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(hào)通訊器、手機(jī)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(hào)，而人嘴巴發(fā)出的語音信號(hào)約分布在300～3400Hz。因此300～3400Hz的語音信號(hào)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(huì)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(cè)量的2種測(cè)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(shí)際檢測(cè)過程中的 THD測(cè)量和THD+N測(cè)量的方法。

關(guān)鍵詞：失真度 THD THD+N 諧波失真測(cè)量。

中圖分類號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(hào)，例如麥克風(fēng)。（2）將電信號(hào)轉(zhuǎn)換音頻信號(hào)并播放出來的設(shè)備，例如揚(yáng)聲器、耳機(jī)等。（3）將音頻信號(hào)放大并輸出，例如功率放大器、功放電路等。

音頻信號(hào)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(duì)應(yīng)于不同的容抗，所以輸出信號(hào)f1中就多了一些輸入信號(hào)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(huì)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(cè)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(hào)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(huì)受到干擾和噪聲的影響，輸出信號(hào)會(huì)相對(duì)于輸入信號(hào)發(fā)生波形上的變化。所以輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)偏離大小的程度就是失真度。根據(jù)失真度計(jì)算的定義，我們可以看出失真度是信號(hào)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(hào)總功率；P1為基頻信號(hào)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(gè)未經(jīng)放大器放大前的信號(hào)與經(jīng)過放大器放大后的信號(hào)作比較，被放大過的信號(hào)與原信號(hào)之比的差別。其單位為百分比。一般人的耳朵對(duì)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?yàn)橹C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(hào)到被測(cè)設(shè)備的放大電路中，輸出一定功率時(shí)的總諧波失真。，這個(gè)數(shù)值肯定是越小越好，最好是0，但是THD這個(gè)參數(shù)有時(shí)也被稱為THD+N。這里的N指的是噪聲Noise。由于我們測(cè)量THD時(shí)，噪聲不可避免的（比如隨機(jī)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(cè)量

目前失真度的測(cè)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(cè)量精度，并減少外界中干擾及噪聲對(duì)測(cè)量的影響，一般會(huì)有幾種信號(hào)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(hào)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(cè)試儀直接讀出。測(cè)量線路如圖2。測(cè)量時(shí)，所有測(cè)試儀器的外殼都要良好接地，防止其他外界干擾影響其測(cè)量的正確和精度。

將音頻信號(hào)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(hào)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(cè)試線路可與揚(yáng)聲器并接，連帶測(cè)試功放電路和揚(yáng)聲器的作為一個(gè)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(jí)（例如煤礦井下擴(kuò)音類產(chǎn)品要求一般不小于85dB（A），并調(diào)節(jié)失真度儀。實(shí)際檢測(cè)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(diǎn)的失真度值其實(shí)也是很重要的。若比對(duì)同一個(gè)產(chǎn)品的多次測(cè)試結(jié)果，其差別比較大，說明該功放電路在整個(gè)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(gè)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(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行高速的采樣，將模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上采用不同的算法可計(jì)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(duì)頻譜進(jìn)行分析，從而得出失真度。

3 THD與THD+N

總諧波失真（簡稱THD）實(shí)際測(cè)試時(shí)，一般只測(cè)試前五階諧波。這是因?yàn)橹C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(cè)量帶寬內(nèi)的噪聲的有效值，包含隨機(jī)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(hào)非線性程度的表征；而THD+N其測(cè)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(shí)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(shí)際測(cè)量實(shí)際是THD+N。目前國內(nèi)較為流行的測(cè)試失真度的儀器有Audio Precision系列音頻測(cè)試儀、Agilent 8903E等。

在實(shí)際的檢測(cè)過程中，我們應(yīng)該明白單臺(tái)設(shè)備測(cè)試和系統(tǒng)測(cè)試時(shí)應(yīng)該有所區(qū)別，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的儀器，特別是在系統(tǒng)失真度測(cè)試時(shí)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?cè)诖罱y(cè)試系統(tǒng)，我們使用自帶音頻信號(hào)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(hào)到麥克風(fēng)，然后通過音箱的揚(yáng)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(dòng)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(gè)不同的傳輸路徑（例如主機(jī)到井下音箱n，井下音箱n到主機(jī)，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(gè)系統(tǒng)中從不同設(shè)備的麥克風(fēng)信號(hào)輸入至其他設(shè)備的模擬信號(hào)輸出的失真度可控，THD+N可以同時(shí)說明設(shè)備的失真和噪聲，用相對(duì)百分比表示。

所以THD+N強(qiáng)調(diào)的是噪聲對(duì)失真的影響，已成為最常用的失真測(cè)量方法。THD+N比目前其他的失真指標(biāo)更有說服力，因?yàn)樗芨谜f明設(shè)備或系統(tǒng)的優(yōu)劣。但是由于我們現(xiàn)行測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，這樣測(cè)試的結(jié)果才會(huì)更為合理和精確。

4 結(jié)語

文章針對(duì)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(jìn)行測(cè)量，解釋了失真度的概念，并介紹了2種測(cè)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(jìn)一步介紹了THD和THD+N的主要概念。我們應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的測(cè)量儀器、方法，很好地完成測(cè)試任務(wù)，并在實(shí)際的工作中，根據(jù)測(cè)試結(jié)果判斷失真的原因和因素，為設(shè)計(jì)和開發(fā)者提供很好地反饋內(nèi)容，更好地改進(jìn)放大電路的性能。

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