音頻失真度測量的研究

王凱敏

摘 要：音頻類設(shè)備是煤礦井下設(shè)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(shè)備和系統(tǒng)。目前我們?nèi)说亩淠軌蚵牭筋l率20 Hz～15 kHz范圍內(nèi)的音頻信號，而人嘴巴發(fā)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(nèi)容或判斷說話者的身份；音頻可經(jīng)過音頻設(shè)備模擬化，成為模擬音頻，也可經(jīng)音頻設(shè)備數(shù)字化成為數(shù)字音頻。根據(jù)音頻在傳輸和轉(zhuǎn)換的過程中會出現(xiàn)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(guān)鍵詞：失真度 THD THD+N 諧波失真測量。

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

音頻類設(shè)備是煤礦井下設(shè)備的重要組成部分，而音頻設(shè)備有三方面的作用：（1）將聲音轉(zhuǎn)換電信號，例如麥克風(fēng)。（2）將電信號轉(zhuǎn)換音頻信號并播放出來的設(shè)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(zhuǎn)換或放大輸出的過程中，音頻設(shè)備中的晶體管等為電阻電容的混合參數(shù)所構(gòu)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(yīng)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(zhì)，輕則聲音會發(fā)破、刺耳，重則模糊根本聽不清。因此，在音頻傳輸系統(tǒng)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(zhì)量。

1 失真度

音頻在轉(zhuǎn)換、放大、傳輸?shù)倪^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(fā)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(jù)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?jǐn)?shù)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(jīng)放大器放大前的信號與經(jīng)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(rèn)為音頻失真一般允許范圍是10%內(nèi)，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(shè)備的失真包括諧波失真、互調(diào)失真、相位失真及瞬態(tài)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(shè)備的放大電路中，輸出一定功率時的總諧波失真。，這個數(shù)值肯定是越小越好，最好是0，但是THD這個參數(shù)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(shù)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(gòu)成的，可以直接讀出失真度的數(shù)值。其技術(shù)指標(biāo)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(shù)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(fā)生器產(chǎn)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(diào)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(chǎn)品要求一般不小于85dB（A），并調(diào)節(jié)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(jù)，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(chǎn)品的多次測試結(jié)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(nèi)失真度值不均衡。差別小，說明功放在整個音頻段內(nèi)的失真度指標(biāo)比較均衡。

第二種是數(shù)字法，通過A/D對模擬信號進行高速的采樣，將模擬數(shù)據(jù)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(jīng)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(nèi)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(guān)的干擾。

由上圖3和圖4我們可以認(rèn)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(guān)系，THD和noise是不能區(qū)分的，所以THD+N可以同時說明設(shè)備的失真和噪聲，所以該指標(biāo)反應(yīng)音頻設(shè)備存在失真的問題更為全面和妥當(dāng)。

應(yīng)當(dāng)注意的是，許多早期的音頻分析儀在其面板上標(biāo)注的是THD，實際測量實際是THD+N。目前國內(nèi)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(yīng)該明白單臺設(shè)備測試和系統(tǒng)測試時應(yīng)該有所區(qū)別，根據(jù)實際情況選擇合適的儀器，特別是在系統(tǒng)失真度測試時必須要考慮系統(tǒng)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(tǒng)中盡可能嚴(yán)酷并具代表性的遠(yuǎn)端設(shè)備。我們以煤礦廣播通信系統(tǒng)最具有代表性框圖為例。

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

（2）在音頻分析儀上設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，在音頻分析儀的Generator在1kHz 500 mv的標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號到麥克風(fēng)，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(diào)整陷波器頻率.儀表就可顯示THD或THD+N 值。

若有可能應(yīng)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(tǒng)中從不同設(shè)備的麥克風(fēng)信號輸入至其他設(shè)備的模擬信號輸出的失真度可控，THD+N可以同時說明設(shè)備的失真和噪聲，用相對百分比表示。

所以THD+N強調(diào)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(biāo)更有說服力，因為它能更好說明設(shè)備或系統(tǒng)的優(yōu)劣。但是由于我們現(xiàn)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(shù)據(jù)進行比對，這樣測試的結(jié)果才會更為合理和精確。

4 結(jié)語

文章針對音頻設(shè)備在放大、傳輸和轉(zhuǎn)換的過程中發(fā)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(yīng)根據(jù)實際情況選擇合適的測量儀器、方法，很好地完成測試任務(wù)，并在實際的工作中，根據(jù)測試結(jié)果判斷失真的原因和因素，為設(shè)計和開發(fā)者提供很好地反饋內(nèi)容，更好地改進放大電路的性能。

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