淺析聲頻功率放大器的非線性失真

陳萍

摘要：本文簡述了聲系統(tǒng)的非線性失真，并以聲頻功率放大器為例，對其總諧波失真和互調(diào)失真產(chǎn)生的原因進行了分析；同時列舉了幾個聲頻功率放大器在不同頻率、功率下的總諧波失真。

關(guān)鍵詞：聲頻功率放大器；幅度非線性；總諧波失真；互調(diào)失真

1概述

在聲系統(tǒng)或聲系統(tǒng)設(shè)備的輸出端出現(xiàn)輸入信號中不存在、但與輸入信號特性有關(guān)的頻率的現(xiàn)象，這就是幅度非線性（amplitude nonlinearity）。通俗地講，就是在重放音頻信號時，波形會發(fā)生變化的現(xiàn)象。非線性失真的本質(zhì)，就是產(chǎn)生的新的頻率分量，其原因和種類有很多，但都是由元器件的非線性影響造成的，一般常有的評價方法，包括總諧波失真（total harmonic distortion）、噪聲諧波失真（noise harmonic distortion）、互調(diào)失真（inter modulation distortion）、噪聲互調(diào)失真（noise inter modulation distortion）、調(diào)制失真（modulation distortion）、差頻失真（differencefrequency distortion）和計權(quán)總諧波失真（weighted total harmonic distortion）等。聲頻功率放大器（audio power amplifier），下簡稱“功放”，是指在給定失真條件下，能產(chǎn)生最大功率輸出以驅(qū)動某一負載（例如揚聲器）的放大器。功放在整個聲系統(tǒng)中起到了“組織、協(xié)調(diào)”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出。從2011年開始，國家標準化管理委員會陸續(xù)推出了GB/T12060《聲系統(tǒng)設(shè)備》系列標準，等同采用國際電工委員會IEC 20608標準，其中對功放的測量方法也進行了重新修訂。本文重點對功放的總諧波失真和互調(diào)失真進行分析。

2總諧波失真（THD）

聲系統(tǒng)在工作過程中，由于產(chǎn)生諧振現(xiàn)象而導(dǎo)致重放聲音時出現(xiàn)失真，這就是諧波失真。專業(yè)地講，諧波失真是指輸入信號為正弦信號時，用輸出信號中的諧波信號與總輸出信號之比表示的幅度非線性。盡管聲系統(tǒng)中只有基頻信號才是聲音的原始信號，但由于不可避免地會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，會在原始聲波的基礎(chǔ)上生成二次、三次甚至多次諧波，這樣在聲音信號中不再只有基頻信號，而是還包括由諧波及其倍頻成分，這些倍頻信號將導(dǎo)致聲系統(tǒng)在工作時產(chǎn)生諧波失真。

對于普通聲系統(tǒng)允許一定諧波信號成分存在，但必須是以對聲音基頻信號輸出不產(chǎn)生大的影響為前提條件。而總諧波失真是指總諧波失真是輸出信號的失真成份的有效值與總輸出信號的有效值之比表示的諧波失真，也就是說用信號源輸入時，輸出信號（諧波及其倍頻成分）比輸入信號多出的額外諧波成分，通常用百分數(shù)來表示。總諧波失真是功放的一個重要技術(shù)指標，總諧波失真在1%以下，一般耳朵分辨不出來，超過10%就可以明顯聽出失真的成分。從人耳的聽覺機理分析，人耳只能區(qū)分的六次～七次諧波，對六次以上的諧波很難在感覺上將它們彼此分開，因為到六次以后的諧波，相鄰的兩個諧波落在人耳的基底膜上的兩個對應(yīng)區(qū)域已相互靠近，并覆蓋在一個臨界帶以內(nèi)，很難在感覺上將它們彼此分開。但高次諧波對音質(zhì)的影響不可忽視，通過實驗發(fā)現(xiàn)異常噪音大多來自高次諧波。

總諧波失真的數(shù)值越小，音色就越純凈，產(chǎn)品的品質(zhì)越高。一般說來，由于1kHz頻率處的總諧波失真最小，因此不少功放產(chǎn)品均以該頻率處的總諧波失真作為它的指標。

但總諧波失真與頻率有關(guān)，應(yīng)該在20Hz～20kHz的全音頻范圍內(nèi)測出。在電子工業(yè)部標準SJ/T 104061993《聲頻功率放大器通用技術(shù)條件》中，在不同頻率下對總諧波失真有不同的要求，見表1。

在不同頻率和輸出電壓時，會有不同的總諧波失真。表2列舉了用SYS-2722音頻分析儀測得的6臺功放產(chǎn)品的總諧波失真，分別在額定條件、1/100額定輸出功率條件下以及80Hz、1kHz、80kHz三種頻率進行檢測。這6臺功放功率不一，質(zhì)量也不盡相同，但共同點是在額定條件下、頻率為1kHz時測得的總諧波失真最小，但是一臺好的功放，在不同頻率、功率下的諧波失真都較小，如5#、6#樣品。

3互調(diào)失真（IMD）

由于測量總諧波失真的信號源是單一的正弦波，不能反映出功放的全貌。實際的音樂信號是各種速率不同的復(fù)合波，其中包括速率轉(zhuǎn)換、瞬態(tài)響應(yīng)等動態(tài)指標，故高質(zhì)量的功放有時還應(yīng)考慮互調(diào)失真、瞬態(tài)失真、瞬態(tài)互調(diào)失真等參數(shù)。如果瞬態(tài)失真過大，則清脆的樂音將變得含混不清；瞬態(tài)互調(diào)失真過大，則聲音呆滯、生硬、無臨場感；反之，則聲音圓滑、細膩、自然。

互調(diào)失真也是非線性的一種，系指由放大器所引入的一種輸入信號的和及差的失真，當輸入基頻為f1、f2……的正弦信號，用頻率為p f1+q f2+……（其中p、q為正、負整數(shù)）的輸出信號與總輸出信號之比的幅度非線性。互調(diào)失真是來自于兩個頻率f1與f2，在f1+ f2與f1- f2（取絕對值）之間所產(chǎn)生的諧波，測量這些位置的諧波大小，就是互調(diào)失真。例如，在給放大器輸入頻率為1kHz和5kHz的混合信號后，便會產(chǎn)生6kHz（1kHz和5kHz之和）及4kHz（1kHz和5kHz之差）的互調(diào)失真成份。具體來說，當不同頻率的信號同時被放大時，在非線性作用下，每個不同頻率的信號就會自動相加和相減，產(chǎn)生出兩個在原信號中沒有的額外信號，如果原信號有3個不同頻率，就會產(chǎn)生6個額外信號，依此類推，當輸入信號是復(fù)雜的多頻率信號，如管弦樂時，由互調(diào)失真所產(chǎn)生的額外信號數(shù)量就相當驚人了。

雖然互調(diào)失真和諧波失真同樣是由放大器的非線性引起，但它們實際上是不盡相同的，諧波失真是對原訊號波形的扭曲，即使是單一頻率訊號通過放大線路也會產(chǎn)生這種現(xiàn)象，而互調(diào)失真卻是不同頻率之間的互相干擾和影響。測量互調(diào)失真比測量諧波失真更為復(fù)雜，要輸入兩個激勵信號，一個正弦信號，一個方波信號，兩者的峰峰電壓比固定在1∶4，相當于有效值幅度比為1∶1.566，正弦波有效值和方波峰峰值之比為1∶11.3，通過互調(diào)失真儀，讀取互調(diào)失真值。也可采用兩個正弦波作為激勵信號來進行互調(diào)失真的測量一個是低頻率高幅度信號，另一個是高頻率信號但幅度是低頻率信號的四分之一。目前用音頻分析能比較方便地測量這一指標。

互調(diào)失真也是功放的一個重要指標，目前國家標準備對互調(diào)失真有檢測要求，但對其具體指標僅是“由產(chǎn)品標準規(guī)定”。過去由于測試儀器不夠先進，加之標準不明確，很多功放產(chǎn)品的技術(shù)要求中都回避了這個指標。事實上，功放的互調(diào)失真和總諧波失真一樣可以做得很小，兩者數(shù)據(jù)也比較接近。

4結(jié)束語

功放的非線性失真是客觀存在的，存在于聲系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)中，無論采取何種技術(shù)措施，想要完全消除它是不可能的，可以通過自適應(yīng)補償?shù)燃夹g(shù)對非線性失真進行抑制，并根據(jù)實際應(yīng)用場合選擇合適的產(chǎn)品。所謂“世界上失真最低的放大器”、“徹底解決音箱互調(diào)失真”等宣傳都是一種誤導(dǎo)。如何解決聲音系統(tǒng)的非線性失真，對整個行業(yè)來說任重而道遠。

參考文獻：

[1] GB/T 12060.22011聲系統(tǒng)設(shè)備.第2部分：一般術(shù)語解釋和計算方法.

[2] GB/T 12060.32011聲系統(tǒng)設(shè)備.第3部分：聲頻放大器測量方法.

[3] SJ/T 104061993聲頻功率放大器通用技術(shù)條件.

[4] 總諧波失真.百度百科：http：∥baike.baidu.com/view/56039.htm 20130423.

[5] 功率放大器.百度百科：http：∥baike.baidu.com/view/70018.htm 201262.

[6] 互調(diào)失真.百度百科：http：∥baike.baidu.com/view/1308453.htm 2013417.