СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ УСИЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области радиоавтоматики и может быть использовано при построении систем автоматического управления уровнями сигналов в радиотехнических цепях различного назначения.

В качестве прототипа выбран достаточно распространенный способ автоматической регулировки усиления (АРУ) сигналов, состоящий в том, что на вход усилителя подают входной сигнал, уровень которого может меняться, детектируют выходной сигнал усилителя, сравнивают результат детектирования выходного сигнала с пороговым значением, результат сравнения используют для изменения коэффициента усиления усилителя [Кривицкий Б.X., Салтыков Е.Н. Системы автоматической регулировки усиления. - М.: Радио и связь, 1982, стр.5-9].

Задачей АРУ является управление уровнем выходного сигнала цепи таким образом, чтобы возрастающий уровень сигнала на входе не мог привести к недопустимым нелинейным искажениям на выходе. В классических схемах указанная задача решается относительно просто - путем оценки уровня выходного сигнала: при превышении им некоторого порога на вход управляемого элемента подается напряжение, снижающее усиление в контролируемой цепи. Такой подход является косвенным - он не позволяет непосредственно контролировать уровень нелинейных искажений на выходе, так как для управления усилением используется информация не об объеме нелинейных искажений, а об уровне выходного сигнала, по которому прогнозируют о возможных искажениях. Некоторым шагом вперед является идея принимать решение об изменении усиления путем выявления клиппированных выходных сигналов, что предложено в [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.

Устройство АРУ, реализующее способ-прототип, содержит усилитель с регулируемым усилением, детектор, вычитатель, усилитель разностного сигнала и фильтр нижних частот, вход и выход усилителя с регулируемым усилением являются соответственно входом и выходом устройства, выход усилителя соединен со входом детектора, выход которого соединен с одним из входов вычитателя, выход которого соединен с усилителем разностного сигнала, выход которого соединен с фильтром нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом усилителя с регулируемым усилением [Кривицкий Б.X., Салтыков Е.Н. Системы автоматической регулировки усиления. - М.: Радио и связь, 1982. стр.96, рис.4.1].

Недостатки устройства-прототипа обусловлены способом управления усилением: устройство не позволяет управлять усилением сигнала, контролируя заданный уровень нелинейных искажений.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящей группы изобретений, состоит в повышении эффективности работы средств АРУ - снижения нелинейных искажений в управляемых цепях - за счет прямого контроля нелинейных искажений выходных сигналов.

Технический результат достигается тем, что в способе автоматической регулировки усиления (вариант 1), состоящем в том, что на вход усилителя подают входной сигнал, согласно изобретению определяют нелинейные искажения выходного сигнала усилителя, вносящего искажения, задают пороговое значение нелинейных искажений, сравнивают полученную оценку нелинейных искажений с пороговым значением, результат сравнения используют для изменения коэффициента усиления усилителя.

Технический результат достигается также тем, что в устройство (вариант 1), реализующее способ по варианту 1, содержащее усилитель с регулируемым усилением, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом устройства, согласно изобретению введены измеритель нелинейных искажений, блок сравнения и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом усилителя, ко входу и выходу которого подключены входы измерителя нелинейных искажений, выход которого соединен со входом блока сравнения, выход которого соединен со входом блока управления.

Технический результат достигается также тем, что в способе автоматической регулировки усиления (вариант 2), состоящем в том, что на вход усилителя подают входной сигнал, согласно изобретению определяют нелинейные искажения выходного сигнала усилителя, вносящего искажения, задают пороговое значение нелинейных искажений, сравнивают полученную оценку нелинейных искажений с пороговым значением, результат сравнения используют для изменения уровня входного сигнала.

Технический результат достигается также тем, что в устройство (вариант 2), реализующее способ по варианту 2, содержащее управляемый аттенюатор и усилитель с фиксированным усилением, выход аттенюатора соединен со входом усилителя, выход которого являются выходом устройства, входом которого является вход аттенюатора, согласно изобретению введены измеритель нелинейных искажений, блок сравнения и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора, ко входу аттенюатора и выходу усилителя подключены входы измерителя нелинейных искажений, выход которого соединен со входом блока сравнения, выход которого соединен со входом блока управления.

Технический результат достигается также тем, что в устройство (вариант 3), реализующее способ по варианту 2, содержащее управляемый аттенюатор и усилитель с фиксированным усилением, выход аттенюатора соединен со входом усилителя, выход которого являются выходом устройства, входом которого является вход аттенюатора, согласно изобретению введены измеритель нелинейных искажений, блок сравнения и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора, к выходу аттенюатора и выходу усилителя подключены входы измерителя нелинейных искажений, выход которого соединен со входом блока сравнения, выход которого соединен со входом блока управления.

Технический результат достигается также тем, что в способе автоматической регулировки усиления (вариант 3), состоящем в том, что на вход усилителя подают входной сигнал, согласно изобретению входной и выходной сигналы усилителя фильтруют, выделяя фиксированную полосу частот, после чего в полосе частот, определяемой результатом фильтрации, определяют нелинейные искажения выходного сигнала усилителя, вносящего искажения, задают пороговое значение нелинейных искажений, сравнивают полученную оценку нелинейных искажений с пороговым значением, результат сравнения используют для изменения коэффициента усиления усилителя.

Технический результат достигается также тем, что в устройство (вариант 4), реализующее способ по варианту 3, содержащее усилитель с регулируемым усилением, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом устройства, согласно изобретению введены два фильтра, измеритель нелинейных искажений, блок сравнения и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом усилителя, ко входу и выходу которого через фильтры подключены входы измерителя нелинейных искажений, выход которого соединен со входом блока сравнения, выход которого соединен со входом блока управления.

Технический результат достигается также тем, что в способе автоматической регулировки усиления (вариант 4), состоящем в том, что на вход усилителя подают входной сигнал, согласно изобретению входной и выходной сигналы усилителя фильтруют, выделяя фиксированную полосу частот, после чего в полосе частот, определяемой результатом фильтрации, определяют нелинейные искажения выходного сигнала усилителя, вносящего искажения, задают пороговое значение нелинейных искажений, сравнивают полученную оценку нелинейных искажений с пороговым значением, результат сравнения используют для изменения используют для изменения уровня входного сигнала.

Технический результат достигается также тем, что в устройство (вариант 5), реализующее способ по варианту 4, содержащее управляемый аттенюатор и усилитель с фиксированным усилением, выход аттенюатора соединен со входом усилителя, выход которого являются выходом устройства, входом которого является вход аттенюатора, согласно изобретению введены два фильтра, измеритель нелинейных искажений, блок сравнения и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора, ко входу аттенюатора и выходу усилителя через фильтры подключены входы измерителя нелинейных искажений, выход которого соединен со входом блока сравнения, выход которого соединен со входом блока управления.

Технический результат достигается также тем, что в устройство (вариант 6), реализующее способ по варианту 4, содержащее управляемый аттенюатор и усилитель с фиксированным усилением, выход аттенюатора соединен со входом усилителя, выход которого являются выходом устройства, входом которого является вход аттенюатора, согласно изобретению введены два фильтра, измеритель нелинейных искажений, блок сравнения и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора, к выходу аттенюатора и выходу усилителя через фильтры подключены входы измерителя нелинейных искажений, выход которого соединен со входом блока сравнения, выход которого соединен со входом блока управления.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг.1 представлена функциональная схема устройства с АРУ, реализующего способ по первому варианту (п.1 формулы изобретения). На фиг.2 показаны графики, иллюстрирующие изобретение. На фиг.3 в виде функциональных схем показаны примеры исполнения блока 3 сравнения и блока 4 управления. На фиг.4 и фиг.5 представлены функциональные схемы устройств с АРУ, реализующих способ по второму варианту (п.6 формулы изобретения). На фиг.6 представлена функциональная схема устройства с АРУ, реализующего способ по третьему варианту (п.14 формулы изобретения).

Функциональная схема по фиг.1 содержит усилитель 1 с регулируемым усилением, измеритель 2 нелинейных искажений, блок 3 сравнения и блок 4 управления. Вход и выход усилителя 1 являются соответственно входом и выходом устройства, входы измерителя 2 нелинейных искажений подключены ко входу и выходу усилителя 1, выход измерителя 2 соединен со входом блока 3 сравнения, выход которого соединен со входом блока 4 управления, выход которого соединен с управляющим входом усилителя 1.

Временные диаграммы (фиг.2) содержат графики зависимости коэффициента усиления K_U усилителя с регулируемым усилением от управляющего напряжения U_упр (фиг.2, а) при различных значениях крутизны k₁, k₂ и графики зависимости приращения ΔU_упр управляющего напряжения от показателя нелинейных искажений ψ (фиг.2, б) при различных масштабирующих коэффициентах c₁, c₂.

Функциональная схема по фиг.3 содержит вычитатель 5, регистр 6, образующие блок 3 сравнения и образующие блок 4 управления накапливающий сумматор 7, сумматор 8 и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 9. Первый вход вычитателя 5 является входом блока 3 сравнения, выходом которого является выход вычитателя 5, второй вход которого соединен с выходом регистра 6. Информационный вход накапливающего сумматора 7 является входом блока 4 управления, выход сумматора 7 соединен с первым входом сумматора 8, выход которого соединен с информационным входом ЦАП 9, тактовый вход сумматора 7 является внутренним входом тактовых импульсов блока 4, выходом которого является выход ЦАП 9, второй вход сумматора 8 является входом фиксированного кода U₀.

Функциональная схема по фиг.4 содержит аттенюатор 10, усилитель 11 с фиксированным усилением, измеритель 12 нелинейных искажений, блок 13 сравнения и блок 14 управления. Вход аттенюатора 10 и выход усилителя 11 являются соответственно входом и выходом устройства, входы измерителя 12 нелинейных искажений подключены ко входу аттенюатора 10 и выходу усилителя 11, выход измерителя 12 соединен со входом блока 13 сравнения, выход которого соединен со входом блока 14 управления, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора 10, выход которого соединен со входом усилителя 11.

Функциональная схема по фиг.5 содержит аттенюатор 15, усилитель 16 с фиксированным усилением, измеритель 17 нелинейных искажений, блок 18 сравнения и блок 19 управления. Вход аттенюатора 15 и выход усилителя 16 являются соответственно входом и выходом устройства, входы измерителя 17 нелинейных искажений подключены к выходу аттенюатора 15 и выходу усилителя 16, выход измерителя 17 соединен со входом блока 18 сравнения, выход которого соединен со входом блока 19 управления, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора 15, выход которого соединен со входом усилителя 16.

Функциональная схема по фиг.6 содержит усилитель 20 с регулируемым усилением, полосовые фильтры 21, 22, измеритель 23 нелинейных искажений, блок 24 сравнения и блок 25 управления. Вход и выход усилителя 1 являются соответственно входом и выходом устройства, первый и второй входы измерителя 23 нелинейных искажений подключены соответственно к выходам полосовых фильтров 21 и 22, входы которых подключены соответственно ко входу и выходу усилителя 20, выход измерителя 23 соединен со входом блока 24 сравнения, выход которого соединен со входом блока 25 управления, выход которого соединен с управляющим входом усилителя 20.

Суть заявленного способа и его вариантов, представленных в формуле изобретения, несложно понять из принципа действия реализующего его устройства с АРУ (см. фиг.1). Сигнал, поступающий на вход усилителя 1 с регулируемым усилением, одновременно подается на вход измерителя 2 нелинейных искажений, на другой вход которого поступает сигнал с выхода усилителя 1, который по предположению может вносить нелинейные искажения. Результат оценки нелинейных искажений ψ сравнивается в блоке 3 с заранее заданным пороговым значением ψ₀, например, путем определения разности ψ-ψ₀. Далее в блоке 4 управления в соответствии с полученной ранее информацией задается управляющее напряжение U_упр, воздействующее на управляемый элемент усилителя 1 и изменяя его усиление K_U таким образом, чтобы не допустить превышения измеряемой величиной ψ порога нелинейных искажений ψ₀. Порог ψ₀ выбирается исходя из требований, предъявляемых к конкретным устройствам, в которых используется АРУ и может быть как фиксированным (типичный случай), так и переменным - изменяющимся по командам пользователя, например, в зависимости от характера информации содержащейся в исходных сигналах.

Целесообразно для управления коэффициентом усиления K_U исходить из некоторой средней точки K_U0 регулировочной характеристики K_U(U_упр), показанной на фиг.2,а, а приращение управляющего напряжения ΔU_упр определять так:

где с - постоянный коэффициент.

Приращение ΔU_упр, которое подается на вход блока 4 управления при ψ=ψ₀, равно нулю, а при ψ>ψ₀ как это видно из графиков, показанных на фиг.2,б, ΔU_упр>0, следовательно, рабочая точка смещается по регулировочной характеристике вправо, уменьшая таким образом коэффициент усиления K_U (см. фиг.2,а), и наоборот, при ψ<ψ₀ приращение ΔU_упр приобретает отрицательный знак, а рабочая точка смещается по регулировочной характеристике влево, увеличивая коэффициент усиления. Описанное управление осуществляется при регулировочной характеристике, имеющей вид

где K_Umax - максимальное значение коэффициента усиления усилителя 1;

k - крутизна регулировочной характеристики, устанавливающая скорость изменения K_U;

U₀ - постоянная составляющая управляющего напряжения;

ΔU_упрi - i-oe приращение управляющего напряжения;

N - количество приращений ΔU_упрi за время работы устройства к моменту определения значения K_U.

Причем

Кроме того, из (2) следует, что максимальное значение регулируемого коэффициента усиления KU_max, значение K_U0 и минимальное значение K_Umin определяются следующим образом:

Здесь ΔU_упрmax - максимально возможное напряжение на выходе блока 3 сравнения. Поясняет вышеприведенное график на фиг.2,а, где в качестве иллюстрации используется зависимость K_U(U_упр), соответствующая крутизне k₂.

Изменение K_U, выражаемое формулой (2), вызванное появлением каждого очередного приращения ΔU_упрi, отличного от нуля, продолжается до тех пор, пока не будет получен коэффициент усиления, приводящий к равенству: ψ=ψ₀. Причем, как это несложно понять, процесс установления указанного равенства может происходить как путем уменьшения коэффициента усиления, так и путем его увеличения, в зависимости от уровня входного сигнала. Конечно, на практике получить строгое равенство невозможно, поэтому следует исходить из приближения с заранее предусмотренной погрешностью Δψ, то есть признаком окончания процесса регулирования должно стать выполнение условия

Таким образом, схема будет стремиться с погрешностью Δψ поддерживать заданный уровень нелинейных искажений, регулируя коэффициент усиления K_U при условии, что уровень входного сигнала достаточен для получения в управляемой цепи заданных нелинейных искажений.

При отсутствии входного сигнала измеритель 2 фиксирует нулевой или близкий к нулю уровень нелинейных искажений ψ, следовательно, как это видно из (1), на вход блока 4 управления будет подаваться максимально возможное отрицательное приращение ΔU_упр=-cψ₀, которое при нулевых начальных условиях приведет к максимальному усилению K_Umax, поскольку в этом случае управляющее напряжение U_упр (3) будет равно нулю или близко к нему. Под нулевыми начальными условиями следует понимать ситуацию, когда соблюдается равенство

Это возможно как в начальный момент работы устройства, если в схеме предусматривается принудительное обнуление арифметических устройств, так и в процессе работы АРУ, если перед паузой между сигналами результат корректирующих действий (результат сложения приращений ΔU_упрi) привел к нулевой вышеуказанной текущей сумме, входящей в свою очередь в выражение (3). Если при поступлении сигнала на вход усилителя 1 его уровень окажется настолько низким, что величина нелинейных искажений с учетом погрешности измерителя 2 будет мало отлична от нуля, то коэффициент усиления останется на границе максимально возможного K_Umax, обеспечивая таким образом максимальное усиление слабых сигналов. Разумеется, условие (4) при этом не выполняется. Этот случай соответствует ситуации поступления на вход усилителя сигнала с уровнем ниже рабочего. Минимальным рабочим уровнем входного сигнала следует считать уровень, при котором усиления K_Umax окажется достаточным для вывода уровня выходного сигнала в область нелинейных искажений, задаваемых условием (4).

Важнейшей составляющей рассматриваемой системы АРУ является измеритель 2 нелинейных искажений, его назначение - оценка нелинейных искажений случайных сигналов, переносящих полезную информацию. Подобные устройства подробно 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 совместной статистической обработки исследуемых входных и выходных сигналов, длительность реализаций которых определяет точность измерений. Разумеется, для получения оценки требуется время t_A, значительно превышающее время обработки сигналов в других блоках, показанных на фиг.1 и, безусловно, указанное время анализа t_A значительно превышает время, за которое информативный параметр входного сигнала успеет измениться, например его амплитуда. Данная особенность позволяет, в частности, избежать паразитной амплитудной модуляции входного сигнала без применения дополнительных мер, традиционно применяемых в классических устройствах с АРУ.

На выходе измерителя 2 нелинейных искажений устанавливается напряжение U_ψ, пропорциональное уровню нелинейных искажений ψ:U_ψ=cψ. Коэффициент пропорциональности c (см. (1)) может быть различным, он выбирается в зависимости от имеющейся крутизны регулировочной характеристики усилителя 1 (см. фиг.2,а) и позволяет согласовывать выход измерителя 2 с управляющим входом усилителя 1. В качестве примера на фиг.2,б показана зависимость ΔU_упр при двух отличающихся значениях с (с₁ и с₂), а соответствующие им регулировочные характеристики, отличающиеся крутизной, показаны на фиг.2,а. Напряжение U_ψ на выходе измерителя 2 обновляется с периодичностью, определяемой временем анализа t_A реализаций случайных процессов, поступающих на его входы, поэтому процесс корректировки усиления также будет протекать не непрерывно, а дискретно через промежутки времени t_A (в частном случае). Это необходимо учитывать при выборе вариантов реализации блоков 3, 4. Пример реализации блока 3 сравнения и блока 4 управления, в предположении, что с выхода измерителя 2 поступает цифровой код, а управление усилителем 1 аналоговое, показан на фиг.3. В блоке 3 сравнение осуществляется путем вычисления разности cψ-cψ₀. Код произведения cψ₀ хранится в регистре 6, а текущее значение cψ подается непосредственно на вход уменьшаемого вычитателя 3, разность с выхода которого поступает на информационный вход накапливающего сумматора 7, который тактируется синхронно с обновлением информации на выходе измерителя 2, то есть с периодом t_A (цепи синхронизации на схеме не показаны, так как могут быть использованы различные известные варианты, например синхронизация от генератора тактовых импульсов, входящего в состав измерителя 2). Текущая сумма с выхода накапливающего сумматора 7 поступает на один из входов сумматора 8, который служит для добавления постоянной составляющей U₀, код которой подается на другой вход сумматора (нижний по схеме). Таким образом формируется код управления, представляющий собой суммусогласно выражению (3). Далее в ЦАП 9 цифровой код преобразуется в напряжение, непосредственно используемое для управления усилителем 1.

Следует иметь в виду, что управление коэффициентом усиления усилителя в устройстве с АРУ не единственный вариант получения ожидаемого результата. В тех случаях, когда существует риск перегрузок входных каскадов, рекомендуется управлять ослаблением входного сигнала путем применения входного аттенюатора 10 (15), как показано на фиг.4 и 5. 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 12 объединен со входом аттенюатора 10), так и после ослабления, непосредственно с выхода аттенюатора (см. фиг.5, где нижний по схеме вход измерителя 17 соединен с выходом аттенюатора 15).

Касаясь вопроса оценки нелинейных искажений, отметим, что в ряде случаев определять нелинейные искажения можно не во всем рабочем диапазоне, а только в ограниченной полосе частот, в которой, например, сосредоточена основная часть энергии сигнала. В частности, это актуально при работе с сигналами без несущей. В таких случаях сигналы, поступающие на вход измерителя нелинейных искажений, предварительно фильтруют, как показано в примере на фиг.6. Здесь используются полосовые фильтры 21 и 22, выделяющие узкую полосу в средней части спектра. Причем важное требование, которое должно соблюдаться в случае фильтрации сигналов - это максимально идентичные характеристики используемых фильтров.

Относительно показанных на схемах по фиг.4-6 измерителей нелинейных искажений и блоков сравнения и управления заметим, что они имеют то же назначение, что и показанные ранее.