音频失真度测量的研究

王凯敏

摘 要：音频类设备是煤矿井下设备的重要组成部分，例如广播音箱、电话、工作面通讯装置、声光信号通讯器、手机等很多类的设备和系统。目前我们人的耳朵能够听到频率20 Hz～15 kHz范围内的音频信号，而人嘴巴发出的语音信号约分布在300～3400Hz。因此300～3400Hz的语音信号可用来确定语音内容或判断说话者的身份；音频可经过音频设备模拟化，成为模拟音频，也可经音频设备数字化成为数字音频。根据音频在传输和转换的过程中会出现失真，定义了音频失真的概念，解释了失真度的含义，并分析了失真度测量的2种测试方法。并通过介绍失真度仪和音频分析仪的使用，明确了实际检测过程中的 THD测量和THD+N测量的方法。

关键词：失真度 THD THD+N 谐波失真测量。

中图分类号：TP391.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（c）-0063-02

音频类设备是煤矿井下设备的重要组成部分，而音频设备有三方面的作用：（1）将声音转换电信号，例如麦克风。（2）将电信号转换音频信号并播放出来的设备，例如扬声器、耳机等。（3）将音频信号放大并输出，例如功率放大器、功放电路等。

音频信号在转换或放大输出的过程中，音频设备中的晶体管等为电阻电容的混合参数所构成的器件，由于电容的容抗中含有频率因子，不同的频率对应于不同的容抗，所以输出信号f1中就多了一些输入信号f0中所没有的频率谐波分量（例如2f0、3f0、4f0、5f0等），输出的声音失去了原有的音色和音质，轻则声音会发破、刺耳，重则模糊根本听不清。因此，在音频传输系统中，我们需测量音频失真的程度，引入了失真度的概念，以便能够采取措施，保证信号的通信质量。

1 失真度

音频在转换、放大、传输的过程中会受到干扰和噪声的影响，输出信号会相对于输入信号发生波形上的变化。所以输出信号相对于输入信号偏离大小的程度就是失真度。根据失真度计算的定义，我们可以看出失真度是信号中总谐波频率的能量与基频能量之比的平方根值，也可简单表示为总谐波频率电压的有效值与基频电压的有效值之比，并以百分数表示。

即

式中：γ为失真度；P为信号总功率；P1为基频信号的功率；U1为基频电压的有效值；U2～Un为谐波频率电压有效值。

失真度是用一个未经放大器放大前的信号与经过放大器放大后的信号作比较，被放大过的信号与原信号之比的差别。其单位为百分比。一般人的耳朵对5%以下的失真不怎么敏感，因此我们可以简单的认为音频失真一般允许范围是10%内，但不能超过15%，否则就失真的程度在不可接受的范围。

音频设备的失真包括谐波失真、互调失真、相位失真及瞬态失真等几类。本文主要讨论谐波失真，因为谐波失真是失真中最重要的，用總谐波失真（Total Harmonic Distortion，简称THD）来表示，是指输入1kHz音频信号到被测设备的放大电路中，输出一定功率时的总谐波失真。，这个数值肯定是越小越好，最好是0，但是THD这个参数有时也被称为THD+N。这里的N指的是噪声Noise。由于我们测量THD时，噪声不可避免的（比如随机噪声、干扰、交流电源噪声等），所以我们也可叫做总谐波失真+噪声。

2 失真度测量

目前失真度的测量分为两种：模拟法和数字法。

第一种为模拟法，模拟法是指模拟的方法处理失真度，例如采用基频抑制法，它就是利用图1中的原理构成的，可以直接读出失真度的数值。其技术指标一般为频率范围：200Hz～20 kHz，失真度范围：0.1%～100%，精确度：±5%～10%。

这种失真度仪为了提高测量精度，并减少外界中干扰及噪声对测量的影响，一般会有几种信号滤波器的选择，例如20 kHz、15 kHz和10 kHz的低通滤波器可较少高频干扰；300 Hz高通滤波器可较少50 Hz的交流电源干扰，还可有300 Hz～3400 Hz的带通滤波器，减少语音频段外的干扰。

失真度的大小，可用输出信号中各次谐波合成电压的有效值与基频电压的有效值之比来表示，其数值由失真度测试仪直接读出。测量线路如图2。测量时，所有测试仪器的外壳都要良好接地，防止其他外界干扰影响其测量的正确和精度。

将音频信号发生器产生的300 Hz、500 Hz、1 kHz、2 kHz、3 kHz、4 kHz等不同频率的正弦波信号输入放大电路的输入端，失真度仪可接放大电路的输出端，测试线路可与扬声器并接，连带测试功放电路和扬声器的作为一个整体的失真度的值，将功放调到一定输出功率值满足一定的声级（例如煤矿井下扩音类产品要求一般不小于85dB（A），并调节失真度仪。实际检测过程中我们一般以1 kHz的失真度值为主要依据，但是其他频点的失真度值其实也是很重要的。若比对同一个产品的多次测试结果，其差别比较大，说明该功放电路在整个300 Hz～4 kHz的音频段内失真度值不均衡。差别小，说明功放在整个音频段内的失真度指标比较均衡。

第二种是数字法，通过A/D对模拟信号进行高速的采样，将模拟数据进行量化，在计算机平台上采用不同的算法可计算出各次谐波的大小。最典型的方法是用快速傅里叶变换（FFT）算法对频谱进行分析，从而得出失真度。

3 THD与THD+N

总谐波失真（简称THD）实际测试时，一般只测试前五阶谐波。这是因为谐波的电压幅值随着谐波阶次的增高成反比。六阶以上的谐波已经占总能量的比率非常小，可以忽略。

总谐波失真加噪声（Total Harmonic Distortion+Noise，简称THD+N），就是公式分母中再加上噪声有效值。Vnoise是指可测量带宽内的噪声的有效值，包含随机噪声、交流电源噪声以及其他无关的干扰。

由上图3和图4我们可以认为THD谐波分量，为音频信号非线性程度的表征；而THD+N其测试方式有关系，THD和noise是不能区分的，所以THD+N可以同时说明设备的失真和噪声，所以该指标反应音频设备存在失真的问题更为全面和妥当。

应当注意的是，许多早期的音频分析仪在其面板上标注的是THD，实际测量实际是THD+N。目前国内较为流行的测试失真度的仪器有Audio Precision系列音频测试仪、Agilent 8903E等。

在实际的检测过程中，我们应该明白单台设备测试和系统测试时应该有所区别，根据实际情况选择合适的仪器，特别是在系统失真度测试时必须要考虑系统容量、线路干扰、外界噪声、交流电源等因素，所以我们一般选择系统中尽可能严酷并具代表性的远端设备。我们以煤矿广播通信系统最具有代表性框图为例。

（1）首先我们在搭建测试系统，我们使用自带音频信号源的音频分析仪，结构如图5。

（2）在音频分析仪上设置好相关参数，在音频分析仪的Generator在1kHz 500 mv的标准正弦波信号到麦克风，然后通过音箱的扬声器接收到音频分析仪的Analyzer，用FTT Graph1扫频，得到其总谐波失真如下图6。同理，还可以得出其2次或3次以及高次谐波。音频分析仪选择THD或THD+N功能，手动调整陷波器频率.仪表就可显示THD或THD+N 值。

若有可能应选择几个不同的传输路径（例如主机到井下音箱n，井下音箱n到主机，井下音箱1到音箱n等），更要考虑传输线缆的非线性失真，确保整个系统中从不同设备的麦克风信号输入至其他设备的模拟信号输出的失真度可控，THD+N可以同时说明设备的失真和噪声，用相对百分比表示。

所以THD+N强调的是噪声对失真的影响，已成为最常用的失真测量方法。THD+N比目前其他的失真指標更有说服力，因为它能更好说明设备或系统的优劣。但是由于我们现行测量失真度的方法是采用单一的正弦波，不能反映出全部的问题。我们还可以使用三角波、方波和锯齿波等自然失真波， 和正弦波的测试数据进行比对，这样测试的结果才会更为合理和精确。

4 结语

文章针对音频设备在放大、传输和转换的过程中发生的失真进行测量，解释了失真度的概念，并介绍了2种测量方法。介绍了失真度仪和音频分析仪的简单原理和使用方法，并进一步介绍了THD和THD+N的主要概念。我们应根据实际情况选择合适的测量仪器、方法，很好地完成测试任务，并在实际的工作中，根据测试结果判断失真的原因和因素，为设计和开发者提供很好地反馈内容，更好地改进放大电路的性能。

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