音頻失真度測量的研究

王凱敏

摘 要：音頻類設備是煤礦井下設備的重要組成部分，例如廣播音箱、電話、工作面通訊裝置、聲光信號通訊器、手機等很多類的設備和系統。目前我們人的耳朵能夠聽到頻率20 Hz～15 kHz范圍內的音頻信號，而人嘴巴發出的語音信號約分布在300～3400Hz。因此300～3400Hz的語音信號可用來確定語音內容或判斷說話者的身份；音頻可經過音頻設備模擬化，成為模擬音頻，也可經音頻設備數字化成為數字音頻。根據音頻在傳輸和轉換的過程中會出現失真，定義了音頻失真的概念，解釋了失真度的含義，并分析了失真度測量的2種測試方法。并通過介紹失真度儀和音頻分析儀的使用，明確了實際檢測過程中的 THD測量和THD+N測量的方法。

關鍵詞：失真度 THD THD+N 諧波失真測量。

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（c）-0063-02

音頻類設備是煤礦井下設備的重要組成部分，而音頻設備有三方面的作用：（1）將聲音轉換電信號，例如麥克風。（2）將電信號轉換音頻信號并播放出來的設備，例如揚聲器、耳機等。（3）將音頻信號放大并輸出，例如功率放大器、功放電路等。

音頻信號在轉換或放大輸出的過程中，音頻設備中的晶體管等為電阻電容的混合參數所構成的器件，由于電容的容抗中含有頻率因子，不同的頻率對應于不同的容抗，所以輸出信號f1中就多了一些輸入信號f0中所沒有的頻率諧波分量（例如2f0、3f0、4f0、5f0等），輸出的聲音失去了原有的音色和音質，輕則聲音會發破、刺耳，重則模糊根本聽不清。因此，在音頻傳輸系統中，我們需測量音頻失真的程度，引入了失真度的概念，以便能夠采取措施，保證信號的通信質量。

1 失真度

音頻在轉換、放大、傳輸的過程中會受到干擾和噪聲的影響，輸出信號會相對于輸入信號發生波形上的變化。所以輸出信號相對于輸入信號偏離大小的程度就是失真度。根據失真度計算的定義，我們可以看出失真度是信號中總諧波頻率的能量與基頻能量之比的平方根值，也可簡單表示為總諧波頻率電壓的有效值與基頻電壓的有效值之比，并以百分數表示。

即

式中：γ為失真度；P為信號總功率；P1為基頻信號的功率；U1為基頻電壓的有效值；U2～Un為諧波頻率電壓有效值。

失真度是用一個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。其單位為百分比。一般人的耳朵對5%以下的失真不怎么敏感，因此我們可以簡單的認為音頻失真一般允許范圍是10%內，但不能超過15%，否則就失真的程度在不可接受的范圍。

音頻設備的失真包括諧波失真、互調失真、相位失真及瞬態失真等幾類。本文主要討論諧波失真，因為諧波失真是失真中最重要的，用總諧波失真（Total Harmonic Distortion，簡稱THD）來表示，是指輸入1kHz音頻信號到被測設備的放大電路中，輸出一定功率時的總諧波失真。，這個數值肯定是越小越好，最好是0，但是THD這個參數有時也被稱為THD+N。這里的N指的是噪聲Noise。由于我們測量THD時，噪聲不可避免的（比如隨機噪聲、干擾、交流電源噪聲等），所以我們也可叫做總諧波失真+噪聲。

2 失真度測量

目前失真度的測量分為兩種：模擬法和數字法。

第一種為模擬法，模擬法是指模擬的方法處理失真度，例如采用基頻抑制法，它就是利用圖1中的原理構成的，可以直接讀出失真度的數值。其技術指標一般為頻率范圍：200Hz～20 kHz，失真度范圍：0.1%～100%，精確度：±5%～10%。

這種失真度儀為了提高測量精度，并減少外界中干擾及噪聲對測量的影響，一般會有幾種信號濾波器的選擇，例如20 kHz、15 kHz和10 kHz的低通濾波器可較少高頻干擾；300 Hz高通濾波器可較少50 Hz的交流電源干擾，還可有300 Hz～3400 Hz的帶通濾波器，減少語音頻段外的干擾。

失真度的大小，可用輸出信號中各次諧波合成電壓的有效值與基頻電壓的有效值之比來表示，其數值由失真度測試儀直接讀出。測量線路如圖2。測量時，所有測試儀器的外殼都要良好接地，防止其他外界干擾影響其測量的正確和精度。

將音頻信號發生器產生的300 Hz、500 Hz、1 kHz、2 kHz、3 kHz、4 kHz等不同頻率的正弦波信號輸入放大電路的輸入端，失真度儀可接放大電路的輸出端，測試線路可與揚聲器并接，連帶測試功放電路和揚聲器的作為一個整體的失真度的值，將功放調到一定輸出功率值滿足一定的聲級（例如煤礦井下擴音類產品要求一般不小于85dB（A），并調節失真度儀。實際檢測過程中我們一般以1 kHz的失真度值為主要依據，但是其他頻點的失真度值其實也是很重要的。若比對同一個產品的多次測試結果，其差別比較大，說明該功放電路在整個300 Hz～4 kHz的音頻段內失真度值不均衡。差別小，說明功放在整個音頻段內的失真度指標比較均衡。

第二種是數字法，通過A/D對模擬信號進行高速的采樣，將模擬數據進行量化，在計算機平臺上采用不同的算法可計算出各次諧波的大小。最典型的方法是用快速傅里葉變換（FFT）算法對頻譜進行分析，從而得出失真度。

3 THD與THD+N

總諧波失真（簡稱THD）實際測試時，一般只測試前五階諧波。這是因為諧波的電壓幅值隨著諧波階次的增高成反比。六階以上的諧波已經占總能量的比率非常小，可以忽略。

總諧波失真加噪聲（Total Harmonic Distortion+Noise，簡稱THD+N），就是公式分母中再加上噪聲有效值。Vnoise是指可測量帶寬內的噪聲的有效值，包含隨機噪聲、交流電源噪聲以及其他無關的干擾。

由上圖3和圖4我們可以認為THD諧波分量，為音頻信號非線性程度的表征；而THD+N其測試方式有關系，THD和noise是不能區分的，所以THD+N可以同時說明設備的失真和噪聲，所以該指標反應音頻設備存在失真的問題更為全面和妥當。

應當注意的是，許多早期的音頻分析儀在其面板上標注的是THD，實際測量實際是THD+N。目前國內較為流行的測試失真度的儀器有Audio Precision系列音頻測試儀、Agilent 8903E等。

在實際的檢測過程中，我們應該明白單臺設備測試和系統測試時應該有所區別，根據實際情況選擇合適的儀器，特別是在系統失真度測試時必須要考慮系統容量、線路干擾、外界噪聲、交流電源等因素，所以我們一般選擇系統中盡可能嚴酷并具代表性的遠端設備。我們以煤礦廣播通信系統最具有代表性框圖為例。

（1）首先我們在搭建測試系統，我們使用自帶音頻信號源的音頻分析儀，結構如圖5。

（2）在音頻分析儀上設置好相關參數，在音頻分析儀的Generator在1kHz 500 mv的標準正弦波信號到麥克風，然后通過音箱的揚聲器接收到音頻分析儀的Analyzer，用FTT Graph1掃頻，得到其總諧波失真如下圖6。同理，還可以得出其2次或3次以及高次諧波。音頻分析儀選擇THD或THD+N功能，手動調整陷波器頻率.儀表就可顯示THD或THD+N 值。

若有可能應選擇幾個不同的傳輸路徑（例如主機到井下音箱n，井下音箱n到主機，井下音箱1到音箱n等），更要考慮傳輸線纜的非線性失真，確保整個系統中從不同設備的麥克風信號輸入至其他設備的模擬信號輸出的失真度可控，THD+N可以同時說明設備的失真和噪聲，用相對百分比表示。

所以THD+N強調的是噪聲對失真的影響，已成為最常用的失真測量方法。THD+N比目前其他的失真指標更有說服力，因為它能更好說明設備或系統的優劣。但是由于我們現行測量失真度的方法是采用單一的正弦波，不能反映出全部的問題。我們還可以使用三角波、方波和鋸齒波等自然失真波， 和正弦波的測試數據進行比對，這樣測試的結果才會更為合理和精確。

4 結語

文章針對音頻設備在放大、傳輸和轉換的過程中發生的失真進行測量，解釋了失真度的概念，并介紹了2種測量方法。介紹了失真度儀和音頻分析儀的簡單原理和使用方法，并進一步介紹了THD和THD+N的主要概念。我們應根據實際情況選擇合適的測量儀器、方法，很好地完成測試任務，并在實際的工作中，根據測試結果判斷失真的原因和因素，為設計和開發者提供很好地反饋內容，更好地改進放大電路的性能。

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