【內(nèi)容摘要】 THD+N技術(shù)是目前最常用的失真測(cè)量方法。本文首先介紹THD+N的基本概念，然后說(shuō)明它的測(cè)量方法，接著對(duì)它的的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最后給出了實(shí)際測(cè)量中應(yīng)注意的問(wèn)題以及如何正確分離THD+N的源。
【關(guān)鍵詞】 THD+N 諧波 失真 基頻 濾波器
理解THD+N
THD+N是英文“Total Harmonic Distortion+Noise”的縮寫，譯成中文是“總諧波失真加噪聲”。它是音頻系統(tǒng)測(cè)量中最常用的一個(gè)指標(biāo)，每一種用于發(fā)生、傳輸或者處理音頻信號(hào)的設(shè)備都有一個(gè)THD+N參數(shù)。
我們先來(lái)看看一個(gè)測(cè)量失真基本原理圖。
圖中主要的功能塊就是可調(diào)諧的陷波濾波器。在工作時(shí)，該濾波器手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)諧到正弦波測(cè)量信號(hào)的基波頻率上，以便基波被很大衰減。從圖中我們可以看到，經(jīng)過(guò)濾波器出來(lái)的顯示在電壓表上的數(shù)據(jù)，實(shí)際上是所有不存在于原信號(hào)中的東西，所設(shè)計(jì)的濾波器實(shí)際在2次和高次諧波處沒(méi)有插入損耗，所以諧波基本上無(wú)衰減地通過(guò)。寬帶噪聲，與AC電源有關(guān)的哼鳴聲和其他處在陷波器頻率上下的干擾信號(hào)也可以無(wú)衰減地通過(guò)，這也就是“+N”（加噪聲）部分的由來(lái)。除了諧波失真外，噪聲、電源哼鳴聲以及干擾信號(hào)，從根本上來(lái)說(shuō)也是一種失真，只是和原信號(hào)無(wú)關(guān)罷了，但是顯然也對(duì)設(shè)備的質(zhì)量有一定的影響。并且從圖中可以看出來(lái)，要從測(cè)量結(jié)果中把噪聲因素除去還要經(jīng)過(guò)二次測(cè)量和計(jì)算，并且似乎這種結(jié)果對(duì)于最終消費(fèi)者來(lái)說(shuō)沒(méi)有太大的意義。于是，廠家們就“偷了個(gè)懶”，干脆就連失真帶噪聲一起算了。
THD+N技術(shù)是極為吸引人的，因?yàn)樵O(shè)備輸出中除了純測(cè)量信號(hào)的任何成分都會(huì)使測(cè)量指標(biāo)下降。低的THD+N測(cè)量結(jié)果不僅說(shuō)明諧波失真低，而且也說(shuō)明哼鳴聲，干擾信號(hào)，以及寬帶白噪聲也是比測(cè)量值低（或等于測(cè)量值）。所以THD+N比任何其他的失真測(cè)量技術(shù)更能說(shuō)明問(wèn)題，它只用一個(gè)數(shù)據(jù)就能說(shuō)明設(shè)備是否存在大的問(wèn)題。從目前的趨勢(shì)來(lái)看，標(biāo)注THD+N參數(shù)的器材設(shè)備越來(lái)越多，這說(shuō)明大多數(shù)生產(chǎn)廠家逐漸從關(guān)心單一指標(biāo)轉(zhuǎn)向?qū)⒅笜?biāo)綜合考慮。
總的來(lái)說(shuō)，THD+N是一個(gè)聲音不需要的成分。如果你的系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)聲音，那么你不希望這個(gè)聲音攙雜有其他的成分。但是，所有的設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生其他的聲音成分。這些不需要的聲音可以分為以下四個(gè)類型：
·諧波失真－與所需要的聲音相關(guān)
·隨機(jī)噪聲－由電氣設(shè)備隨機(jī)波動(dòng)引起
·干擾－環(huán)境或者設(shè)備中其他信號(hào)引起的
·哼鳴－供電電源引起
THD+N測(cè)量包含了上述所有四種不需要的聲音。如果任何一項(xiàng)過(guò)大，都會(huì)反映在THD+N讀數(shù)里。因此，THD+N的讀數(shù)可以很好地反映設(shè)備是否運(yùn)行良好。
THD+N測(cè)量方法
進(jìn)行THD+N測(cè)量的時(shí)候，我們先給系統(tǒng)送一個(gè)單一頻率的正弦波信號(hào)，稱為基頻，這時(shí)候會(huì)在頻譜產(chǎn)生一些不需要的聲音成分，見(jiàn)下圖：
用電壓表測(cè)量這個(gè)正弦波幅度大小。測(cè)量值基本上由基頻的幅度決定，因?yàn)榛l同其它不需要的信號(hào)相比幅度要大很多。
信號(hào)然后送給一個(gè)窄帶陷波濾波器以濾除基頻成分，頻譜見(jiàn)下圖：
基頻信號(hào)幾乎完全濾除可以忽略不計(jì)算，用電壓表測(cè)量這個(gè)濾波后的信號(hào)，所得數(shù)值和第一次測(cè)量所得數(shù)值的比值就是測(cè)量的THD+N參數(shù)，通常用%或dB做單位。
注意最后的測(cè)量結(jié)果是“寬帶”的，因?yàn)闇y(cè)量到的噪聲是某個(gè)頻率范圍內(nèi)所有噪聲的總和。基頻的頻率無(wú)需指定，因?yàn)橛行┰O(shè)備在不同的基頻點(diǎn)上產(chǎn)生的諧波失真或大或小，但是其他的噪聲成分則和基頻頻率無(wú)關(guān)。
THD+N測(cè)量分析
THD+N隨頻率變化
有時(shí)候THD+N在一個(gè)頻率范圍內(nèi)會(huì)非常穩(wěn)定，卻在某一個(gè)頻率點(diǎn)突然跌落，給出一個(gè)非常低的讀數(shù)。這說(shuō)明THD+N的讀數(shù)是由一個(gè)在那個(gè)頻率點(diǎn)的特別的哼鳴或者干擾信號(hào)控制的。在用50或者60HZ做基頻測(cè)量的時(shí)候常見(jiàn)這種情況。
例如，你會(huì)看見(jiàn)如下圖的一個(gè)THD+N掃描曲線。
如果你見(jiàn)到這個(gè)圖，你立刻就會(huì)懷疑THD+N讀數(shù)是由跌落頻率點(diǎn)的一個(gè)特殊信號(hào)成分控制的。原因是陷波濾波器在濾除基頻的時(shí)候也把這個(gè)與基頻相同頻率的主要的干擾信號(hào)也濾除了。
這一原理可以用來(lái)確認(rèn)THD+N的主要干擾源。如果你懷疑某個(gè)頻率點(diǎn)上有干擾源，就可以把這個(gè)頻率點(diǎn)設(shè)為基頻，進(jìn)行THD+N測(cè)量。如果測(cè)量的結(jié)果比在其他基頻點(diǎn)上測(cè)量的THD+N值小很多，那么就可以確定干擾頻率正是在這個(gè)頻率點(diǎn)上。
有時(shí)候，相位抵消也會(huì)產(chǎn)生上圖所示類似的掃描曲線。這是因?yàn)樵诘漕l率點(diǎn)上的失真信號(hào)和干擾信號(hào)的相位相抵消所引起的。在多次運(yùn)行掃描過(guò)程中，這些陷波會(huì)明顯有區(qū)別或者消失，則可以判斷有可能是相位抵消引起的。
THD+N隨幅度變化
當(dāng)基頻幅度降低的時(shí)候，通常THD+N讀數(shù)明顯上升。即使設(shè)備在低幅度情況下沒(méi)有產(chǎn)生更多的噪聲和失真。
該現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于THD+N讀數(shù)是濾波器前后的幅度之比。因?yàn)闉V波器之后的讀數(shù)主要是由于噪聲、哼鳴或者干擾信號(hào)的幅度，與基頻幅度無(wú)關(guān)。因此，基頻幅度下降會(huì)引起計(jì)算出來(lái)的THD+N結(jié)果上升。
任何設(shè)備都有一個(gè)本底噪聲，如果基頻幅度小于本底噪聲，那么濾波器前后的信號(hào)是一致的，這時(shí)候THD+N就是100%。
在有些設(shè)備里，當(dāng)信號(hào)幅度下降的時(shí)候，不需要的信號(hào)幅度會(huì)增加。如果發(fā)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象，你可能需要測(cè)量絕對(duì)THD+N值。也就是測(cè)量濾波器之后的信號(hào)幅度。這個(gè)測(cè)量無(wú)法使用dB和%這2個(gè)單位。
所有設(shè)備都有一個(gè)最大允許幅度。如果基頻大于這個(gè)幅度，設(shè)備將會(huì)產(chǎn)生削波，引起很大的失真。幾乎所有的設(shè)備都會(huì)在最大或者最大幅度附近顯示出一個(gè)很高的諧波失真讀數(shù)。
下圖顯示的是THD+N和幅度的關(guān)系：
對(duì)于一低失真的設(shè)備，圖示的曲線中平坦部分會(huì)變短甚至消失。因?yàn)檫@時(shí)的THD+N值在各個(gè)頻段主要由噪聲大小決定。
THD+N測(cè)量實(shí)踐
什么信號(hào)起決定作用？
雖然THD+N中包含各種成分，但不是所有成分都對(duì)讀數(shù)起作用。就象一個(gè)電壓表在讀數(shù)的時(shí)候，幾個(gè)頻率成分中幅度最高的分量起決定作用。
當(dāng)比較2個(gè)不同的信號(hào)成分的時(shí)候，比如干擾音頻和失真分量的時(shí)候，這一限制通常為10dB。如果一個(gè)分量比另外一個(gè)大10dB，則高的那個(gè)分量對(duì)幅度讀數(shù)起主要作用。不過(guò)，如果有很多的小幅度分量的時(shí)候，他們的組合也可能起主要作用。例如，隨機(jī)噪聲對(duì)THD+N測(cè)量數(shù)值有可能有重要影響，雖然隨機(jī)噪聲在各個(gè)頻率上的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他分量。因?yàn)樵肼暣嬖谟诟鱾€(gè)頻率點(diǎn)上，每個(gè)頻率點(diǎn)都對(duì)總讀數(shù)有輕微的影響，綜合起來(lái)的影響就可能很明顯。
帶寬選擇
在THD+N測(cè)量里，帶寬選擇很重要，主要有2個(gè)原因：