信號失真概念和失真度儀介紹

　　一、什么是信號的失真和失真度？

　　失真又稱為“畸變”,指信號在傳輸過程中與原有信號或標準信號相比所發生的偏差。例如：在理想的放大器中，輸出波形除放大外，應與輸入波形完全相同，但實際上，不能做到輸出與輸入的波形完全一樣，這種現象叫失真。其中，我們未經放大器放大前的信號與經過放大器放大后的信號作比較，被放大過的信號與原信號之比的差別，該差別的值稱為失真度(DISTN)或非線性失真系數，單位為百分比。由于非線性源（二極管、晶體管、電子管）的非線性伏安特性，以及鐵磁器件的非線性效應，使輸出信號中增加了輸入信號中所沒有的頻率分量（諧波和組合頻率），從而導致輸出波形的失真，稱為非線性失真。

　　與此同時，對低頻信號的失真度一般為電壓失真度，而高頻信號的失真度一般為干擾失真度。本文主要講述音頻信號失真度——電壓失真度。電壓失真度主要針對正弦信號而言，對被測信號進行FFT分析，確定出各次諧波信號，此時諧波信號的電壓幅度平方和與所占總的電壓信號的比值，就是電壓失真度系數k，見下面公式：

　　信號失真有多種形式：諧波失真(HD)、互調失真(IMD)、相位失真(PD)、差頻失真（DFD）等。其中，人們研究信號失真，主要分析諧波失真。在放大器中，諧波失真一般由放大器的非線性導致，失真的結果會導致放大器輸出產生了原信號中沒有的諧波分量，使聲音失去了原有的音色，嚴重時聲音會發破、刺耳。諧波失真有奇、偶次之分，人們通過試驗和分析發現，在聲音音箱中，奇次諧波使人煩躁不愛聽，而少量的偶次諧波則能使音色更好聽。

　　實際工作中，工程師平常所說的失真度通常理解為總諧波失真，英文為Total Harmonic Distortion，簡稱THD。例如：在多媒體音箱的功放電路上，THD指標指在fo=1KHz正弦波輸入和功率在1/2額定輸出功率時的總諧波失真，此時失真度很容易做到≤0.5%；但是，在音量開大，使功放的功率接近額定功率時，THD會急劇增加，這主要原因是由于電源功率的限制，使功放輸出出現了削波現象，即工程師所說的削波失真，此時它是THD中最主要成分。

　　二、失真度測量儀的定義

　　失真度測量儀，也為信號失真測量儀，簡稱失真儀、失真度儀，是測量非線性失真系數的電子儀器。失真儀是在低頻和超低頻標準波形（總稱音頻，頻率一般在1MHz以下，常見為20Hz～20KHz）的測試和計量中、測量波形失真度的專用儀器裝置，常用于音響系統、電力系統中以及其它要求檢測信號波形純正性的場合。

　　下圖為北京海洋興業科技股份有限公司推出的GAD-201G失真度儀產品圖：

　　三、失真度測量儀的原理

　　現在，信號失真度測量儀根據測量原理大致可分為基波剔除法和頻譜分析法兩種。

　　一般模擬式的失真度測量儀采用基波剔除法（基波抑制法），這種儀器測量的誤差相對較大。通過具有頻率選擇性的無源網絡（如諧振電橋、文式電橋、雙T陷波網絡等）抑制基波，由總電壓有效值和抑制基波后的諧振電壓有效值計算出失真度。如上所述，信號失真的程度可用非線性失真系數或失真度表示。根據上述公式，對純電阻負載，失真度定義為全部諧波電壓有效值與基波電壓加諧波電壓有效值的和之比，其比值越小，信號質量傳輸就越好，式中V1次為基波電壓有效值，V2次、V3次、V4次……為各次諧波電壓有效值。

　　頻譜分析法（FFT分析法），則是利用頻率分析儀測量各次諧波的含量并計算出波形失真度的方法；它可分析測量出被測信號中的高次諧波分量，有的高達51次以上的諧波；頻譜分析法較好地解決了超低頻率失真度的測量，缺點是儀器結構復雜，價格較貴，操作繁瑣。

　　四、失真度測量儀的典型用途

　　失真度測量儀用途廣泛，大量使用在在音頻和低頻設備或系統中，例如麥克風、音響、耳機等。在通信系統中，常要求測量非線性失真的程度，以便采取措施，保證通信質量。電力系統中，理想供電采用純正正弦交流電，但由于諧波干擾等影響，電力系統也需要測試信號的失真度。

　　例如：音箱失真度定義與放大器的失真度基本相同，不同的是放大器輸入的是電信號，輸出的還是電信號；而音箱輸入的是電信號，輸出的是聲波信號。所以音箱的失真度是指電聲信號轉換的失真。聲波的失真允許范圍是10%內，一般人耳對5%以內的失真不敏感；大家最好不要購買失真度大于5%的音箱。其中，多媒體音箱的諧波失真在標稱額定功率時的失真度均為10%，要求較高的一般應該在1%以下。

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