[分析测量] 非线性失真之总谐波失真(THD)测试

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发表于 2019-2-12 10:47 | 显示全部楼层
martymak 发表于 2019-2-12 10:16
校正是一个基本慨念 ...
如果不用对比 , 你自己自娱的 , 绝对没有问题的...

业余万用表,我相信用到坏,都沒有效正过,示波器,亦是自校正,校正下增益和补偿,
校正为了统一标准,使各台仪器统一,DIY,测试器材是唯一的,不较正用于对比足够
RMAA是免费的,只是一种运算,是一种比值,受限于电脑,A/D,D/A转换精度,但精度比以前模拟失真仪高得多

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发表于 2019-2-12 11:09 | 显示全部楼层
jingship 发表于 2019-2-12 10:47
业余万用表,我相信用到坏,都沒有效正过,示波器,亦是自校正,校正下增益和补偿,
校正为了统一标准,使各台 ...

"RMAA是免费的,只是一种运算,是一种比值,受限于电脑,A/D,D/A转换精度,但精度比以前模拟失真仪高得多
"

.... 现今的电脑,运算是没问题的 , 只是 A/D , D/A的数位精度 就靠外置的高档 sound card ( 我手头有sound blaster live , 相信能用的 )

.... 现今的测量工具己经转为数字化了 , 包括示波器 ,
但是低档模拟失真仪 也是可取的 (那里有 ? 或是diy 也可以,我有电路图,但是太繁复的,)

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本帖最后由 jingship 于 2019-2-12 11:21 编辑
martymak 发表于 2019-2-12 11:09
"RMAA是免费的,只是一种运算,是一种比值,受限于电脑,A/D,D/A转换精度,但精度比以前模拟失真仪高得多
"
...


RMAA还是有自环测试的,可以做基准参考,其它,只能靠sound card精度了,同示波器一样,靠内部信号的精度,至于电平,可靠毫伏表
模拟失真仪,还有的,几百元,但显示分辨率只能0.1%,比RMAA差远了
怎样差的声卡,都可以到0.0几啦

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本帖最后由 martymak 于 2019-2-12 12:03 编辑
jingship 发表于 2019-2-12 11:19
RMAA还是有自环测试的,可以做基准参考,其它,只能靠sound card精度了,同示波器一样,靠内部信号的精度,至 ...


"模拟失真仪,还有的,几百元,但显示分辨率只能0.1%"
.... 几百元就不值买 , 0.1% 分辨率都可以的 (人耳能分辩出的 ,肯定金耳朵 )
.... 能 diy 一个简單的失真仪 , 就好

这个太复杂

这个太复杂

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发表于 2019-2-12 12:08 | 显示全部楼层
martymak 发表于 2019-2-12 11:59
"模拟失真仪,还有的,几百元,但显示分辨率只能0.1%"
.... 几百元就不值买 , 0.1% 分辨率都可以的 (人耳 ...

有免费rmaa,这东西直接就是废物了,  提都不要提了。

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发表于 2019-2-12 12:11 | 显示全部楼层
martymak 发表于 2019-2-12 11:59
"模拟失真仪,还有的,几百元,但显示分辨率只能0.1%"
.... 几百元就不值买 , 0.1% 分辨率都可以的 (人耳 ...

用指针,你还不如用RMAA,分辨轻易达到0.001%,我用的是几十元的USB创新声卡


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发表于 2019-2-12 12:51 | 显示全部楼层
jingship 发表于 2019-2-12 12:11
用指针,你还不如用RMAA,分辨轻易达到0.001%,我用的是几十元的USB创新声卡

几十元的USB创新声卡 ... 有意思的 , 有介绍吗 ?
测量功放是否用 衰减器 (电阻分压的) ?

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本帖最后由 jingship 于 2019-2-12 13:02 编辑
martymak 发表于 2019-2-12 12:51
几十元的USB创新声卡 ... 有意思的 , 有介绍吗 ?
测量功放是否用 衰减器 (电阻分压的) ?


功放必须加上衰减,用两个电阻搭就成,控制在声卡输入电平在1伏左右,创新老声卡,0490,工装,买了很久,当时90元,双声道双工

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jingship 发表于 2019-2-12 12:59
功放必须加上衰减,用两个电阻搭就成,控制在声卡输入电平在1伏左右,创新老声卡,0490,工装,买了很 ...

可否给个网址 下截 RMAA 软件

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发表于 2019-2-12 17:58 | 显示全部楼层
,参数只能说是一方面吧。不过参数好的,总比参数不好的效果要好。

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本帖最后由 martymak 于 2019-2-12 20:16 编辑


多谢指点 .
竟然我脑上的 sound card 也找到了 ...
不过仍然希望找到一个简单又可靠的失真仪 , 独立运作的, 不用连系电脑的
rmaa.png

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martymak 发表于 2019-2-12 20:05
多谢指点 .
竟然我脑上的 sound card 也找到了 ...
不过仍然希望找到一个简单又可靠的失真仪 , 独立 ...

贵有贵的方法,平有平的方案,慢慢想,终有办法

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发表于 2019-2-12 21:48 | 显示全部楼层
现在二手仪器很便宜,这么个东西,比很多人一根线还便宜。。。

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 楼主| 发表于 2019-2-12 22:52 | 显示全部楼层
ACDC2017 发表于 2019-2-10 22:02
这些失真均属静态指标,静态指标很好的系统不见得音质就好,但如果静态指标不好的,音质一定也不好。
尤其 ...

是的。瞬态互调失真TIM (Transient Intermodulation Distortion), 压摆率不足引入的失真SID (Slewing-rate Induced Distortion), 动态互调失真DIM (Dynamic Intermodulation Distortion)等类似失真名字来源于70年代的芬兰的MATTI OTALA,主要是说大环路负反馈会造成对快速变化的信号反应迟缓,输出的上升速率跟不上输入的变化引起的。标准的测试有DIM30和DIM100, 还有THD20等。前两者的测试方法是:输入一个3.15 kHz带限方波+15kHz正弦波(幅度比4:1),然后测试它们的在0.75 kHz 和 13.35 kHz之间的9个互调失真的功率与15kHz正弦波之比。DIM30中的方波被带限在30kHz内(通过单极点低通),而DIM100带限在100kHz(通过单极点低通)。THD20直接就是在100kHz带宽内测量THD。可见测试DIM不是太难的事,用采样频率为192kHz的声卡都行,当然声卡自身质量不能太差。

我个人认为,说THD是静态失真/特性和而TIM是动态失真/特性容易误导,这个名字给人感觉好像有直流与交流那么大的区别。从前面测试方法可以看出,带限制方波就是有限个正弦波的组成,测试信号也是周期性激励而非瞬态激励,而且THD20直接就是用上升快的高频正弦信号的THD来反映TIM。很多音频产品都没有TIM这个参数,也许是已经在THD~频率曲线中提供了THD20?或者认为不重要?其实现在TIM的争论比较大,有的说TIM是旧时代晶体管的问题,现在基本上没这个问题;有的反对将大回路负反馈变为多个局部负反馈,说那失真更大,这里举出几个大反派代表:

1. 《Designing audio power amplifiers》的作者Bob Cordell,对TIM有份研究报告: http://www.cordellaudio.com/pape ... tion_distortion.pdf
2. 《Audio Power Amplifier Design Handbook》的作者Douglas Selfs。http://www.kelm.ftn.uns.ac.rs/li ... rDesignHandbook.pdf
3.  Rod Elliott, http://sound.whsites.net/articles/distortion+fb.htm#a41

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发表于 2019-2-12 23:03 | 显示全部楼层
懂的自然懂,不懂的可以随便说。
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 楼主| 发表于 2019-2-12 23:08 | 显示全部楼层
三. 如何避免或减小频谱泄漏

3.1 什么是频谱泄漏

要测准总谐波失真THD首先要解决FFT最常见又最令人头痛的频谱泄漏问题。对一个信号做快速傅里叶变换(FFT)就必然要对其在时域进行截断,然后在有限长度的数据上进行分析。FFT算法假定在所截取的数据之外的信号正好是所截取数据的周期延拓,也就是所截取数据的周期性重复。如果一个FFT数据段正好包含了被测信号的整数个周期,则经过周期延拓出来的信号将与被测信号的实际情况完全一致,这时得到的频谱将真实反映原信号的频谱。否则在周期延拓的边界处,信号将出现不连续的现象,这与被测信号的实际情况不完全一致,反映到频谱上,就会出现所谓的频谱泄漏现象,其结果是本来应该属于某个单频点的能量向该频点以外的频点扩散开来。在失真测量中,频谱泄漏会造成所测试的正弦信号的基波和谐波幅度不准确,噪声成分增大,测得的结果完全不准确。

下图是一个存在严重频谱泄漏的例子。[采样频率] = 48 kHz,[信号频率] = 1 kHz(由于软件生成的理想信号),[FFT点数] = 32768,[信号周期数] = 1000 / 48000 × 32768 = 682.6667,[采样位数] = 24,[窗函数] = 矩形窗,FFT数据段尾部无补零(因为采样点数为48000,大于FFT点数32768,所以不用补零)。由于FFT数据段中包含的[信号周期数]不为整数,所以不是整周期采样,频谱泄漏严重,从图中可看到各次谐波谱线完全被泄漏的频谱所淹没,测得的结果为:THD = 0.1664 % (-55.85 dB), THD+N = 14.2383% (-16.93 dB),SINAD = 16.93 dB,SNR = 16.84 dB,ENOB = 2.52 Bit,很明显这些测量结果对于一个24位完全理想的正弦波是完全错误的。

Fig1.png
图1  非整周期采样+矩形窗(不加窗)导致严重频谱泄漏

3.2 频谱泄漏的解决方法


3.2.1 整周期采样或称为相干采样(Coherent Sampling)法

避免频率泄漏的方法是之一是采用所谓的整周期采样或称为相干采样(Coherent Sampling),就是要保证FFT数据段的采样时间正好是信号周期的整数倍,用公式表达为:[采样频率]/[信号频率]= [FFT点数]/ [信号周期数]。其中FFT点数取为2的N次方。为了避免重复采样,即避免在所采集到的各个信号周期中出现任何两个周期采集到同样一组数据的情况,这个[信号周期数]最好是除开2以外的质数。

下图是一个采用整周期采样的例子。[采样频率] = 48 kHz,[信号频率] = 1000.48828125 Hz(由于软件生成的理想信号),[FFT点数] = 32768,[信号周期数] =  1000.48828125 / 48000  × 32768 = 683,[采样位数] = 24,[窗函数] = 矩形窗,FFT数据段尾部无补零(因为采样点数为48000,大于FFT点数32768,所以不用补零)。由于FFT数据段中包含的[信号周期数]为整数,属整周期采样,无频谱泄漏,测得的结果为:THD = 0.0000032 % (-149.80 dB), THD+N = 0.0000032 % (-150.00 dB),SINAD = 150.00 dB, SNR = 1000 dB (溢出,因理想正弦波噪声几乎为零),  ENOB = 24 Bit,这些测量结果反映了软件在24位整周期采样情况下所能测得的最理想的数据,所测得THD和THD+N远小于常用的HIFI音频设备的失真与噪声,说明这些参数选择可用于高保真音频设备的测量,它们从软件层面保证了这些测量的准确性。那么为什么完全理想的正弦波仍然能测到失真和噪声?其实这些残余的失真与噪声主要是量化噪声以及数值计算的残留误差造成的,这将在后面详述。


Fig3.png
图2  整周期采样 + 矩形窗(不加窗)无频谱泄漏

3.2.2 加窗法


当无法实现整周期采样时,要减小频谱泄漏,就必须采取给截断后的数据加窗的方法。此法要求FFT数据段包含的信号周期数目不能过少,采样点数越多,包含的信号周期越多,周期延拓的边界不连续部分占所采集的数据的比例越小,对频谱泄漏的抑制效果越好。

对于THD测量,应选取能最大限度地将信号能量集中于主谱线附近的,就是主瓣比较大的大头窗,推荐Kaiser 6~ Kaiser 10。

下图是在图1的基础上,将矩形窗改为能极大压制频谱泄漏的Kaiser 8窗,其它参数完全不变测得的,其结果为:THD = 0.0000055 % (-145.23 dB), THD+N = 0.0000046% (-146.76 dB),SINAD = 146.76 dB, SNR = 1000 dB (溢出,因理想正弦波噪声几乎为零), ENOB = 24 Bit,这些测量结果反映了软件在24位非整周期采样且加窗分析的情况下所能测得的最理想的数据,所测得THD和THD+N远小于常用的高保真HIFI音频设备的失真与噪声,说明这些参数选择可用于高保真音频设备的测量,它们从软件层面保证了这些测量的准确性。同样地,为什么完全理想的正弦波仍然能测到失真和噪声?这些残余的失真与噪音主要是量化噪声以及数值计算的误差造成的,这将在后面详述。

Fig2.png
图3  非整周期采样 + Kaiser 8窗可极大减小频谱泄漏

仔细观察图3的1kHz的主谱线比图1的略低也略宽,这是因为图3虽然采用了加窗的办法来抑制频谱泄漏,但它只是将泄漏的能量聚集在主谱线附近的多条谱线上以避免向更远的地方泄漏,却无法将其汇聚到一条单一的谱线上,不过这已经足以通过软件算法来实现精准计算了。

3.2.3 选择整周期采样还是选择采集多个信号周期再加窗?


正如前面的图2和图3两个例子,如果条件允许,两种方法都可以用,结果差不多。如果实际测量中存在某些限制,则需要做出正确选择。比如说,如果采样点数有限,无法在一个FFT段内采集较多的信号周期数,则应选择整周期采样,因为即使只采集一个整周期,也能正常工作。而当采集的周期数目较少时,加窗法的误差会比较大。

如果测量仪器的ADC和DAC不共用同一采样时钟,则应采用加窗法来测量,因为两个时钟的不同步抖晃(Jitter)同样会造成一定程度的频谱泄漏。那么满足整周期采样条件时,能将矩形窗(即:不加窗)改为比如Kaiser 6窗吗?当然可以,测得的THD和THD+N等参数不会有太大的区别,只是这时加窗反而会造成轻微的频谱泄漏,信号能量不会集中于一条单一的谱线上,而是集中到主谱线周围相邻的几条谱线上,当然这仍然可通过软件来实现精准测量。

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 楼主| 发表于 2019-2-12 23:24 | 显示全部楼层
无语密码 发表于 2019-2-10 22:29
对失真测试而言,音乐波是严重失真的。
功放设计都是针对正玄波的,而不是音乐,所以对音乐波形放大要求不 ...

用宽带信号例如白噪声或宽带音乐信号来作为测试信号测量非线性失真(此法称为非相干失真)是Steve Temme极力推广的,他从B&K出来后搞了还算出名的电声测试公司,软件售价应该是1万美元左右吧,可能这里有人买过。按他的说法,目前THD和IMD与听感关联度不够的原因之一是正弦波失真测试是单频的,而音乐信号是多频的,存在互调失真,而目前的双频互调失真测试频率太少,与音乐差别太大,而多频互调失真测试又不能添加过多的频率,否则互调失真项会急剧增长,造成测不准。因此他推销这种非相干失真测试。

所谓的非相干失真不完全是什么新概念,在完全线性的时不变系统中,输出信号与输入信号按理是相干的(测量BODE图时,通常会同时测量相干系数来确认BODE图的测试质量),如果存在不相干的部分,就是由于非线性失真(当然还有噪声)造成的,所以这种做法放弃了一项一项地测量互调失真,而是直接测量非相干失真的总量,这个说来话长…

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本帖最后由 柳暗花明 于 2019-2-13 00:41 编辑
ACDC2017 发表于 2019-2-10 22:23
给放大器输入一个单频等幅信号来测量谐波失真,就是静态指标,含有包络的(音乐信号)就是动态信号。


这个定义是不准确的,因为单音等幅信号也是动态信号。而静态指标是指没有任何信号,静态指标主要是考核信噪比和晶体管的直流工作点。

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柳暗花明 发表于 2019-2-13 00:30
这个定义是不准确的,因为单音等幅信号也是动态信号。而静态指标是指没有任何信号,静态指标主要是考核 ...

这个定义是早就有了的,如果以前没有,那这个功劳就属于我了?可是,早就有了。
搂主是大大的高手,我在这里插一杠子,是想让搂主亮出更多的东西,强化大家对于
基础理论的认识与敬畏。
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