音频失真是怎么回事？理解非线性

我们花了很多时间思考和谈论音频失真，甚至有时会去听它，但它到底是什么，为什么重要？ 

一般有两种失真： 

• 频率失真——由带宽不足和带宽限制之间的非平坦频率响应引起
• 非线性失真——由硬件中的非线性引起。

这篇文章是关于非线性失真的，因为如今现代设备的频率失真很少成为问题。非线性失真通常被错误地称为“非线性失真”。然而，失真不是非线性的，非线性的是硬件设备。

正弦波——音频信号的组成部分

一个好的起点是解释正弦波信号（图 1）只有一个频率。在音频频率下，该正弦波被视为单音。

图 1。正弦波信号

设计人员可以从许多正弦波的集合中构建所有其他波形。除了正弦波之外，还可以从其他构建块信号构建波形。然而，构建块信号、过程和数学可能要复杂得多。因此，沿着这条路线寻找音频似乎没有意义。 

正弦波是由多种形式的自然振动或振荡产生的。考虑一个时钟的摆轮，它有一个水平轴。如果我们在车轮的边缘做一个标记并从侧面看，标记在轴上方（和下方）的高度及时描绘出一个正弦波。

非线性造成音频失真

非线性失真是由音频信号路径中的某些设备产生的输出幅度与输入幅度不严格成比例引起的。这可能是一个音频放大器，甚至是一个失去光泽的连接器。这种非线性使信号失真，使得输出波形与输入波形不同。 

现在，无论输入波形是什么，它都可以被认为是许多正弦波的总和，输出波形也是如此。尽管如此，由于波形不同，输出波形包括输入波形中没有的正弦波分量。他们被扭曲了。 

对于输入信号的每个正弦波分量（称为基波），非线性会产生该分量频率的倍数的信号，称为谐波。倍频的称为二次谐波或2次谐波。三倍频的称为三次谐波。这些新信号是谐波失真分量。

图 2 显示了一个非常糟糕的电路的输入和输出信号，该电路会产生 20% 幅度的二次谐波和 10% 的三次谐波。将二次和三次谐波信号添加到输出会使信号失真，使其不再是纯正弦波。选择这些高失真数字是为了清楚地显示效果。 

图 2. 非线性失真示例。纯正弦输入信号为棕色，失真输出信号为黑色。

二次谐波总是导致正半周期与负半周期的形状不同。在这个例子中，三次谐波影响信号的峰值。那是因为我选择了三次谐波相对于基波相位角的相位角来做到这一点。不同的相位角会导致不同的形状变化。

乐器中的谐波示例

几乎所有乐器（和人声）产生的声音都包含许多谐波。例如，正弦波是由陶笛产生的，这是一种类似于口琴的小型手持管乐器，顾名思义，它在每个音符中都会产生很多谐波。 

添加更多的谐波会改变音符的音调或音色。除非添加量很大，否则任何人通常都很难察觉差异，除非他们能够区分斯特拉迪瓦里小提琴和瓜奈里小提琴的声音。 

图 3 显示了小提琴的“谐波频谱”。频谱通常是功率或电压与频率的关系图。 

图 3. 小提琴的频谱显示为谐波倍数

制作一把好小提琴的艺术在于选择木材、木材的处理和成型，以产生理想的谐波振幅组合。根据音乐类型或个人喜好，“想要”可能是“圆润”或“令人兴奋”。 

但是，如果额外谐波的增加很明显，就会听到新的效果。非线性产生的谐波恰好是原始频率的两倍、三倍等。大多数乐器产生的谐波实际上应该称为“偏音”，因为它们不是存在的频率（基频）的倍数。

对于某些乐器来说，这些分音与基音一样响亮，甚至更大。例如，长笛会产生几乎相等的基频和二次谐波。 

部分谐波和接近的谐波会创建一个新的频率分量，该分量出现在部分谐波频率和谐波频率之间的差异处。此属性的频率总是比两者都低得多，是一种倾向于使声音粗糙而不是平滑的咆哮。 

还产生了一个新频率的分量，它是部分和谐波频率的总和。这个新频率对组合声音的影响不大，但它的频率要高得多，可能会与该更高频率范围内的其他信号分量发生冲突。

值得庆幸的是，除非非线性非常严重，否则差频和和频的新频率分量的影响很小。

不幸的是，这还不是全部。非线性还导致输入信号中两个分量的每个组合都出现这些和频和差频的信号。这些新频率被称为“互调失真分量”。 

互调失真

这些成分要严重得多，许多新频率的影响通常非常明显，即使非线性相当温和。那么，为什么我们主要讨论和测量谐波而不是互调分量呢？

有两个原因。首先，过去测量谐波更容易，但这不是现代数字仪器的问题。其次，我们使用简单的输入信号——正弦波来测量谐波。 

要测量互调，我们至少要输入两个信号，它们都可以是正弦波，但我们应该使用什么频率，它们的振幅（电压）应该相等还是不同？ 

直到20世纪70年代，人们对此还存在很多困惑，人们做出了不同的选择，所以他们的结果没有可比性。国际电工委员会的一个技术委员会代表了世界音频界的大多数国家，然后达成了一项国际协议。该委员会指定了两种互调失真：差频失真（以前称为 CCIR 失真）和调制失真（SMPTE 失真）。 

正如所暗示的那样，差频失真（见图 4）测量由两个相等的高频信号（例如 19 kHz 和 20 kHz）产生的 1 kHz 差频信号的相对幅度。这是一个更重要的评估，因为它是高频线性度的度量，在高频时负反馈的失真减少效果往往较小。在图 4 中，19 kHz 和 20 kHz 的输入信号产生两个失真信号：

1. 1 kHz 时的差分信号 (20 - 19 = 1)
2. 39 kHz 的总和信号 (20 + 19 = 39) 

图 4.差频失真

调制失真在较低电压下使用低频信号和频率高得多的信号，通常是其他信号电压的四分之一。例如，信号可能是 80 Hz 和 5 kHz。如图 5 所示，非线性再次产生两个新的输出失真信号分量：

1. 4920 Hz 时的差分信号 (5000 - 80 = 4920)
2. 5080 Hz 处的总和信号 (5000 + 80 = 5080) 

图 5.调制失真

还可以测量由输入信号分量的谐波产生的其他互调分量。例如，如果我们有两个输入频率 f1 和 f2，则在 2f1 ± f2 和 2f2 ± f1 以及我们已经看到的 f1 – f2 和 f1 + f2 处存在互调分量。但是这些并不能告诉我们更多有关被测设备性能的信息。

我们应该得出的结论是，我们应该消除所有非线性源，以免损坏再现的声音。然而，我们必须在放大器中使用的器件，即晶体管（或过去的电子管/电子管）本质上是非线性的，因此我们必须使用精心选择的设计技术来尽可能地减少非线性。