测量中非线性失真补偿和噪声抑制的软件方法

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测量中非线性失真补偿和噪声抑制的软件方法

                               
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一、简介

一个测量系统能够测量的最低非线性失真和最低噪声水平受限于该系统自身残余的非线性失真和底噪。虽然提升系统硬件性能似乎是唯一的选择，但实际上还可采用软件方法来补偿系统自身的残余失真并减少其本底噪声的影响。经过这些技术处理后，可使该系统能够测量更低水平的非线性失真和噪声，甚至可能大大低于其原本的残余水平。

另一种情形是需要降低测得信号中的所有噪声，无论是原信号中本来就含有的噪声，还是由测量系统引入的噪声，以获得更清晰准确的测量。有几种软件方法可以实现这一目标。

二、测量系统的非线性失真补偿

                               
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用于系统频率响应（包括幅频和相频响应）补偿的技术，也就是线性失真补偿的技术，已经相当成熟。相比之下，对非线性失真补偿的技术讨论较少。这是因为非线性失真随频率内容和幅度的变化而变化。在许多测试中，例如总谐波失真（THD）和互调失真（IMD）测试中，测试信号通常仅包含一个或两个单频信号，因而只产生数量有限的谐波失真和互调失真分量。在这种情况下，可以通过在测试信号中预先加入等量但相位相反的成分来抵消这些失真。如果在指定的幅度和频率下，测量硬件的非线性失真是静态的，那么这种补偿方法就是可行的。

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以下示例演示了如何补偿RTX6001音频分析仪在1kHz 1Vp下的残余谐波失真，包括其ADC和DAC部分。首先，通过环回测试测量了其在1kHz 1Vp下的残余谐波失真。结果如下图所示。所使用的软件是Multi-Instrument，可以从www.virtins.com或www.multi-tech.cn下载。测得的总谐波失真（THD）为0.00010%（-120dB）。该软件的导出参数（Derived Data Point, DDP）数组查看器列出了测得的信号的主要成分，包括基波和谐波的幅度和相位。这些数据可以导出为一个多音合成配置文件，用于信号重建，重建的信号中将不含所测得的噪声。此文件为纯TXT文本文件。文件中的每个谐波的相位可用如Windows记事本之类的纯文本编辑器手动反转（即：+/-180º）。该软件还提供了一个方便的选项，可以自动导出所有谐波相位均已反转的多音合成配置文件，仅保留基波的相位不变。

                               
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失真补偿前

导出的多音合成配置文件随后被加载到Multi-Instrument的信号发生器中，以生成预失真的1kHz测试信号（见下面的配置）。

                               
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Multi-Instrument中预失真的1kHz测试信号的配置

相应的THD环回测试结果如下所示。由图可见，残余THD从0.00010%（-120dB）降至0.00004%（-128dB），改善了8dB。

                               
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由于存在幅度和相位的测量误差、非静态失真以及预失真的失真等因素，此法不能完全消除非线性失真。

只要能分别准确测量ADC和DAC部分的残余失真，也可以分别对它们进行补偿。

三、目的不尽相同的各种噪声抑制方法

噪声抑制的方法有多种，目的不尽相同：有的专门针对测量系统自身的底噪；有的则针对测得的信号中的所有噪声，而不论其来源如何。时域噪声抑制法对于时域和频域都能起作用，而频域噪声抑制法则有可能不能返回到时域。

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3.1 时域多通道同相平均法

                               
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框图

此法的目的是降低测量系统自身的噪声，而不是降低原被测信号中的噪声。它要求将同一被测信号同时输入到测量系统的多个通道中。为了使时域平均可行，这些通道中的信号必须是同相的。需测量的原信号中的噪声在每个通道中也保持同相位，因此不会被平均掉。相比之下，测量系统添加于各通道中的噪声通常是互不相关的，因此将减少10log10(M) dB，其中M为通道数。例如，当M=2时，理论上的噪声将减少约3dB。

在Multi-Instrument中，此法可通过[设置]>[模数转换设备]>“通道运算”，并选择“A=(iA+iB)/2…”来实现。它表示逻辑通道A中的数据将是物理输入通道A和物理输入通道B中原始数据的平均值（见下图）。

                               
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Multi-Instrument中时域双通道同相平均的设置

以下两图显示了使用和未使用此方法的RTX6001音频分析仪1kHz THD环回测试结果。测得的噪声水平分别为-115.11dBFS和-117.88dBFS。噪声减少约为2.8dB。

                               
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双通道同相平均前

                               
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双通道同相平均后

此法的优点是能同时减少时域和频域中的噪声。然而，要进一步降低噪声则需要增加额外的通道，这会导致成本上升。

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3.2 频域双通道互功率谱矢量平均法

                               
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框图

跟前述方法一样，此法的目的是减少测量系统自身的噪声，而不是减少原被测信号中的噪声。它要求将同一被测信号同时输入到测量系统的两个通道中。与前述方法不同，互功率谱矢量平均法并不要求两个通道中的信号是同相位的。由于此法的内在特性以及互相关和互功率谱是一对傅里叶变换的事实，它通常被称为“互相关（平均）”法。需测量的原信号中的噪声在“互相关”过程中会保持原状而不会被平均掉。相比之下，测量系统在两个通道中添加的噪声通常是不相关的，因而将减少5log10(M) dB，其中M为平均次数。例如，当M=100时，理论上，噪声将减少10dB。增加平均次数可以更大程度地减小噪声。因此，在经过足够多次的平均后，就能够测量大大低于测量系统自身底噪水平的噪声。

在Multi-Instrument中，此法可通过在频谱分析仪的“帧间处理”处选择“互相关”来实现（见下图）。

                               
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Multi-Instrument中“互相关”平均的设置

下图显示了在未经过任何平均和失真补偿的情况下RTX6001音频分析仪的1kHz THD环回测试结果。通道A的THD和噪声水平分别为0.00011%、-115.00 dBFS，而通道B的分别为0.00013%、-115.14 dBFS。

                               
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频域互功率谱矢量平均前

下图是同一测试但采用了“互相关”法并进行了100次平均的结果(未勾选“同相”选项)。测得的THD为0.00012%，大约等于两个独立通道的平均值。测得的噪声水平为-123.78 dB，降低了约8.8 dB。其它与噪声相关的参数，包括THD+N、SNR、SINAD，都显示出明显的改善。

                               
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频域互功率谱矢量平均（100次）后

请注意，Multi-Instrument中的“互相关”法不要求两个通道中的信号同相位。这在使用一对话筒进行超低声压级测量时特别有用，因为两个通道中的声音信号可能不同相。下图显示的是与前述THD测试相同的测试，只是两个通道中的信号相位相差30度。测试结果几乎没有区别。

                               
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频域互功率谱矢量平均（100次）后（两通道信号相差30度）

测量低于20 dBA的声压级非常具有挑战性，因为大多数0.5英寸的一级测量话筒的底噪都在14到20 dBA之间。但是，如果采用一对话筒，例如那些用于声强测量的话筒对，或采用双话筒配置的VT RTA-268系列，再利用此“互相关”技术，就可测量显著低于单个话筒及其测量系统底噪的声压级。两个话筒应面对面紧靠放置，以使它们测量的是相同的声场信号（见下图）。话筒振膜之间的距离应小于所关注的最高频率波长的1/4。若测量较低的频率，两话筒也可以并排放置。与声强测量不同，这两个话筒不需要严格的相位匹配。

                               
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测量超低声压级所用的面对面紧靠的话筒对

如果两个通道中的信号严格同相或严格反相，Multi-Instrument提供了一个“同相”选项，可以将噪声抑制性能提高5log10(2)=1.5dB。