CN107124678B - 一种音频谐波失真的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种音频谐波失真的测量系统，包括：频点选择单元、信号发生与采集单元以及失真度计算单元；所述的频点选择单元包括：频段划分模块，将被测系统音频按频率划分成4个频段，将每个频段细分成TN个子频段，确定每个子频段中的精确平均节点；频率搜索模块，设定最小频率分辨率DIST，在各子频段中寻找与所述的各精确平均节点最接近DIST整数倍的频率作为搜索起始点，即实际平均节点；依次在所述的每个频段中选取1个所述的实际平均节点，通过搜索形成待测频率组，搜索范围在所述两实际平均节点之间；所述信号发生与采集单元根据所述待测频率组，生成失真信号；失真度计算单元根据失真信号，进行DFT，得出被测系统的总谐波失真度和互调干扰失真度。

Description

一种音频谐波失真的测量系统

技术领域

本发明涉及一种音频谐波失真的测量系统。涉及专利分类号H04电通信技术H04R扬声器、传声器、唱机拾音器或其他声—机电传感器；助听器；扩音系统H04R29/00监控设备；测试设备。

背景技术

失真度是衡量音频设备的一个基本重要参数，它反映了信号在通过音频设备时，由于非线性失真所导致信号发生畸变的程度。常用失真度参数是总谐波失真和互调干扰。为了保证音频信号处理的准确性，对设备进行失真度测量就显得极为必要。失真度测量方法大致可分为2类：模拟法和数字法，模拟法主要有基波抑制法和频谱分析法，前者精度低，后者操作复杂且成本高。数字法主要有FFT法和曲线拟合法，后者由于拟合参量的误差难以控制，稳定性较差。现有的FFT法只能测量单一频率的失真度，难以代表整个工作频带的失真情况，若要进行多频点测量，现有方法效率较低。

马月辉在“基于FFT的低频谐波失真度测试仪”中提出了一种通过频域分析得到失真度大小的方法。其主要思路是通过快速傅里叶变换(FFT)，得出信号的频谱，根据频谱分量大小(即傅里叶系数幅度值)，计算出失真度。该方法具体方案为：计算机通过数字采集卡采集被测信号，经模数转换器(A/D)转换后读入计算机，由计算机对采集的信号进行FFT变换，形成被测信号的二维幅度——频率数组。计算机显示出信号的幅频特性曲线，同时，对数组计算得到基波系数和各次谐波系数。最后，由基波和各次谐波系数计算出失真度。原理如图1所示。

周期采样往往伴随着频谱泄漏问题，而FFT点数设置不当会产生严重的“栅栏效应”，这些都将导致测量精度下降。测试频率为单一频率，若要进行多频点测量，则需要多次重复整个测试流程，测试效率低。

发明内容

本发明针对以上问题，提出一种音频谐波失真的测量系统，一种音频谐波失真的测量系统，包括：

频点选择单元、信号发生与采集单元以及失真度计算单元；

所述的频点选择单元包括：

频段划分模块，将被测系统音频按频率划分成低频、中频、中高频和高频4个频段，将每个频段细分成TN个子频段，确定每个子频段中的精确平均节点；

频率搜索模块，设定最小频率分辨率DIST，在各子频段中寻找与所述的各精确平均节点最接近DIST整数倍的频率作为实际平均节点；

依次在所述的每个频段中选取1个(四个频段共4个)所述的实际平均节点，通过搜索形成包括4个频点f0,f1,f2,f3的待测频率组；

所述信号发生与采集单元根据所述待测频率组，生成对应的测试信号并接受被测系统反馈的失真信号；

所述失真度计算单元根据接收到的失真信号，进行离散傅里叶变换DFT，最终得出被测系统的总谐波失真度和互调干扰失真度。

作为优选的实施方式，所述的频率搜索模块中节点的计算过程如下：

第p个频段的第q个实际平均节点计算公式如下：

其中，round(·)表示四舍五入后得到的整数，min(,)表示取两数间较小值，nod为节点频率值，table_p为第p个频段的下限，delta_p为第p个频段的长度。

更进一步的，还在于具有频率筛选模块：

该模块建立一个初始值均为0的长数组num，顺次将4个频率f0,f1,f2,f3的基频、2～K次谐波以及2～I阶互调频率对应位的数值+1，如果某位的数值大于1，则该组频率不符合要求。

更进一步的，对于互调干扰，所述的频率筛选模块对4种频率进行线性组合：

设置I阶存储区、I阶运算区、处理值，按阶数将f0前I次谐波(1次为基频)存入存储区，运算区1阶置为0；

计算f1与f0的各阶互调：处理值设为f1，从二阶向I阶依次计算。计算i(i≥2)阶互调时，将处理值与存储区i-1阶加、减，与运算区i-1阶加，结果依次存入运算区；

f1与f0的I阶互调计算结束后，将运算区的值、处理值前I次谐波按阶数存储到存储区，运算区清零；

依次将处理值设为f2,f3，重复运算，最终可在存储区得到4个频率间所有2～I阶互调频率。

作为优选的实施方式，所述的信号发生与采集单元产生测试信号过程如下：

pha_i(n+1)＝pha_i(n)+fi

若pha_i(n)≥FS，令pha_i(n)＝pha_i(n)-FS。

其中，x(n)为n时刻待测信号，FS为数模转换器(D/A)、模数转换器(A/D)的采样频率，fi表示第i个频率(i＝0,1,2,3)。

更进一步的，对于采集信号所述的信号发生与采集单元

利用辗转相除法计算f0,f1,f2,f3,FS的最大公约数，即频率分辨率u，进而得到DFT点数dn如下：

作为优选的实施方式，所述的失真度计算单元的运算过程如下：

(1)取fn为大于2×dn-1的2的整数幂；

(2)设

其中，e为自然对数的底数，j为虚数单位，即j²＝-1。

分别对g(n)和h(n)进行fn点FFT得到G(k)和H(k)，相乘得到Q(k)，进行IFFT得到q(n)；

求得：

其中y(n)为DFT的输入，Y(k)为DFT的结果；

根据DFT点k、频点f、频率分辨率u的关系：

f＝k×u (7)

可得到各频点的傅里叶系数；找到相应的基频、谐波、互调频率的傅里叶系数，由下式可计算出f总谐波失真度：

(M为满足M×f≤40％×FS的最大值)

其中，|·|表示复数a的模，即实部与虚部平方和再求平方根，γ_thd为总谐波失真度。

作为优选的实施方式，所述的失真度计算单元的运算互调失真度的过程如下：

B₁＝max(f₁,₂)

其中，max(,)表示取两数间较大值，γ_imd为互调失真度。s1,s2分别为满足r×f₁+(s1-r)×f₂≤40％、r×f₁+(s2-r)×f₂≤40％能取到的最大值。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明背景技术中涉及的FFT算法原理图

图2为本发明的系统结构图

图3为本发明频率搜索过程示意图

图4为本发明互调干扰频率计算示意图

图5为本发明算法实施例中总谐波失真相对误差示意图

图6为本发明互调失真相对误差示意图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述：

如图1-6所示：一种音频谐波失真的测量系统主要包括：

频点选择单元，该单元工作时，需要人为指定待测频率组数TN、拟产生信号的最小频率分辨率DIST、拟测试谐波次数K以及拟测试的互调阶数I。

(一)平均节点选取

先将整个20Hz～20KHz音频段按照低频(20～160Hz)、中频(160～1200Hz)、中高频(1.2KHz～5KHz)、高频(5KHz～20KHz)的分成4个频段，从每个频段选取一个频点，组成包括4个频点的频率组。

为保证测试结果能全面体现整个音频范围的失真情况，所有组频点总体应尽量均匀分布在整个音频范围，故将4个频段分别平均分成TN段，得到各个精准平均节点。

为减少FFT计算量，设置最小频率分辨率DIST，实际平均节点应是DIST的整数倍，故寻找与各精准节点最接近的DIST的整数倍作为实际平均节点，同时也要保证实际平均节点不会越界到下一个频段。

第p个频段的第q个实际平均节点计算公式如下：

其中，round(·)表示四舍五入后得到的整数，min(,)表示取两数间较小值，nod为节点频率值，table_p为第p个频段的下限，delta_p为第p个频段的长度，p＝0,1,2,3表示4个频段。

此式中

计算出的为精确平均节点，但精确平均节点的值可能不满足最小频率分辨率的要求，故选取与精确平均节点最接近的最小频率分辨率的整数倍作为实际平均节点，即nod。

频率搜索模块：

搜索频率时，判断一组频率是否有效的准则为：为能同时测量4个频点，这4个频率各自的基频、2～K次谐波以及4个频率间的2～I阶互调应互不重合。

式(1)计算的实际平均节点常常不满足此准则，故需以实际平均节点为起点进行搜索，并在搜索的结果中筛选出满足要求的频率组合。可用一个TN×4的表格存储各实际平均节点的频率值，为减少计算量，只从同一行的4个实际平均节点搜索出一组频率，不考虑不同行的情况。

以TN＝100，DIST＝5为例，实际平均节点存储如下表所示：

	f0	f1	f2	f3
					第1组	20	160	1200	5000
第2组	20	170	1240	5150
					……	……	……	……	……
第100组	155	1190	4960	19850

其中，f0,f1,f2,f3分别表示一组频率中处于4个频段的值，下同。表中数据为各实际平均节点值。

分别以每行的4个实际平均节点为起点，以DIST为步长，在不超过下一行实际平均节点的频率范围进行搜索。

搜索单元的搜索过程如下：

搜索从该组实际平均节点开始，但不超过下一组实际平均节点。这里也就可以理解为什么f0不进行搜索，因为相邻组实际平均节点要么相同，要么只差一个DIST。

初始前三个频率保持不变，f3累加DIST。若这4个频率满足要求，则作为一组待测频率保存，进行下一行的搜索；

若f3累加结果超出频率范围，则将f2累加DIST，f3重新回到节点累加DIST，若f2累加结果超出频率范围，则将f1累加DIST，f2重新回到节点累加DIST，以此类推……由于f0范围较小，很容易超出范围，故这里不对f0进行累加，而是保持f0不变。

如果直到f1超出频率范围也没有搜索到满足要求的频率组合，则放弃这一组频率进行下一行的搜索。频率搜索过程如图3所示：

频率筛选模块

每一次搜索得到的频率组合都需要判断其是否满足准则——4个频率基波、谐波、互调频率互不重合。

具体做法为：建立一个初始值均为0的长数组num，顺次将4个频率的基频、2～K次谐波以及2～I阶互调频率对应位的数值+1，如果某位的数值大于1，则该组频率不符合要求。对某一位进行加1操作时，若该位已为1，说明该频率值已出现过，那么加1后该位为2大于1，即不满足要求。

对应位的意思是：基频、各谐波、各互调的频率值作为数组的序号，这一序号对应的位为对应位。

例如f1与f2的三阶互调之一2*f1-f2，若num[2*f1-f2]＝1，则说明已记录的基频、谐波、互调频率中含有f＝2*f1-f2，即该组频率不满足要求；若num[2*f1-f2]＝0，则令num[2*f1-f2]＝1，以此类推。

对于互调干扰，需要对4种频率进行线性组合，为减少运算量，基于递推思想提出如下算法：

步骤1：设置I阶存储区、I阶运算区、处理值，按阶数将f0前I次谐波(1次为基频)存入存储区，运算区1阶置为0；

步骤2：计算f1与f0的各阶互调：处理值设为f1，从二阶向I阶依次计算。计算i(i≥2)阶互调时，将处理值与存储区i-1阶加、减，与运算区i-1阶加，结果依次存入运算区；

步骤3：f1与f0的I阶互调计算结束后，将运算区的值、处理值前I次谐波按阶数存储到存储区，运算区清零；

步骤4：依次将处理值设为f2,f3，并重复步骤(2)(3)，最终可在存储区得到4个频率间所有2～I阶互调频率。

以计算f1与f0的2、3阶互调为例，如图4所示：需要注意的是，得到的互调频率在筛选时应取正值，但在存储区和运算区应保持原值。

信号发生与采集单元

频点选择单元筛选出多组待测频率，每一组待测频率f0,f1,f2,f3可产生一个待测信号。本发明使用的测试信号表达式如下式：

pha_i(n+1)＝pha_i(n)+fi

若pha_i(n)≥FS，令pha_i(n)＝pha_i(n)-FS。

其中，x(n)为n时刻待测信号，FS为数模转换器(D/A)、模数转换器(A/D)的采样频率，fi表示第i个频率(i＝0,1,2,3)。

通过D/A产生测试信号，将测试信号通过待测系统，得到失真信号，由A/D进行采集，D/A、A/D的采样频率应保持一致。为避免频谱泄漏，用于计算的数据长度应与DFT点数相同。利用辗转相除法计算f0,f1,f2,f3,FS的最大公约数，即频率分辨率u，进而得到DFT点数dn如下：

失真度计算单元

对采集到的失真信号进行DFT变换，这里采用一种任意点FFT算法来计算DFT。具体实现方法为：

(1)取fn为大于2×dn-1的2的整数幂；

(2)设

其中，e为自然对数的底数，j为虚数单位，即j²＝-1。

(3)分别对g(n)和h(n)进行fn点FFT得到G(k)和H(k)，相乘得到Q(k)，进行IFFT得到q(n)；

(4)求得：

其中y(n)为DFT的输入，Y(k)为DFT的结果。

根据DFT点k、频点f、频率分辨率u的关系：

f＝k×u (7)

可得到各频点的傅里叶系数。找到相应的基频、谐波、互调频率的傅里叶系数，由下式可计算出f总谐波失真度：

(M为满足M×f≤40％×FS的最大值)

其中，|·|表示复数a的模，即实部与虚部平方和再求平方根，γ_thd为总谐波失真度。

求f₁和f₂互调干扰失真度的计算公式如下：

B₁＝max(f₁,f₂)

其中，max(,)表示取两数间较大值，γ_imd为互调失真度。s1,s2分别为满足r×f₁+(s1-r)×f₂≤40％、r×f₁+(s2-r)×f₂≤40％能取到的最大值

实施例1：

设TN＝20，DIST＝5，K＝40，I＝5，频点选择结果如表1所示：

表1 频点选择结果

共成功得到19组频率。

以TN＝100，DIST＝5，K＝40，I＝5为例计算失真度，其中互调失真以两种频率间的互调失真为例。由式(2)产生测试信号，待测试的非线性系统为

以单一频率输入测量得到的总谐波失真度为参考值，实测总谐波失真相对误差如下式：

其中，ε_thd为总谐波失真相对误差，γ_thd为总谐波失真实测值，γ0_thd为总谐波失真理论值。结果如下图5所示总谐波失真相对误差，最大相对误差约为4.35％。

以两种频率输入测量得到的互调失真为参考值，实测互调失真相对误差如下：

其中，ε_imd为互调失真相对误差，γ_imd为互调失真实测值，γ0_imd为互调失真理论值。结果如下图6所示：最大相对误差约2.88％。

以上所述，仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种音频谐波失真的测量系统，其特征在于包括：

频点选择单元、信号发生与采集单元以及失真度计算单元；

所述的频点选择单元包括：

频段划分模块，将被测系统音频按频率划分成低频、中频、中高频和高频4个频段，将每个频段细分成TN个子频段，确定每个子频段中的精确平均节点；

频率搜索模块，设定最小频率分辨率DIST，在各子频段中寻找与所述的各精确平均节点最接近DIST整数倍的频率作为搜索起始点，即实际平均节点；

依次在所述的每个频段中选取1个，四个频段共4个所述的实际平均节点，通过搜索形成包括4个频点f0，f1，f2，f3的待测频率组，先将整个20Hz～20KHz音频段按照低频：20～160Hz、中频：160～1200Hz、中高频：1.2KHz～5KHz、高频：5KHz～20KHz的分成4个频段，从每个频段选取一个频点，组成包括4个频点的频率组，搜索范围在两实际平均节点之间；

所述信号发生与采集单元根据所述待测频率组，生成对应的测试信号并接受被测系统反馈的失真信号；

所述失真度计算单元根据接收到的失真信号，进行离散傅里叶变换DFT，最终得出被测系统的总谐波失真度和互调干扰失真度。

2.根据权利要求1所述的音频谐波失真的测量系统，其特征还在于：所述的频率搜索模块中实际平均节点的计算过程如下：

第p个频段的第q个实际平均节点计算公式如下：

其中，round(·)表示四舍五入后得到的整数，min(，)表示取两数间较小值，nod为节点频率值，table_p为第p个频段的下限，delta_p为第p个频段的长度，p＝0，1，2，3。

3.根据权利要求2所述的音频谐波失真的测量系统，其特征还在于具有频率筛选模块：

该模块建立一个初始值均为0的长数组num，顺次将4个频率f0，f1，f2，f3的基频、2～K次谐波以及2～I阶互调频率对应位的数值+1，如果某位的数值大于1，则该组频率不符合要求。

4.根据权利要求3所述的音频谐波失真的测量系统，其特征还在于对于互调干扰，所述的频率筛选模块对4种频率进行线性组合：

设置I阶存储区、I阶运算区、处理值，按阶数将f0前I次谐波，1次为基频，存入存储区，运算区1阶置为0；

计算f1与f0的各阶互调：处理值设为f1，从二阶向I阶依次计算；计算i，i≥2，阶互调时，将处理值与存储区i-1阶加、减，与运算区i-1阶加，结果依次存入运算区；

f1与f0的I阶互调计算结束后，将运算区的值、处理值前I次谐波按阶数存储到存储区，运算区清零；

依次将处理值设为f2，f3，重复运算，最终在存储区得到4个频率间所有2～I阶互调频率。

5.根据权利要求1所述的音频谐波失真的测量系统，其特征还在于所述的信号发生与采集单元产生测试信号过程如下：

pha_i(n+1)＝pha_i(n)+fi

若pha_i(n)≥FS，令pha_i(n)＝pha_i(n)-FS；

其中，x(n)为n时刻待测信号，FS为数模转换器(D/A)、模数转换器(A/D)的采样频率，fi表示第i个频率，i＝0，1，2，3。

6.根据权利要求5所述的音频谐波失真的测量系统，其特征还在于：对于采集信号所述的信号发生与采集单元

利用辗转相除法计算f0，f1，f2，f3，FS的最大公约数，即频率分辨率u，进而得到DFT点数dn如下：

。

7.根据权利要求1所述的音频谐波失真的测量系统，其特征还在于所述的失真度计算单元的运算过程如下：

(1)取fn为大于2×dn-1的2的整数幂；

(2)设

其中，e为自然对数的底数，j为虚数单位，即j²＝-1；

分别对g(n)和h(n)进行fn点FFT得到G(k)和H(k)，相乘得到Q(k)，进行IFFT得到q(n)；

求得：

其中y(n)为DFT的输入，Y(k)为DFT的结果；

根据DFT点k、频点f、频率分辨率u的关系：

f＝k×u (7)

得到各频点的傅里叶系数；找到相应的基频、谐波、互调频率的傅里叶系数，由下式计算出f总谐波失真度：

，M为满足M×f≤40％×FS的最大值

其中，|·|表示复数a的模，即实部与虚部平方和再求平方根，γ_thd为总谐波失真度。

8.根据权利要求1所述的音频谐波失真的测量系统，其特征还在于所述的失真度计算单元的运算互调失真度的过程如下：

B₁＝max(f₁，f₂)

其中，max(，)表示取两数间较大值，γ_imd为互调失真度；s1，s2分别为满足r×f₁+(s1-r)×f₂≤40％、r×f₁+(s2-r)×f₂≤40％能取到的最大值。

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