基于频谱能量的精确测量总谐波失真加噪声的方法与流程

本发明涉及频谱能量的测量技术领域，具体地，涉及一种基于频谱能量的精确测量总谐波失真加噪声的方法。

背景技术：

总谐波失真(totalharmonicdistortion，thd)是一种对电子信号中存在的谐波失真进行测量的参数，是衡量运算放大器性能的一个重要指标，通常定义为输出信号中所有谐波分量的功率之和与基频功率之比。在音频系统中，较小的谐波失真意味着扬声器、放大器、麦克风或其他设备中的电子部件可以产生更准确的音频记录再现。在无线电通信中，较小的谐波失真意味着发射的信号频谱纯净，不会对其他电子设备造成干扰，从而有效改善系统的电磁兼容特性；此外，在频谱共享和频谱感知迅速发展的背景下，失真的无线电发射信号意味着电磁污染的扩散。在电力系统中，较小的谐波失真意味着能够降低峰值电流、散热、能量排放和电机的磁芯损耗等。

理想电子系统的传递函数是线性的、时不变的。当输入信号通过一个非理想的非线性器件时，除了输入信号的原始频率，还会产生新的谐波频率，thd就是对这种谐波失真程度的度量；这种度量通常定义为一组高次谐波频率与一次谐波或基频均方根振幅的比值；总谐波失真加噪声的传统测量方法是通过输入单频正弦波，对经过待测器件后的输出信号进行陷波滤波，计算滤波后信号与单频正弦波之间的比值来得到。

但是以上测量方法忽略了以下几个因素：

1.无论信噪比多高，输入待测器件的单频正弦波、待测器件输出的单频正弦波与谐波和、陷波器输出的谐波都会或多或少地受噪声影响；

2.陷波器的传输函数会影响到谐波输出的能量，不同厂家使用的陷波器特性不同，则很难在相同层面上比较类似器件的性能指标；

3.对于滤波后信号与单频正弦波之间的比值计算，并没有严格的统一标准，具体计算方法上的差异，也会导致衡量标准的不一致。

因此，提供一种在使用过程中可以有效地克服以上技术问题的基于频谱能量的精确测量总谐波失真加噪声的方法是本发明亟需解决的问题。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明为了克服传统测量方法的缺陷，尽量降低器件噪声和陷波器特性引入的测量误差，提出了一种不仅从一定程度上消除了器件噪声，而且不需要引入陷波器滤波电路，测量方法简单方便，测量精度也高于传统测量方法的基于频谱能量的精确测量总谐波失真加噪声的方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于频谱能量的精确测量总谐波失真加噪声的方法，所述方法包括：

测量待测器件输出端的单频正弦波与谐波混合时域信号；

将待测器件所有输出测量数据的初始相位对齐，并保存每次输出测量数据的整数个周期采样样本；

计算输出测量数据的平均噪声总能量；

采集待测器件输入端的单频正弦波信号；

通过快速傅里叶变换计算输出数据的总谐波加噪声能量。

优选地，所述计算输出测量数据的平均噪声总能量包括：

计算周期采样样本x′sk的时域平均噪声nave：

其中，k为反复测量待测器件输出端的单频正弦波与谐波混合时域信号的次数；

对nave进行m点快速傅里叶变换得到平均噪声的幅度频谱nave；

根据nave计算出平均噪声总能量为：

优选地，通过快速傅里叶变换计算输出数据的总谐波加噪声能量包括：

对采集的待测器件输入端的单频正弦波信号进行快速傅里叶变换，以得到相应的幅度频谱nshn，根据nshn计算出总谐波加噪声的能量为其中，n1为基频信号的总能量。

优选地，在所述通过快速傅里叶变换计算输出数据的总谐波加噪声能量之后，所述方法还包括：

根据所述总谐波加噪声的能量计算总谐波失真加噪声，其中，计算公式为：

优选地，所述测量待测器件输出端的单频正弦波与谐波混合时域信号需要反复测量多次，并且保存测量数据。

优选地，所述测量待测器件输出端的单频正弦波与谐波混合时域信号以及所述采集待测器件输入端的单频正弦波信号都是通过示波器测量的。

根据上述技术方案，本发明提供的基于频谱能量的精确测量总谐波失真加噪声的方法在使用时的有益效果为：本发明简化了总谐波失真加噪声的测试硬件组成，不需要设计指定的陷波器，只需要一台示波器和计算机就可以完成；由于测试步骤中考虑了噪声对测试信号的影响，因此对于输入待测器件的单频正弦波噪底没有特殊的要求，能够适应更广泛的测试条件；测试过程中没有陷波器的限制，不会影响到谐波输出能量的变化，使得对于不同厂商的thd+n指标具有可比较性；此外，在严格遵守本发明测试步骤的所有参数定义下，进一步避免了计算细节上的差异导致的不一致问题；而且测量的准确性也更高。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的一种优选的实施方式中提供的基于频谱能量的精确测量总谐波失真加噪声的方法的流程框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，本发明提供了一种基于频谱能量的精确测量总谐波失真加噪声的方法，所述方法包括：

测量待测器件输出端的单频正弦波与谐波混合时域信号；

将待测器件所有输出测量数据的初始相位对齐，并保存每次输出测量数据的整数个周期采样样本；

计算输出测量数据的平均噪声总能量；

采集待测器件输入端的单频正弦波信号；

通过快速傅里叶变换计算输出数据的总谐波加噪声能量。

在本发明的一种优选的实施方式中，所述计算输出测量数据的平均噪声总能量包括：

计算周期采样样本x′sk的时域平均噪声nave：

其中，k为反复测量待测器件输出端的单频正弦波与谐波混合时域信号的次数；

对nave进行m点快速傅里叶变换得到平均噪声的幅度频谱nave；

根据nave计算出平均噪声总能量为：

在本发明的一种优选的实施方式中，通过快速傅里叶变换计算输出数据的总谐波加噪声能量包括：

对采集的待测器件输入端的单频正弦波信号进行快速傅里叶变换，以得到相应的幅度频谱nshn，根据nshn计算出总谐波加噪声的能量为其中，n1为基频信号的总能量。

在本发明的一种优选的实施方式中，在所述通过快速傅里叶变换计算输出数据的总谐波加噪声能量之后，所述方法还包括：

根据所述总谐波加噪声的能量计算总谐波失真加噪声，其中，计算公式为：

在本发明的一种优选的实施方式中，所述测量待测器件输出端的单频正弦波与谐波混合时域信号需要反复测量多次，并且保存测量数据。

在本发明的一种优选的实施方式中，所述测量待测器件输出端的单频正弦波与谐波混合时域信号以及所述采集待测器件输入端的单频正弦波信号都是通过示波器测量的。

以下以运算放大器tle2301的总谐波失真加噪声测量为例说明本发明提供的方法的原理：

首先搭建tle2301的最小测试电路(以ti公司官方的数据手册为准)，输入单频正弦波的频率为1mhz，用示波器测量tle2301输出端out1/2的单频正弦波与谐波混合信号，设置采样率fs＝100mhz，采样点数为n＝1000，则m＝1024，反复测量k＝10次后保存，第k(k＝1,2,...,10)次保存的时域数据记录为xsk，从i,j＝1,2,...,k且i≠j进行循环，计算第i次与第j次tle2301输入正弦波数据的初始相位差，将所有输出测量数据的初始相位对齐，并保存每次输出测量数据的整数个周期采样样本为x′sk，计算x′sk的时域平均噪声

对nave进行m点快速傅里叶变换得到平均噪声的幅度频谱nave，根据nave计算出平均噪声总能量为

用示波器测量tle2301输入端1mhz单频正弦波的波形数据，估计出该频点对应峰值的位置lpeak＝11，以lpeak为中心进行搜索，找出左右两边频谱幅度大于ntot/m且在频点位置上一直保持连续的数据点，将所有这些满足条件的数据幅度的平方进行累加后减去该区域内的噪声能量ntot/m×l，得到基频信号的总能量n1，其中l为在频点位置上一直保持连续的数据点个数。对tle2301的输出信号进行m点快速傅里叶变换，根据nshn计算出总谐波加噪声的能量为最后估计得到：

基于陷波器的传统测量方法估计结果为thd+ne＝0.0507％，ti官方给出的典型参考值为thd+n＝0.04％，从以上结果的对比可以看出，基于频谱能量的总谐波失真加噪声测量方法明显优于基于陷波器的传统测量方法，而且不需要设计任何硬件电路，操作简单，不会受到不同硬件测试电路的影响。

综合所述，本发明提供的基于频谱能量的精确测量总谐波失真加噪声的方法在使用时的有益效果为：本发明简化了总谐波失真加噪声的测试硬件组成，不需要设计指定的陷波器，只需要一台示波器和计算机就可以完成；由于测试步骤中考虑了噪声对测试信号的影响，因此对于输入待测器件的单频正弦波噪底没有特殊的要求，能够适应更广泛的测试条件；测试过程中没有陷波器的限制，不会影响到谐波输出能量的变化，使得对于不同厂商的thd+n指标具有可比较性；此外，在严格遵守本发明测试步骤的所有参数定义下，进一步避免了计算细节上的差异导致的不一致问题；而且测量的准确性也更高。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。