总谐波失真

总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD )是指用信号源输入系统到时,输出信号比输入信号多出的额外谐波成分。功放工作时,由于电路不可避免的振荡或其他谐振产生的二次、三次谐波与实际输入信号叠加,在输出端输出的信号就不单纯是与输入信号完全相同的成分, 而是包括了谐波成分的信号,这些多余出来的谐波分量的均方根值与实际输入信号(基波)RMS值的比,用百分比来表示就称为总谐波失真。总谐波失真是系统不是完全线性造成的,谐波失真的本质是相对于输入信号产生了新的频率成分导致的。总谐波失真与频率有关,一般说来,1000Hz频率处的总谐波失真最小,因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。对于音频系统总谐波失真在1%以下时,一般耳朵分辨不出来,超过10%就可以明显听出失真的成分。一些产品说明书的总谐波失真表示为THD<0.5%,1W,这样看来总谐波失真较小,但只是在输出功率为1W的总谐波失真,这与标准要求的测量条件下得到的总谐波失真是不同的。

THD+N用相对于信号电平的方法表示的,国内标准用百分比表示,即THD+N占基波能量的百分比,国外一些音频设备用两个绝对的分贝数值表示,如THD+N: < -110dBFS(-30dBFS),其表达的意思是当输入-30dBFS时,THD+N小于-110dBFS,也就是THD+N比基波信号至少低80dB, 根据分贝的定义,换算百分比如下:20lgA = -110-(-30) = -80 ⇒ A = 0.0001,也就是输入-30dBFS, THD+N小于-110dBFS,即THD+N是基波的0.0001倍, THD+N = 0.01%。

当用纯正弦波信号激励被测设备时,从输出信号的频谱上看,除了有反映输入信号的基波外,还有基于基波频率的2次,3次,4次等高次谐波的能量,这些高次谐波在输入信号中是没有的,而是由于音频设备中电子元器件的非线性引起的,这些新的频率分量导致输出信号的波形产生了畸变,对音质产生了影响。THD = (高次谐波的均方根值/基波)x 100% 。

由于音频设备始终存在噪声,采用各种方法只能减小而无法根本消除。如果某台音频设备的总谐波失真满足国家/行业标准,但噪声较大,信噪比不达标,其技术指标仍然不能达到要求,因此仅用总谐波失真是不够的,还应考虑噪声的影响因素。目前最常用的失真测量方法是总谐波失真加噪声(Total Hormonic Distorion + Noise,THD+N)。THD+N技术是极为吸引人的,低的THD+N测量结果不仅说明谐波失真低,而且也说明电源噪声,干扰信号,以及宽带白噪声也是比测量值低(或等于测量值),所以THD+N比任何其他的失真测量技术更能说明问题,它只用一个数据就能说明设备是否存在大的问题。在音频设备中,除了电子元器件的非线性导致的谐波失真,还有器件的噪声造成的影响,通常用THD+N表示,它是音频设备的一个重要性能指标。从输出信号的频谱上分析,除了基波及各次谐波外,还有噪声的影响。音频设备噪声是随机噪声,通常用宽带白噪声表示。

THD的测试方法,一般是将输入信号的基波频率,用窄带滤波器滤除,然后测试其余信号成分(包括谐波和噪声)常用的测量音频THD的仪器为Audio Precision。

THD+N分析仪的主要功能模块是可调谐的陷波器。在工作时,陷波器自动或手动调谐到正弦波的基波频率上,以便基波被很大衰减;陷波器在谐波处没有插入损耗(将某些元件或支路加入到系统中,系统功率或增益的损耗),所以谐波基本上无衰减地通过;宽带噪声,交流电源噪声和任何其他处在陷波器频率以外的干扰信号也可以无衰减地通过。滤除了基波成分的频谱如图所示,相对于还原输入信号的基波来说,其他频率成分都是不需要的,因此THD+N代表了所有不需要的频谱分量。

前面提到THD与频率有关,很多产品提供的THD均是在1KHz时测得的数据,就是因为该频率点时THD最小,这也侧面说明了THD是与信号频率存在关系的。有时候THD+N在一个频率范围内会非常稳定,却在某一个频率点突然跌落,给出一个非常低的读数。这说明THD+N的读数是由一个在那个频率点的特别的噪声或者干扰信号控制的。在用50或者60HZ做基频测量的时候常见这种情况。例如, 你会看到如下图的一个THD+N扫描曲线。

如果你见到这个图,你立刻就会怀疑THD+N读数是由跌落频率点的一个特殊信号成分控制的。原因是陷波滤波器在滤除基频的时候也把这个与基频相同频率的主要的干扰信号也滤除了。这一原理可以用来确认THD+N的主要干扰源。如果你怀疑某个频率点上有干扰源,就可以把这个频率点设为基频,进行THD+N测量。如果测量的结果比在其他基频点上测量的THD+N值小很多,那么就可以确定干扰频率正是在这个频率点上。

NOTICE : 有时候,相位抵消也会产生上图所示类似的扫描曲线。这是因为在跌落频率点上的失真信号和干扰信号的相位相抵消所引起的。但在多次运行扫描过程中,这些陷波会明显有区别或者消失,则可以判断有可能是相位抵消引起的 还是 上面所说干扰频率引起。

THD除了与信号频率有关,还受到信号幅度的影响,当基频幅度降低的时候,通常THD+N读数明显上升。即使设备在低幅度情况下没有产生更多的噪声和失真(也就是噪声和谐波失真基本不变情况下,根据公式:总谐波失真=(高次谐波的均方根值/基波)x 100% 也就只有分母基波(就是基频)一个可变量了)。或者说该现象的产生是由于THD+N读数是滤波器前后的幅度之比,因为滤波器之后的读数主要是由于噪声或者干扰信号的幅度,与基频幅度无关。因此,基频幅度下降会引起计算出来的THD+N结果上升(本底噪声淹没了信号)。

从THD和幅度关系可以有3点结论:

1. 任何设备都有一个木底噪声,如果基频幅度小于本底噪声,那么滤波信号前后是一致的,分子分母比值就是1,这就是THD+N就是100%。

2. 所有设备都有一个最大允许幅度。如果基频大于这个幅度,设备将会产生消波,引起很大的失真。几乎所有的设备都会在最大或最大幅度附近显示出一个很高的谐波失真读数。

3. 对于一低失真的设备,图示的曲线中下降的那部分会变短甚至消失,(也就是你购买的这台设备本底噪声基本没有). 因为这时THD+N的值在各个频段主要由噪声决定。

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