諧波失真、互調失真及差頻失真的定義、公式及區別

HBK聲學與振動

2020年8月19日 17:15

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什么是失真

理想：

諧波失真、互調失真及差頻失真的定義、公式及區別的圖2

現實：

諧波失真、互調失真及差頻失真的定義、公式及區別的圖3

評估幅值非線性的方法有：

諧波失真
互調失真
差頻失真

對于一個理想的系統， 輸出信號應該等于輸入信號乘以傳遞函數。但事實上系統中除了理想的輸出信號之外，還會插入很多我們不想聽到的雜音，或不真實的信號，這些都會給信號帶來失真。而評估非線性失真的方法，就包含諧波失真、互調失真和差頻失真，這三種失真方式。

諧波失真

使用純音信號激勵 , f1
對頻率是基波f1的整數倍信號進行分析
Hn就是n次諧波
總諧波失真 (THD) 所有的失真分量相加

諧波失真的激勵信號是一個純音，在基波頻率的 整數倍頻率上，會由于純音的激勵產生失真信號。所以如果對應于基波的n倍，也就是它的n次諧波，我們會得到一個 總諧波失真（THD），就是把所有的諧波失真分量相加，再除以基波和所有諧波的量的總和，會得到一個百分數，也就是我們需要測的THD。

互調失真

使用兩個規定幅值比的純音信號激勵
一個純音信號頻率是按步進改變的 , f1
一個純音信號頻率是固定的f2，f2甚低于f1
對信號 f1 附近的邊帶進行頻率分析
GB/T 12060.5 2011/IEC 60268 5:2007

推薦設定：f2 < f1/8, f2和 f1 信號的幅值比為 4:1

互調失真會有一個 變化著的純音信號，它的頻率是 按步進改變的；同時我們會有一個調制信號，調制信號是一個 固定頻率的。通常調制信號的頻率要 遠低于純音激勵信號，調制信號的幅值要 遠大于激勵信號。

我們摘錄了GB/T 12060.5-2011/IEC 60268-5:2007推薦的設定值，即激勵信號開始頻率點比調制信號的8倍再大一點，而調制信號和激勵信號的幅值比是4:1。

大家也可以想象到，當兩個信號的頻率完全一致的時候，就會產生共振，在共振區域附近，信號的失真非常大，將會導致測量無意義。所以在做互調失真時，一定要注意，對于調制信號和激勵信號的 頻率和幅值有一定的要求。

差頻失真

使用兩個等幅值的純音信號作為激勵
這兩個純音信號的頻率都是按步進改變的
在 (f1+f2)/2附近邊帶進行頻率分析
包含低頻的邊帶
GB/T 12060.5-2011/IEC 60268-5:2007

推薦設定：f1-f2=80Hz, f2的最小值為f1和f2差值的兩倍

差頻失真是用兩個 改變的純音信號作為激勵，但是這兩個純音信號之間的頻率是 保持固定的頻率差的。例如，還是以GB/T 12060.5-2011/IEC 60268-5:2007這兩個標準里推薦的設定，如果頻差是80赫茲的話，開始頻率（即f2）的頻率點，至少要是差頻頻差的兩倍以上，但也不能太靠近80赫茲。

三種失真的計算公式

不同失真方法的區別

對于 諧波失真，需要測量基波的整數倍，所以需要一個 帶寬較寬的數采，確保可以測量所有需要的諧波分量。舉個例子，如果我們以前的聲卡是到20kHz，如果要做到5次諧波，激勵信號就只能到4kHz了，因為再往上，例如到5kHz，5次諧波就是25kHz，超出測量范圍，就測不到5次諧波了。所以諧波失真更多是用于 評價低頻信號的失真方式。

當然，隨著硬件技術的發展，例如B&K的3161型LAN-XI分析模塊，可以測到204.8kHz的帶寬，如果用來測5次諧波，一樣可以做到40kHz，隨著硬件技術提高，測量傳聲器和數采的測量頻率范圍都越來越寬，我們現在可以完成一個完整的可聽聲頻段（20Hz~20kHz）的諧波失真測量。

互調失真與差頻失真，可以更好地體現 高頻部分的非線性失真。由于低頻部分受到 調制信號頻率以及兩個激勵信號頻差的限制，無法完成更低頻的非線性失真的測量。

所以，我們要合理利用三種失真方式來評價一個電聲產品的非線性失真。

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