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一種基于連續(xù)對數(shù)掃頻的線性脈沖響應測量方法及系統(tǒng)與流程

文檔序號:11946663閱讀:1473來源:國知局
一種基于連續(xù)對數(shù)掃頻的線性脈沖響應測量方法及系統(tǒng)與流程
本發(fā)明涉及功放或揚聲器測量評估領域,特別涉及一種基于連續(xù)對數(shù)掃頻的線性脈沖響應測量方法及系統(tǒng)。
背景技術
:目前在電子電路中,例如功放器件、揚聲器之類的傳感器等,都需要測量其頻率響應這一參數(shù),以評估其信號處理的性能,在時域上也就是線性脈沖響應,亦稱之為傳遞函數(shù)。脈沖響應描述了系統(tǒng)對各個頻率信號幅度在傳輸過程中的損失,以及不同頻率信號在傳輸過程中的延時。脈沖響應測量是一個相對比較成熟的課題,也有較多的儀器給出了解決方案。脈沖響應的本義在于,一個狄拉克函數(shù)的脈沖信號經(jīng)過系統(tǒng),系統(tǒng)的輸出即為系統(tǒng)的脈沖響應。因此,最直接的方法就是用一個狄拉克脈沖信號激勵被測物體,測量系統(tǒng)的輸出響應。但是工程實際中,這樣的函數(shù)脈沖信號是不存在的,所以只是存在于理論上的方案。后來有研究者提出偽脈沖信號的方法,例如在房間脈沖響應測量中,用槍聲或者氣球扎破的聲音作為狄拉克函數(shù)脈沖信號。但是這種信號的能量較小,信噪比不高,而且與真實的狄拉克函數(shù)還是有不少差別,所以測量并不準確。后來的工程應用中的脈沖響應測量,大致可以分為兩種,其一是噪聲信號法,其二是掃頻法。其中,噪聲信號只要是根據(jù)維納霍夫解進行計算。由于噪聲信號的頻譜特性,其自相關系數(shù)矩陣較為簡單,再根據(jù)系統(tǒng)輸出的互相關系數(shù)矩陣,據(jù)此計算得到系統(tǒng)脈沖響應的系數(shù)。其中,噪聲信號可以是白噪聲信號,也有粉紅噪聲作為激勵信號的案例。不過應用最為廣泛的還是最長序列碼(MaximumLengthSequence,MLS)。這是一種數(shù)字式的人為構造的偽隨機序列,其頻譜分布于白噪聲分布類似,并且信號可控,所以在工程中易于操作。至于掃頻法(sweepsine),又可以具體分為連續(xù)對數(shù)掃頻和離散對數(shù)掃頻。離散對數(shù)掃頻是輸入信號為離散頻率點的單頻信號,即每個時間段只有一個單個頻率的信號,測量系統(tǒng)輸出信號中的與輸入信號相同的頻率成分即為該頻率的線性響應,然后下一個時間測量下一個頻率點的輸入和輸出,進行計算,按序進行,直至掃描完整個期望的頻帶。得到了系統(tǒng)的頻率響應后,變換到時域上就可以得到系統(tǒng)的時域脈沖響應。這種辦法的測量結果相對比較準確,但是掃描速度太慢。連續(xù)對數(shù)掃頻也可以分為線性掃頻和對數(shù)掃頻。其中線性掃頻指掃頻信號的頻率是隨著時間線性變化的,而對數(shù)掃頻指掃頻信號的頻率隨時間變化的規(guī)律滿足對數(shù)或者指數(shù)函數(shù)。盡管有研究專門比較了線性掃頻法和對數(shù)掃頻法之間的差別。研究指出,對數(shù)掃頻法對系統(tǒng)的非線性失真具有較好的抗干擾性能。但是,當前的研究并沒有分析諧波失真對線性脈沖響應的影響。在失真比較嚴重的情況下,如何準確得到系統(tǒng)的線性脈沖響應,在工程應用中更具有實用價值。以揚聲器的脈沖響應測量為例,當激勵信號幅度較小,揚聲器系統(tǒng)處于線性狀態(tài),測試測量得到的響應就是線性脈沖響應。但是此時由于系統(tǒng)輸出信號幅度較小,所以信噪比較小,可能會給測量結果帶來一些誤差。為了提高信噪比,需要增加激勵信號的幅度。而且正常工作中的揚聲器系統(tǒng),其工作狀態(tài)往往不再處于線性狀態(tài),此時,系統(tǒng)的非線性特性就會疊加到系統(tǒng)的線性響應中,給系統(tǒng)的線性脈沖響應測量帶來影響。本發(fā)明所要提出的方法正是基于連續(xù)對數(shù)掃頻法測量系統(tǒng)線性脈沖響應。尤其針對被測系統(tǒng)工作在非線性狀態(tài),如何從非線性失真的影響中提取出準確的線性脈沖響應正是本發(fā)明的核心內(nèi)容所在。并且采用該發(fā)明的測量方法,可以無條件地應用在被測系統(tǒng)處于線性狀態(tài)無非線性失真的情況。技術實現(xiàn)要素:本發(fā)明的目的在于克服目前現(xiàn)有的技術中不能夠分離線性脈沖響應和非線性失真所導致系統(tǒng)的線性脈沖響應測量估計不準確的問題,提供了一種可以適用于線性狀態(tài)以及非線性狀態(tài)的被測系統(tǒng)的基于連續(xù)對數(shù)掃頻的線性脈沖響應測量方法及系統(tǒng)。為達到上述目的,本發(fā)明采用技術方案為:一種基于連續(xù)對數(shù)掃頻的線性脈沖響應測量方法,包括如下步驟:S1、設置掃頻信號參數(shù),生成掃頻信號及所述掃頻信號的逆信號;S2、以所述掃頻信號激勵被測系統(tǒng),同步采集所述被測系統(tǒng)的輸出信號;S3、對所述輸出信號和所述逆信號進行解卷積得到一個脈沖序列;S4、設置延時窗函數(shù),從所述脈沖序列中截取各階的脈沖響應;S5、對所述各階的脈沖響應進行時域求解得出線性脈沖響應。優(yōu)選地,步驟S1具體包括如下步驟:S1-1、設置掃頻信號的起始角頻率ω1、終止角頻率ω2以及掃頻信號的時間持續(xù)長度T,并滿足式(1)或式(2),ξ=0+2ηπ,η=…,-1,0,1,2,…(1)ξ=π+2ηπ,η=…,-1,0,1,2,…(2)其中,S1-2、生成式(3)所示的掃頻信號x(n),x(n)=A·sin[φ(n)](3)其中,A是掃頻信號的幅度大小,N是掃頻信號的總采樣點數(shù);S1-3、生成所述掃頻信號的如式(4)所示的逆信號x~(n)=ω1ξ2πATe-nln(ω2/ω1)N·x(-n)---(4)]]>優(yōu)選地,步驟S2中,將所述掃頻信號饋給被測系統(tǒng),通過聲音傳感器同步采集得到所述被測系統(tǒng)響應后的輸出信號。更優(yōu)選地,所述輸出信號為電信號。優(yōu)選地,步驟S3中,所述脈沖序列是由一段延時的脈沖響應序列組組成的一維脈沖響應序列。優(yōu)選地,步驟S4中,通過多個不同的矩形窗函數(shù)從所述脈沖序列k(n)中截取出各次諧波的脈沖響應分別為ki(n),i=1,2…;ki(n)如通式(5)所示,ki(n)=k(n)·[u(n+γi0)-u(n+γi0-Mi)](5)其中,u(n+γi0)是階躍響應函數(shù),γi0表示第i個脈沖響應的延時偏移量。更優(yōu)選地,步驟S5中,根據(jù)式(6)求出線性脈沖響應h1(n)。h1(n)=k1(n)+3k3(n)+5k5(n)(6)一種基于連續(xù)對數(shù)掃頻的線性脈沖響應測量系統(tǒng),包括:連續(xù)掃頻信號生成模塊,用于根據(jù)預設的的起始頻率、截止頻率以及掃頻信號長度生成連續(xù)對數(shù)掃頻信號以及所述掃頻信號的逆信號,以保證測量所需帶寬的信號失真響應;一維脈沖序列計算模塊,用于計算得到各階非線性對應的脈沖序列,并且保證每個獨立的脈沖序列是時域分離的;延時窗模塊,用于計算得到各階非線性所對應的窗函數(shù),在時間脈沖序列上對應著不同的延時窗,從整個脈沖響應時間序列上獲取各階線性和非線性對應的脈沖響應;線性脈沖響應計算模塊,用于計及系統(tǒng)的高次非線性失真的影響,時域求解得到被測系統(tǒng)線性狀態(tài)下的脈沖響應。優(yōu)選地,所述線性脈沖響應測量系統(tǒng)具有用于連接聲音傳感器的輸入接口和用于連接被測系統(tǒng)的輸出接口。本發(fā)明采用以上方案,相比現(xiàn)有技術具有如下優(yōu)點:本發(fā)明所采用的掃頻辦法,考慮到了高階非線性響應的影響,盡可能消除了非線性響應,提取除了純粹的線性脈沖響應。同時該方法在線性系統(tǒng)中保持有效。本發(fā)明的優(yōu)選方案,還進一步具有如下優(yōu)點:1、本發(fā)明首次明確提出了連續(xù)對數(shù)掃頻信號所應該滿足的起始頻率、截止頻率以及信號的時間長度所應該滿足的條件標準,對于實際工程操作具有較好的指導意義;2、本發(fā)明所提出的信號要求和脈沖響應求解辦法有利于準確得到線性脈沖響應,而不會引入誤差,包括幅度誤差和相位誤差;3、本發(fā)明給出了延時窗函數(shù)的計算方法,從而避免了相位延時誤差,這對于一些逆濾波器的設計或者補償具有重要的意義;4、本發(fā)明的連續(xù)對數(shù)掃頻測量線性脈沖響應的辦法可以廣泛應用于電視機,電腦和手機等個人音頻領域電子器件的時域傳遞函數(shù)測量中,同時也可以應用于其他電子器件相關的測量評估,具有速度快(僅需要數(shù)秒即可)、測量準等優(yōu)點。附圖說明圖1是本發(fā)明的基于連續(xù)對數(shù)掃頻的線性脈沖響應測量方法的流程圖;圖2是仿真實驗所采用的濾波器結構圖;圖3a是仿真實驗中本發(fā)明的測量方法得到的線性脈沖響應與被測系統(tǒng)的真實的線性脈沖響應的對比;圖3b是仿真實驗中本發(fā)明的測量方法得到的幅頻響應與被測系統(tǒng)的真實的幅頻響應的對比;圖4a-1、4a-2分別為本發(fā)明的掃頻信號的時域波形圖和時頻圖;圖4b-1、4b-2分別為本發(fā)明的與掃頻信號對應的逆信號的時域波形圖和時頻圖;圖5為解卷積得到的脈沖序列時域曲線;圖6a為本發(fā)明的測量方法得到的線性脈沖響應與被測系統(tǒng)真實的線性脈沖響應的對比;圖6b為本發(fā)明的測量方法得到的幅頻響應與被測系統(tǒng)的真實的幅頻響應的對比;圖7a為本發(fā)明的測量方法在被測系統(tǒng)處于線性工作狀態(tài)(沒有失真的情況下)得到的線性脈沖響應與被測系統(tǒng)真實的線性脈沖響應的對比;圖7b為本發(fā)明的測量方法在被測系統(tǒng)處于線性工作狀態(tài)(沒有失真的情況下)得到的幅頻響應與被測系統(tǒng)真實的幅頻響應的對比。具體實施方式下面結合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進行詳細闡述,以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領域的技術人員理解。本發(fā)明的基本思想是給出連續(xù)掃頻信號的設置參數(shù),以保持起始頻率、截止頻率和掃頻信號時間長度需要滿足的嚴格準則,以及相應的求解線性脈沖響應的時域求解辦法?;谏鲜鏊枷朐O計的本發(fā)明的測量方法消除了現(xiàn)有技術中的連續(xù)掃頻測量脈沖響應方法存在的測量結果準確性不可控的問題。本發(fā)明的基于連續(xù)對數(shù)掃頻的線性脈沖響應測量方法,包括如下步驟:S1-1、設置掃頻信號的起始角頻率ω1、終止角頻率ω2以及掃頻信號的時間持續(xù)長度T,并滿足式(1)或式(2),ξ=0+2ηπ,η=…,-1,0,1,2,…(1)ξ=π+2ηπ,η=…,-1,0,1,2,…(2)其中,它是關于起始角頻率ω1、終止角頻率ω2和長度T的函數(shù);S1-2、生成式(3)所示的掃頻信號x(n),x(n)=A·sin[φ(n)](3)其中,A是掃頻信號的幅度大小,它是關于采樣點n的函數(shù),N是掃頻信號的總采樣點數(shù),掃頻信號的采樣率為fs=N/T,式(3)的另一種表達形式為,x(n)=Asin{ω1Tln(ω2/ω1)[enln(ω2/ω1)N-1]}]]>從上式可見,掃頻信號是一個頻率隨時間變化的正弦信號,其頻率變化呈指數(shù)型增長。S1-3、生成所述掃頻信號的如式(4)所示的逆信號x~(n)=ω1ξ2πATe-nln(ω2/ω1)N·x(-n)---(4)]]>從上式可以看到,逆信號是對掃頻信號的時間反轉(zhuǎn)信號x(-n)進行指數(shù)衰減形式的調(diào)制,以滿足逆信號與掃頻信號x(n)的卷積為狄拉克函數(shù)δ(n),它同樣是一個頻率隨時間變化的信號,且頻率變化隨時間呈指數(shù)衰減關系。S2、將所述掃頻信號x(n)饋給被測系統(tǒng),通過聲音傳感器(如,麥克風)同步采集得到所述被測系統(tǒng)響應后的輸出信號y(n),輸出信號y(n)可以是電信號,也可以是其他的能量形式,輸出信號x(n)和輸入信號y(n)的采集需要保持完全同步,這樣可以避免測量計算中的相位延時誤差。S3、對所述輸出信號和所述逆信號進行解卷積得到一個脈沖序列,所述脈沖序列是由一段延時的脈沖響應序列組組成的一維脈沖響應序列k(n)。S4、通過多個不同的矩形延時窗函數(shù)從所述脈沖序列k(n)中截取出各次諧波的脈沖響應分別為ki(n),i=1,2…;ki(n)如通式(5)所示,ki(n)=k(n)·[u(n+γi0)-u(n+γi0-Mi)](5)其中,u(n+γi0)是階躍響應函數(shù)(可參見“吳大正.信號與線性系統(tǒng)分析[M].高等教育出版社,2008”等),γi0表示第i個脈沖響應的延時偏移量的常數(shù);ki(n)具體為k1(n)=k(n)·[u(n)-u(n-M1)]k2(n)=k(n)·[u(n+γ20)-u(n+γ20-M2)]...kp(n)=k(n)·[u(n+γp0)-u(n+γp0-Mp)].]]>S5、對所述各階的脈沖響應進行時域求解得出線性脈沖響應,如根據(jù)式(6)求出線性脈沖響應h1(n),h1(n)=k1(n)+3k3(n)+5k5(n)(6)這里僅僅考慮了三次和五次非線性失真的影響,并且消除了三次和五次非線性的影響而得到純粹的線性脈沖響應。這足以描述一般的消費電子類器件的諧波失真,因為常見系統(tǒng)的諧波失真的幅度一般隨著諧波失真的階次增加而增大。當然,如果需要計算更高階的諧波失真,只需要遵從上式的規(guī)律進行拓展即可。一種用于實施上述測量方法基于連續(xù)對數(shù)掃頻的線性脈沖響應測量系統(tǒng),包括:連續(xù)掃頻信號生成模塊,用于根據(jù)預設的的起始頻率、截止頻率以及掃頻信號長度生成連續(xù)對數(shù)掃頻信號以及所述掃頻信號的逆信號,以保證測量所需帶寬的信號失真響應;一維脈沖序列計算模塊,用于計算得到各階非線性對應的脈沖序列,并且保證每個獨立的脈沖序列是時域分離的;延時窗模塊,用于計算得到各階非線性所對應的窗函數(shù),在時間脈沖序列上對應著不同的延時窗,從整個脈沖響應時間序列上獲取各階線性和非線性對應的脈沖響應;線性脈沖響應計算模塊,用于計及系統(tǒng)的高次非線性失真的影響,時域求解得到被測系統(tǒng)線性狀態(tài)下的脈沖響應,即,消除了高階非線性失真的純粹的線性脈沖響應。所述線性脈沖響應測量系統(tǒng)具有用于連接聲音傳感器的輸入接口和用于連接被測系統(tǒng)的輸出接口。在一個仿真實驗中,通過對比一個非線性系統(tǒng)的線性脈沖響應來詳細闡述本發(fā)明的測量方法。一個非線性系統(tǒng)如果可以用一維Volterra濾波器來描述其輸入輸出的非線性特性,當輸入信號為x(n),則其模型的輸出響應表示為y(n)=Σi=0M1-1h1(i)x(n-i)+Σi=0M2-1h2(i)x2(n-i)+...+Σi=0Mp-1hp(i)xp(n-i)+...]]>其中,hp(i)是一維Volterra濾波器核函數(shù),y(n)是模型的輸出;Mp是第p階核函數(shù)的濾波器長度。其中,h1(i)就是該系統(tǒng)的線性脈沖響應。本例中,僅采用5階非線性系統(tǒng)進行仿真分析,其濾波器結構如圖2所示。在仿真試驗中,系統(tǒng)是作為已知的,參數(shù)固定且時不變的非線性系統(tǒng)。分別采用現(xiàn)有測量方法測量該系統(tǒng)在非線性狀態(tài)的線性脈沖響應,以及采用本發(fā)明方法測量得到的系統(tǒng)在非線性狀態(tài)的線性脈沖響應,并與系統(tǒng)已知的線性脈沖響應進行對比,評估各種測量方法的性能。本實施例的具體實施過程包括以下幾步:按照圖3所示,生成連續(xù)對數(shù)掃頻信號。這里信號的參數(shù)為:掃頻起始頻率22Hz,終止頻率20kHz,采樣率為40kHz,根據(jù)本發(fā)明所要求的條件,即ξ=0+2ηπ,η=…,-1,0,1,2,…,選擇掃頻信號長度為T=10.528325s。掃頻信號的時域波形和時頻分布如圖4a-1、4a-2所示。同時生成的還有逆信號,其時域波形和時頻分布如圖4b-1、4b-2所示。此外,選擇另外一個連續(xù)掃頻信號作為對比,其起始頻率為22Hz,終止頻率20kHz,采樣率為40kHz,掃頻信號長度T=9.8s。該掃頻信號并不滿足本發(fā)明所提出的條件準則;設置用于實施該測量方法的測量系統(tǒng)的輸出和輸入接口,其中測量系統(tǒng)的輸出連接被測系統(tǒng)(揚聲器),輸入連接聲音傳感器(可以是麥克風等)采集得到的電信號,作為被測系統(tǒng)的輸出信號,將掃頻信號經(jīng)過功放進行功率放大后饋給揚聲器,同時,系統(tǒng)同步地采集麥克風采集到的信號y(n),該信號就是揚聲器系統(tǒng)的輸出信號,需要注意的是,輸入和輸出必須保證同步,否則將會導致系統(tǒng)的相位響應測量結果出現(xiàn)誤差;用掃頻信號的逆信號卷積采集得到的系統(tǒng)輸出信號y(n),從而得到一組一維脈沖響應序列k(n),該實例中得到的脈沖序列如圖4所示,從圖中可以看到,在時間軸上,脈沖序列是離散分布的,例如,圖中的γ20是其中一個延時窗的起點,而γ30是另一個延時窗的起點,0時刻位置是k1(n)。需要指出的是,增加掃頻信號的時間長度,可以使得脈沖序列之間的距離更遠,其中k1(n)是由系統(tǒng)的線性響應、以及奇數(shù)次諧波響應共同作用形成的脈沖序列;k2(n)是二次諧波響應以及更高偶數(shù)次諧波響應共同作用形成的脈沖序列;同樣的規(guī)律,k3(n)或者更高階數(shù)的脈沖序列是由更高階數(shù)的諧波響應共同作用形成的,通過不同的延時窗,可以從圖5中的一維脈沖響應序列中分離出各階脈沖序列k1(n)、k2(n)以及k3(n)等。同樣地,按照現(xiàn)有掃頻辦法也得到一組脈沖響應序列,其中0時刻向后的序列就定義為線性脈沖響應序列。本例中采用現(xiàn)有的辦法得到的線性脈沖響應如圖3所示,圖中同時給出了系統(tǒng)本身的線性脈沖響應作為對比,從圖3a可以看到,時域波形有明顯的差別,采用現(xiàn)有的測量方法得到的時域脈沖響應有更多的波動峰谷,這也體現(xiàn)在圖3b中的幅頻響應在中高頻處有更多的抖動。根據(jù)本發(fā)明給出的時域求解公式,可以根據(jù)上述步驟(3)得到的非線性脈沖序列,計算出線性脈沖響應,其結果如圖6a、6b所示,圖中同時給出了系統(tǒng)本身的線性脈沖響應作為對比。從圖6a可以看到,時域波形基本重合,并沒有明顯的差別,同樣從圖6b中也看到幅頻響應也是基本吻合的,其中的一些差別是由于測量本身的誤差造成的,從以上描述可知,線性脈沖響應的估計離不開更高階非線性響應的估計,實際情況是,更高階響應的測量估計誤差會隨著階數(shù)增加而增加,這源于更高階響應的信噪比隨著階數(shù)增加而減小,因此更高階非線性的估計誤差導致了線性脈沖響應的誤差,但是本發(fā)明首次考慮了高階非線性的影響,已經(jīng)盡可能降低了線性脈沖響應的誤差,這在實際工程應用中具有重大的意義。此外,該仿真實驗中同時驗證了,當被測系統(tǒng)處于線性狀態(tài)時候,采用本發(fā)明的方法測量得到的線性脈沖響應與系統(tǒng)的響應也是吻合的(如圖7a、7b所示)。從圖7a、7b中可以看到,時域脈沖響應和幅頻響應幾乎是完全重合的。這是因為,更高階的非線性響應均為0,因此根據(jù)本發(fā)明給出的時域求解公式,帶入其中,并不會帶來新的誤差,僅僅會退化成現(xiàn)有的傳統(tǒng)的連續(xù)掃頻測量辦法。總的來說,本發(fā)明的核心在于提出了一種新的掃頻辦法,考慮到了高階非線性響應的影響,盡可能消除了非線性響應,提取除了純粹的線性脈沖響應。同時該方法在線性系統(tǒng)中保持有效,從理論上可以證明本發(fā)明方法在線性系統(tǒng)中將會退化為現(xiàn)有的傳統(tǒng)的掃頻測量脈沖方法。上述實施例只為說明本發(fā)明的技術構思及特點,是一種優(yōu)選的實施例,其目的在于熟悉此項技術的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施,并不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明的精神實質(zhì)所作的等效變換或修飾,都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當前第1頁1 2 3 
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