音頻失真是什么？了解非線性

了解系統(tǒng)非線性如何在音頻信號(hào)中產(chǎn)生失真，從而影響我們聽到的聲音。我們將研究正弦波、諧波和互調(diào)失真。

我們花了很多時(shí)間思考和談?wù)撘纛l失真，甚至有時(shí)聽它，但它到底是什么，為什么它很重要？

失真通常有兩種類型：

• 頻率失真 — 由帶寬不足和帶寬限制之間的非平坦頻率響應(yīng)引起
• 非線性失真——由硬件中的非線性引起。

本文是關(guān)于非線性失真的，因?yàn)槿缃耦l率失真在現(xiàn)代設(shè)備中很少成為問題。非線性失真通常被錯(cuò)誤地稱為“非線性失真”。但是，失真不是非線性的，而是硬件設(shè)備是非線性的。

正弦波 — 音頻信號(hào)的構(gòu)建塊

一個(gè)好的起點(diǎn)是解釋正弦波信號(hào)（圖1）只有一個(gè)頻率。在音頻頻率下，正弦波以單個(gè)音調(diào)的形式被聽到。

* 圖1 .正弦波信號(hào)*

設(shè)計(jì)人員可以從許多正弦波的集合中構(gòu)建所有其他波形。除了正弦波之外，還可以從其他構(gòu)建模塊信號(hào)中建立波形。然而，構(gòu)建塊信號(hào)、過程和數(shù)學(xué)可能要復(fù)雜得多。因此，沿著音頻路線走下去似乎沒有意義。

正弦波由多種形式的自然振動(dòng)或振蕩產(chǎn)生?？紤]一個(gè)時(shí)鐘的擺輪，有一個(gè)水平軸。如果我們?cè)谲囕嗊吘壸鲆粋€(gè)標(biāo)記并從側(cè)面看，則軸上方（和下方）標(biāo)記的高度會(huì)在時(shí)間上勾勒出正弦波。

非線性導(dǎo)致音頻失真

非線性失真是由音頻信號(hào)路徑中的某些設(shè)備產(chǎn)生的輸出幅度與輸入幅度不嚴(yán)格成比例引起的。這可能是音頻放大器，甚至是失去光澤的連接器。這種非線性會(huì)使信號(hào)失真，使得輸出波形與輸入波形不同。

現(xiàn)在，無論輸入波形是什么，它都可以被認(rèn)為是許多正弦波的總和，輸出波形也可以。不過，由于波形不同，輸出波形包括輸入波形中沒有的正弦波分量。它們是扭曲的。

對(duì)于輸入信號(hào)的每個(gè)正弦波分量（稱為基波），非線性產(chǎn)生該分量頻率的倍數(shù)的信號(hào)，稱為諧波。雙頻諧波稱為二次諧波或2階諧波。三倍頻率一是三次諧波。這些新信號(hào)是諧波失真分量。

圖2顯示了來自一個(gè)非常糟糕的電路的輸入和輸出信號(hào)，該電路產(chǎn)生20%幅度的二次諧波和10%的三次諧波。在輸出中添加二次和三次諧波信號(hào)會(huì)使信號(hào)失真，因此它不再是純正弦波。選擇這些高失真數(shù)字是為了清楚地顯示效果。

* 圖2. 非線性失真示例。純正弦輸入信號(hào)為棕色，失真輸出信號(hào)為黑色。*

二次諧波總是導(dǎo)致正半周期與負(fù)半周期的形狀不同。在本例中，三次諧波會(huì)影響信號(hào)的峰值。這是因?yàn)槲疫x擇了三次諧波相對(duì)于基波相位角的相位角來做到這一點(diǎn)。不同的相位角會(huì)導(dǎo)致不同的形狀變化。

樂器中的諧波示例

幾乎所有樂器（和人聲）產(chǎn)生的聲音都包含許多諧波。例如，正弦波是由ocarina產(chǎn)生的，ocarina是一種類似于口琴的小型手持管樂器，顧名思義，它在每個(gè)音符中產(chǎn)生大量諧波。

再添加一些諧波會(huì)改變音符的音調(diào)或音色。除非添加量很大，否則任何人都很難察覺差異，除非他們能夠區(qū)分斯特拉迪瓦里的聲音和瓜內(nèi)里的聲音。

圖3顯示了小提琴的“諧波頻譜”。頻譜通常是功率或電壓與頻率的關(guān)系圖。

* 圖3. 小提琴的頻譜顯示為諧波倍數(shù)*

制作一把好小提琴的藝術(shù)是選擇木材、它們的處理和它們的形狀，以產(chǎn)生最理想的諧波振幅組合?！白钚枰笨赡苁恰叭岷汀被颉傲钊伺d奮”，具體取決于音樂流派或僅僅是個(gè)人喜好。

但是，如果額外諧波的添加很大，則可以聽到新的效果。非線性產(chǎn)生諧波恰好是原始頻率的兩倍、三倍等。大多數(shù)儀器產(chǎn)生的諧波實(shí)際上應(yīng)該被稱為“部分”，因?yàn)樗鼈儾皇谴嬖诘淖畹皖l率（基波）的精確倍數(shù)。

對(duì)于某些樂器來說，這些部分與基本面一樣響亮，甚至比基本面更響亮。例如，長(zhǎng)笛產(chǎn)生幾乎相等的基本和二次諧波。

部分諧波和最接近諧波產(chǎn)生一個(gè)新的頻率分量，該分量出現(xiàn)在部分和諧波頻率之間的差異處。此屬性的頻率總是比兩者低得多，這是一種咆哮，往往會(huì)使聲音變得粗糙而不是平滑。

還產(chǎn)生了新頻率的分量，該分量是部分頻率和諧波頻率的總和。這個(gè)新頻率對(duì)組合聲音的影響不大，但它的頻率要高得多，并且可能與更高頻率范圍內(nèi)的其他信號(hào)分量發(fā)生沖突。

值得慶幸的是，除非非線性非常嚴(yán)重，否則新頻率分量在差和和頻率上的影響很小。

不幸的是，這還不是故事的全部。非線性還導(dǎo)致輸入信號(hào)中兩個(gè)分量的每個(gè)組合都出現(xiàn)這些和和差頻率的信號(hào)。這些新頻率被稱為“互調(diào)失真分量”。

互調(diào)失真

這些分量要嚴(yán)重得多，即使非線性相當(dāng)溫和，許多新頻率的影響通常也非?？陕?。那么，為什么我們主要討論和測(cè)量諧波而不是互調(diào)分量呢？

原因有二。首先，過去測(cè)量諧波更容易，但對(duì)于現(xiàn)代數(shù)字儀器來說，這不是問題。其次，我們用最簡(jiǎn)單的輸入信號(hào)——正弦波來測(cè)量諧波。

為了測(cè)量互調(diào)，我們必須至少輸入兩個(gè)信號(hào)，它們都可以是正弦波，但是我們應(yīng)該使用什么頻率，它們應(yīng)該具有相等的幅度（電壓）還是不同的？

直到 1970 年代，人們對(duì)此有很多困惑，人們做出了不同的選擇，因此他們的結(jié)果沒有可比性。隨后，世界大多數(shù)音頻界的代表在國(guó)際電工委員會(huì)的一個(gè)技術(shù)委員會(huì)中達(dá)成了一項(xiàng)國(guó)際協(xié)議。該委員會(huì)規(guī)定了兩種互調(diào)失真：差頻失真（以前稱為CCIR失真）和調(diào)制失真（SMPTE失真）。

微頻失真（見圖4）測(cè)量由兩個(gè)相等的高頻信號(hào)（如1 kHz和19 kHz）產(chǎn)生的20 kHz差頻信號(hào)的相對(duì)幅度。這是一個(gè)更重要的評(píng)估，因?yàn)樗歉哳l線性度的量度，在高頻下，負(fù)反饋的失真減少效應(yīng)往往較小。在圖4中，19 kHz和20 kHz的輸入信號(hào)產(chǎn)生兩個(gè)失真信號(hào)：

1. 1 kHz 時(shí)的差分信號(hào) （20 - 19 = 1）
2. 39 kHz 時(shí)的總和信號(hào) （20 + 19 = 39）

* 圖4. 差頻失真*

調(diào)制失真使用低頻信號(hào)和較低電壓下更高頻率的信號(hào)，通常是其他信號(hào)的四分之一。例如，信號(hào)可能是 80 Hz 和 5 kHz。如圖5所示，非線性再次產(chǎn)生兩個(gè)新的輸出失真信號(hào)分量：

1. 4920 Hz 時(shí)的差分信號(hào) （5000 - 80 = 4920）
2. 5080 Hz 時(shí)的總和信號(hào) （5000 + 80 = 5080）

* 圖5. 調(diào)制失真*

還可以測(cè)量由輸入信號(hào)分量的諧波產(chǎn)生的其他互調(diào)分量。例如，如果我們有兩個(gè)輸入頻率 f1 和 f2，則在 f2 和 1f2 ± f2 處存在 2f1 ±互調(diào)分量，以及我們已經(jīng)看到的 f1 – f2 和 f1 + f2。但這些并不能告訴我們更多關(guān)于被測(cè)量設(shè)備性能的信息。

我們應(yīng)該得出的結(jié)論是，我們應(yīng)該消除所有非線性來源，以免損壞再現(xiàn)的聲音。然而，我們必須在放大器中使用的設(shè)備，即晶體管（或過去的閥門/電子管），本質(zhì)上是非線性的，因此我們必須使用精心選擇的設(shè)計(jì)技術(shù)來盡可能減少非線性。

這經(jīng)常會(huì)引發(fā)一個(gè)問題，“多少才足夠？發(fā)燒友經(jīng)常就人類聽覺的敏感性以及我們實(shí)際可以聽到的失真程度來爭(zhēng)論這個(gè)問題。但是，對(duì)于本文來說，這是一個(gè)太大的主題。