление на 15-20 %. Кроме этого, возможности пропускания системы увеличиваются на 5 %.
  2. Алгоритмы и программы теоретического расчета, позволяющие контролировать комбинационный спектр и паразитное излучения. Они позволяют добиться повышение коэффициента полезного действия передающих трактов на те же 10-15 %, понижая энергопотребление на 15-20 %.
  3. Использование компьютерно-ориентированного метода анализа комбинационного спектра с применением аппроксимации функциями Бесселя. Это решение позволяет рассчитывать теоретические показатели, контролировать и понижать паразитные излучения в функционирующих системах.

А также ряд других. Что-то конкретное подбирается в зависимости от того, какие цели преследуются, а также ориентируясь на актуальные проблемы.

Немного о практической работе

коэффициент интермодуляционных искажений

Как прослушать интермодуляционные искажения, чтобы среагировать на них? Зачем их вообще измерять? Следует отметить, что это не такое уж и легкое дело, как может показаться на первый взгляд. Величина значений интермодуляционных искажений зависит от частотного диапазона сигнала, его абсолютного уровня, сложности, соотношения между пиковым и усредненным значением, от формы волны, взаимодействия между упомянутыми факторами и еще от ряда причин. Поэтому, измерить значения сложно. Ведь идут процессы, где одни частоты влияют на генерацию других. И количество вариаций, сугубо теоретически, может приближаться до бесконечности.

Важную роль в оценке играет коэффициент интермодуляционных искажений. Он является показателем идущих нелинейных искажений усилителя. Используется коэффициент интермодуляционных искажений для отображения того, какую часть от основного сигнала составляют дополнительные генерации. Считается, что значение данного показателя не может превышать 1 %. Чем он меньше, тем большей верностью звучания характеризируется источник. Усилители высокого класса могут похвастаться коэффициентом, который равен сотым долям процента или даже еще меньше.

Не только источниками едиными

Возникновение искажений не ограничивается одной точкой их формирований. Определенные проблемы возникают и при попытке уловить сигналы. Так появляются интермодуляционные искажения в приемниках. Особенно это достоверно для различной радиоаппаратуры. Ведь для нее очень актуальным является уменьшение уровня полезного сигнала, а также ухудшение его соотношения с шумом. Следует отметить, что мощные помехи могут даже мешать работать на соседних сигналах. В таком случае говорят о наличии перекрестных искажений.

Это явление возникает в тех случаях, когда сигнал и радиопомехи не совпадают с частотами основного и подобных каналов. Какова природа этого явления? Перекрестные искажения проявляются как частный результат взаимодействия спектральных составляющих модулированной помехи и полезного сигнала на нелинейностях приемника. Различимость при этом ухудшается, а при значительных проблемах нормальный прием становиться невозможным.

Помним о важных моментах

измерение интермодуляционных искажений

Интермодуляционные искажения склонны к превращению в модулированный шум. Чтобы понять суть явления достаточно представить ситуации, когда дома кто-то хочет послушать хорошую музыкальную систему, а за окном находится человек, во всю орудующий бензопилой по своему прямому назначению. Уровень шума будет зависеть от спектральной плотности и громкости музыки.

Хотя следует отметить, что прямой зависимости в данном случае нет. При наличии интермодуляционных искажений будет теряться проницательность и чистота звучания. На низких уровнях сигнала пропадает деталировка, а также теряется характерная легкость. Особенно проблематично это для духовых оркестров и хоров. Если человек привык слушать их вживую, то при попытке услышать те же самые композиции через громкоговоритель можно остаться сильно разочарованным.

Это связано с тем, что, когда все перемешано и воспроизводится через две акустические системы, искажения становятся очень очевидными. Тогда как если разместить объекты в различных точках пространства, то количество проблем будет на порядок меньше.

Интересные исследования

Хочется упомянуть про результаты исследований, которые можно получить мультичастотным методом. Есть суть в том, что через систему пропускают одновременно несколько сигналов, у которые разный тон. При этом выбираются частоты исходят из того, чтобы обеспечить максимальное разделение интермодуляционных составляющих. Это позволяет более точно понять проблемную область.

Мультичастотный метод позволил узнать, что во многих случаях общее количество фиксируемых интермодуляционных искажений превышает суммарное значение коэффициента нелинейных искажений в четыре раза. Из этого делается простой вывод. А именно то, что часто считается гармоническими искажениями, на самом деле в большей мере состоит из явлений интермодуляционной природы. В таком случае очень легко пояснить, почему же значение коэффициента плохо соотносится с реальным звучанием, которое воспринимается на слух.

Заключение

интермодуляционные искажения

Вот в общем-то и все, что необходимо знать про интермодуляционные искажения обычному человеку. Следует отметить, что данная тема является очень широкой и охватывает множество сфер, даже космос! Но тот большой объем знаний, с которыми можно познакомиться, будет интересен разве что для профильных специалистов, которые занимаются серьезными исследованиями и изысканиями.

Статья закончилась. Вопросы остались?
Добавить смайл
  • :smile:
  • :wink:
  • :frowning:
  • :stuck_out_tongue_winking_eye:
  • :smirk:
  • :open_mouth:
  • :grinning:
  • :pensive:
  • :relaxed:
  • :heart:
Подписаться
Присылать на почту
Правила публикации
Следят за новыми комментариями — 8
Редактирование комментария возможно в течении пяти минут после его создания, либо до момента появления ответа на данный комментарий.