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互调失真

两种或多种不同频率的信号通过放大器或扬声器后产生差拍与构成新的频率分量,这种失真通常都是由电路中的有源器件(如晶体管、电子管)产生的。失真的大小与输出功率有关,由于新产生的这些频率分量与原信号没有相似性,因此较少的互调失真也很容易被人耳觉察到。

互调失真(intermodulation distortion)系指由放大器所引入的一种输入信号的和及差的失真。例如,在给放大器输入频率为1kHz和5kHz的混合信号后,便会产生6kHz(1kHz和5kHz之和)及4kHz(1kHz和5kHz之差)的互调失真成份。

互调失真是指由于讯号互相调制所引起的失真,调制一词本来是指一种在通讯技术中,用以提高讯号传送效率的技术。由于含有声音、图像,文字等的原始讯号“加进”高频讯号里面,然后同时将这个合成讯号发送出去。这种将高低频相“加”的过程和方式称为调制技术,所合成的讯号称为调制讯号。调制讯号除保留高频讯号的主要特征外,还包含有低频讯号的所有信息。

产生互调失真的过程实质上也是一种调制过程,由于一个电子线路或一台放大器不可能做到完全理想的线性度,当不同频率的讯号同时进入放大器被放大时,在非线性作用下,每个不同频率的讯号就会自动相加和相减,产生出两个在原讯号中没有的额外讯号,原讯号如有三个不同频率,额外讯号便会有6个,当原讯号为N个时,输出讯号便会有N(N-1)个。可以想像的是,当输入讯号是复杂的多频率讯号,例如管弦乐时,由互调失真所产生的额外讯号数量是多么的惊人!

当音频放大电路放大输入频率为F的音频信号时,如果有下列两个干扰信号同时作用于放大电路输入端:

Uf1=Uf1cos2πF1t

Uf2=Uf2cos2πF2t

那么,由于元器件特性的非线性,就会引起这两个信号之间的互相作用,产生出一种与有用信号频率相近的新生干扰信号。这时,经音频放大电路听到的除了有用信号的声音外,还同时夹杂着哨叫声和杂乱的干扰声。这种由于干扰之间互相调制作用对有用信号引起的失真称为互调失真或互调干扰。

互调失真的测量技术中使用的激励信号都不止单个简单的正弦信号。专业音响、广播和消费类音响等领域,用两个正弦波作为激励信号来进行互调失真的测量。因为任意两个频率分别为F1和F2的正弦信号作用于非线性器件时,就会产生出原有的两个正弦波再加上无数个互调失真项,即无数个组合频率分量,如下式:

mF1±nF2

其中m、n为任意正整数。任意特定的互调失真(IMD)项的阶数即m与n的和。下面列出一些互调失真项的阶数:

F1-F2 2阶(偶次)

F1+F2 2阶(偶次)

2F1-F2 3阶(奇次)

F1-2F2 3阶(奇次)

2F1+F2 3阶(奇次)

3F1-F2 4阶(偶次)

3F1+2F2 5阶(奇次)

…….

上面的“奇次”和“偶次”指的是m+n是奇数还是偶数。

互调失真的测量方法实际上是对谐波电压分量的测量,其公式为:

f1为高音频,f2为低音频。

SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers)RP120-1983标准和DIN(Deutsches Institut fur Normung e.V.)DIN45403标准是最普通的两种互调失真测量标准。因为越是复杂的测试信号就越接近于模拟实际的节目源。而SMPTE和DIN互调失真测试高幅低频音频信号与低幅高频音频信号的频谱关系类似于音乐和声音的频谱分布。两者均规定用两个正弦波测试信号,一个是低频率高幅度信号,另一个是高频率信号但幅度是低频率信号的四分之一。SMPTE标准规定信号频率分别为60 Hz和7 kHz。而DIN标准规定了几种可选择的高、低频频率,250 Hz和8 kHz是其中最常用的一组频率。有时也要用到其它类似于SMPTE和DIN标准的信号,如70 Hz和7 kHz信号。

当上述的双音频测试信号作用于非线性器件时,在高音频周围就会产生边带分量群。高音频和第一对边带(二阶边带,F1±F2)之间相差正好是低音频的频率值,第二对边带(三阶边带,F1±2F2)与高频之间相差正好是低音频频率值的两倍等等,如图1所示。

图1 双音频信号作用于非线性器件示意图

互调失真定义为这些边带的调幅值与高频载波调幅值之比的百分值。

典型的SMPTE或DIN互调失真分析仪工作原理简化框图如图2所示。

图2典型的SMPTE或DIN互调失真分析仪工作原理简化框图

高通滤波器先将低频率的音频信号滤去,余下的信号基本上是一个调幅信号,被送至AM解调器。解调器的输出为边带分量,这些边带分量被转化为基带,例如,一个产生二阶、三阶互调失真项的SMPTE测试信号,在通过解调器后,其上、下各边带将被转化成60 Hz和120 Hz的分量,解调器后面的低通滤波器用来除去任何残留的高频载波,剩余的信号由真RMS检波器测量。测量仪输出读数以百分比或分贝数表示。

对于音频类产品的互调失真当然是越少越好,CLIO&AUDIO PRECISION等测试仪器均有互调失真测量功能。

1、采用电子分频方式,限制放大电路或扬声器的工作宽带,从而减少差拍的产生。

2、选用线性好的管子或电路结构。

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