我們花了很多時間思考和談論音頻失真，甚至有時會去聽它，但它到底是什么，為什么重要？ 

一般有兩種失真： 

• 頻率失真——由帶寬不足和帶寬限制之間的非平坦頻率響應引起
• 非線性失真——由硬件中的非線性引起。

這篇文章是關(guān)于非線性失真的，因為如今現(xiàn)代設備的頻率失真很少成為問題。非線性失真通常被錯誤地稱為“非線性失真”。然而，失真不是非線性的，非線性的是硬件設備。

正弦波——音頻信號的組成部分

一個好的起點是解釋正弦波信號（圖 1）只有一個頻率。在音頻頻率下，該正弦波被視為單音。

圖 1。正弦波信號

設計人員可以從許多正弦波的集合中構(gòu)建所有其他波形。除了正弦波之外，還可以從其他構(gòu)建塊信號構(gòu)建波形。然而，構(gòu)建塊信號、過程和數(shù)學可能要復雜得多。因此，沿著這條路線尋找音頻似乎沒有意義。 

正弦波是由多種形式的自然振動或振蕩產(chǎn)生的?？紤]一個時鐘的擺輪，它有一個水平軸。如果我們在車輪的邊緣做一個標記并從側(cè)面看，標記在軸上方（和下方）的高度及時描繪出一個正弦波。

非線性造成音頻失真

非線性失真是由音頻信號路徑中的某些設備產(chǎn)生的輸出幅度與輸入幅度不嚴格成比例引起的。這可能是一個音頻放大器，甚至是一個失去光澤的連接器。這種非線性使信號失真，使得輸出波形與輸入波形不同。 

現(xiàn)在，無論輸入波形是什么，它都可以被認為是許多正弦波的總和，輸出波形也是如此。盡管如此，由于波形不同，輸出波形包括輸入波形中沒有的正弦波分量。他們被扭曲了。 

對于輸入信號的每個正弦波分量（稱為基波），非線性會產(chǎn)生該分量頻率的倍數(shù)的信號，稱為諧波。倍頻的稱為二次諧波或2次諧波。三倍頻的稱為三次諧波。這些新信號是諧波失真分量。

圖 2 顯示了一個非常糟糕的電路的輸入和輸出信號，該電路會產(chǎn)生 20% 幅度的二次諧波和 10% 的三次諧波。將二次和三次諧波信號添加到輸出會使信號失真，使其不再是純正弦波。選擇這些高失真數(shù)字是為了清楚地顯示效果。 

圖 2. 非線性失真示例。純正弦輸入信號為棕色，失真輸出信號為黑色。

二次諧波總是導致正半周期與負半周期的形狀不同。在這個例子中，三次諧波影響信號的峰值。那是因為我選擇了三次諧波相對于基波相位角的相位角來做到這一點。不同的相位角會導致不同的形狀變化。

樂器中的諧波示例

幾乎所有樂器（和人聲）產(chǎn)生的聲音都包含許多諧波。例如，正弦波是由陶笛產(chǎn)生的，這是一種類似于口琴的小型手持管樂器，顧名思義，它在每個音符中都會產(chǎn)生很多諧波。 

添加更多的諧波會改變音符的音調(diào)或音色。除非添加量很大，否則任何人通常都很難察覺差異，除非他們能夠區(qū)分斯特拉迪瓦里小提琴和瓜奈里小提琴的聲音。 

圖 3 顯示了小提琴的“諧波頻譜”。頻譜通常是功率或電壓與頻率的關(guān)系圖。 

圖 3. 小提琴的頻譜顯示為諧波倍數(shù)

制作一把好小提琴的藝術(shù)在于選擇木材、木材的處理和成型，以產(chǎn)生理想的諧波振幅組合。根據(jù)音樂類型或個人喜好，“想要”可能是“圓潤”或“令人興奮”。 

但是，如果額外諧波的增加很明顯，就會聽到新的效果。非線性產(chǎn)生的諧波恰好是原始頻率的兩倍、三倍等。大多數(shù)樂器產(chǎn)生的諧波實際上應該稱為“偏音”，因為它們不是存在的頻率（基頻）的倍數(shù)。

對于某些樂器來說，這些分音與基音一樣響亮，甚至更大。例如，長笛會產(chǎn)生幾乎相等的基頻和二次諧波。 

部分諧波和接近的諧波會創(chuàng)建一個新的頻率分量，該分量出現(xiàn)在部分諧波頻率和諧波頻率之間的差異處。此屬性的頻率總是比兩者都低得多，是一種傾向于使聲音粗糙而不是平滑的咆哮。 

還產(chǎn)生了一個新頻率的分量，它是部分和諧波頻率的總和。這個新頻率對組合聲音的影響不大，但它的頻率要高得多，可能會與該更高頻率范圍內(nèi)的其他信號分量發(fā)生沖突。

值得慶幸的是，除非非線性非常嚴重，否則差頻和和頻的新頻率分量的影響很小。

不幸的是，這還不是全部。非線性還導致輸入信號中兩個分量的每個組合都出現(xiàn)這些和頻和差頻的信號。這些新頻率被稱為“互調(diào)失真分量”。 

互調(diào)失真

這些成分要嚴重得多，許多新頻率的影響通常非常明顯，即使非線性相當溫和。那么，為什么我們主要討論和測量諧波而不是互調(diào)分量呢？

有兩個原因。首先，過去測量諧波更容易，但這不是現(xiàn)代數(shù)字儀器的問題。其次，我們使用簡單的輸入信號——正弦波來測量諧波。 

要測量互調(diào)，我們至少要輸入兩個信號，它們都可以是正弦波，但我們應該使用什么頻率，它們的振幅（電壓）應該相等還是不同？ 

直到20世紀70年代，人們對此還存在很多困惑，人們做出了不同的選擇，所以他們的結(jié)果沒有可比性。國際電工委員會的一個技術(shù)委員會代表了世界音頻界的大多數(shù)國家，然后達成了一項國際協(xié)議。該委員會指定了兩種互調(diào)失真：差頻失真（以前稱為 CCIR 失真）和調(diào)制失真（SMPTE 失真）。 

正如所暗示的那樣，差頻失真（見圖 4）測量由兩個相等的高頻信號（例如 19 kHz 和 20 kHz）產(chǎn)生的 1 kHz 差頻信號的相對幅度。這是一個更重要的評估，因為它是高頻線性度的度量，在高頻時負反饋的失真減少效果往往較小。在圖 4 中，19 kHz 和 20 kHz 的輸入信號產(chǎn)生兩個失真信號：

1. 1 kHz 時的差分信號 (20 - 19 = 1)
2. 39 kHz 的總和信號 (20 + 19 = 39) 

圖 4.差頻失真

調(diào)制失真在較低電壓下使用低頻信號和頻率高得多的信號，通常是其他信號電壓的四分之一。例如，信號可能是 80 Hz 和 5 kHz。如圖 5 所示，非線性再次產(chǎn)生兩個新的輸出失真信號分量：

1. 4920 Hz 時的差分信號 (5000 - 80 = 4920)
2. 5080 Hz 處的總和信號 (5000 + 80 = 5080) 

圖 5.調(diào)制失真

還可以測量由輸入信號分量的諧波產(chǎn)生的其他互調(diào)分量。例如，如果我們有兩個輸入頻率 f1 和 f2，則在 2f1 ± f2 和 2f2 ± f1 以及我們已經(jīng)看到的 f1 – f2 和 f1 + f2 處存在互調(diào)分量。但是這些并不能告訴我們更多有關(guān)被測設備性能的信息。

我們應該得出的結(jié)論是，我們應該消除所有非線性源，以免損壞再現(xiàn)的聲音。然而，我們必須在放大器中使用的器件，即晶體管（或過去的電子管/電子管）本質(zhì)上是非線性的，因此我們必須使用精心選擇的設計技術(shù)來盡可能地減少非線性。