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HIFI基础之如何看指标 (二)失真

2011-03-23 10:54:22   作者:   评论:0 点击:

失真,英文名是DISTORTION,本意是扭曲、变形的意思,用到了电子学上就变成了失真。失真这个名词如何而来无法考究,但是不可否认的是,这个名词在影响器材的音质评价中被使用的频率最多。说一个器材质量好的时候,往往会说失真小,质量不好就说失真大。曾几何时,失真仿佛变成了衡量器材品质的最高标准,似乎这个指标越好,器材的品质就越高。那么,实际情况是否如此呢?让我从头说起吧。


失真是什么

我们知道,由于现代电子技术的不完善,任何一个电子信号在传输、放大、转换的过程中都会发生一定的变化,这种变化就是失真。失真的本质是能量在传递、转化过程中的不唯一性。这听起来似乎很难理解,实际上却是非常粗浅的道理。比如说,我们用木材烧火取暖的时候(现在这种做法不环保了),木材中积聚的化学能在高温的作用下会转化为热能向周围辐射,同时还会转化成光能(火光,发光),其它形式的化学能(一氧化碳、二氧化碳等),并且还会有部分的化学能不能被充分利用,以灰烬的形式(碳)遗留下来。在木材的燃烧中,我们目前的技术无法使得木材的燃烧只产生热能或者光能,最多只能采用某些手段减少一些化学能的转化(例如尽量充分燃烧,减少一氧化碳和灰烬的数量)。于是,木柴中的化学能在转化的过程中就产生了失真,也就是说它们并没有按照我们的意愿完全转化成我们需要的能量形式(光或者热),有一部分能量损失了。
失真实际上就是这样一种损失的现象。电能在导体中传输,在某些元器件中被我们控制时,在转化成声能时,都会或多或少产生损失,根据能量守恒定律,这些能量的损失实际上并非是能量的真正消失,而是转化成了其它形式的能量。这是广义上失真
还有另一种狭义上的失真,就是,既然我们无法控制能量不按照我们的意愿转化成我们需要的方式,能不能使这种损耗的比例保持不变呢?如果能做到这点,我们仍然可以认为没有失真,只要损失的那部分能量的比例是固定的,我们就可以当它不存在了。可惜的是,这也是不可能的,我们同样也不能完全控制这个比例。但是,我们可以有办法接近这个目标。此时,失真的含义稍微起了一点变化,由不损失能量变成了损失能量的比例不变,这就是狭义上的失真,狭义上的失真比广义上的失真更容易被人接受和理解,也具有实际的实践指导意义。
上面的失真概念,是从物理学上的角度来看的,听起来很抽象。从电子学上来看,就变得非常直接了当了。在电子学上,我们是这么理解失真的:当一个信号经过一个电子系统后,叠加在原信号中,所有与原信号无关的、由电子系统产生的新成分都是失真。从这个观点上说,放大本身也是一种失真,因为它改变了信号的幅度。但是显然这只是一个文字游戏而已,单纯的信号幅度放大正是我们所需要的能量转换方式,我们从来就不会把它当作失真来看待。于是我们又要引入一个概念,那就是形状相似,只要输入信号和设备的输出信号形状相同,就可以被认为没有失真
这里要稍微解释一下形状,我们知道,所有的电子信号是没有形状的,我们不可能通过肉眼去直接观察每个电子信号长的是什么样子,我们只能借助电子仪器去把信号的特性通过可以观察的形式表现出来,这样的电子仪器就叫做示波器,它的工作原理是根据信号在某一个时间的大小,在电子显示屏描绘出一个,并且按照时间顺序不断将这些点描绘成一个曲线,以表示信号的大小随时间变化的规律,于是我们就到了信号的形状。同样,还有很多电子仪器可以帮助我们了解信号的特征,例如电压电流表、功率表等等。


失真的时域和频域分析

教科书上对这方面的论述实在时非常详尽了,我就不当抄书匠了。我只简要说一下结果就是了:
任何交流信号都具有三个基本特征:幅度、频率和相位。幅度是信号的强度,频率是信号重复的规律,相位是信号发生的时间,一个信号,不管它又多么复杂,都可以用这3个基本特征表示出来。正弦波是一种比较完美的波形(有关正弦波的特点可以看看中学物理教材,很清楚),任何一个复杂的波形都可以分解成很多不同频率、不同幅度的正弦波,这个波形可以被看成是这些同时出现的正弦波叠加的结果。例如方波,我们可以用一个公式来表达出来:S=S1+S2+S3……+Sn,(画公式很麻烦,这里就从简了,见谅),其中S代表一个方波,S1Sn代表频率等于这个方波的n倍(n=1~无穷)的正弦波信号,需要注意的是S1Sn这些信号实际上并不存在,并且幅度也是按照一定的规律下降的,通常当n大于4的时候,这些信号在方波中所占比例已经是微乎其微了,几乎可以不予考虑。
同样,失真也可以如此表示,被放大的信号可以表示为:A=XA+a2+a3+a4……+an),其中的X表示放大倍数,a2~an表示失真。a2a3……分别被称为二次谐波失真、三次谐波失真……。于是,我们又有了一个新概念:谐波失真。

谐波失真

正如上面所讲,所有的失真都可以通过时域频域分析分解为一连串的正弦波信号的叠加。这些正弦波信号有个共同的特点,就是它们的频率和原有信号的频率呈倍数关系,也就是说,它们和原信号有很紧密的依赖关系,如果信号消失了,它们也就不存在了。在物理学上,我们把频率呈倍数关系的不同振动称为彼此的谐波,这和电子学上的电子信号不谋而合,所以,这一类的现象,都被称为谐波。谐波失真实际上是通过数学或者统计学推导出来的概念,由于其计算方法必须依赖于原始信号,它实际上并不会单独存在。
谐波(注意,不是谐波失真)是自然界中非常普遍的现象,音乐中每个8度的音符的频率正好是2倍谐波关系。我们知道,相差8度的两个音符叠加在一起的时候会使得声音很好听,感觉上很和谐(所以才有了谐波这个词)。由于人耳的这个特点,我们实际上对某些谐波失真并不觉得讨厌,而对另一些则非常讨厌。这个我们下面再说。


失真的测量方法、标准和计量单位

总谐波失真THDTOTAL HARMONIC DISTORTION
 
如果说谐波失真还可以归为物理概念或电子学概念的话,总谐波失真则完全是电子设备制造行业范畴里的概念了。首先我们要明确一点,总谐波失真是一个人为规定的测量标准的产物,它和我们所说的谐波失真并不是完全相同的概念,尽管前者在很大程度上依赖于后者。为什么要这么说呢?那是因为总谐波失真的测量有着非常具体的规定和标准,它和设备的一些其它特性有密切关系,例如输出功率。总谐波失真是指在放大器的标称功率下设备说产生的失真的总和,也就是说,只有在限定了放大器的工作状况后,才可以谈总谐波失真的大小。我们知道,放大器在不同的输出功率下的谐波失真是不同的,如果没有一个测定的标准,或者说一个基准点,不同设备采用的测量条件不同,那么这个指标也就失去了参考价值。所以,有关权威机构(IEC)就制订了这么一个特性指标,并明确了一个测试标准,大家都通过这个方法来测试自己的放大器,于是我们就可以通过这个参数来判别不同放大器的品质差异了。

THD+N
我们先来看看一个测试失真基本原理图。



从图中我们可以看到,最后出来的显示在电平表上的数据,实际上是所有不存在于原信号中的东西,除了谐波谐波失真外,还有噪声以及测试电路本身的失真。噪声,从根本上来说也是一种失真,只是和原信号无关罢了,但是显然也对设备的质量有一定的影响。并且从图中可以看出来,要从测量结果中把噪声因素除去还要经过二次测量和计算,并且似乎这种结果对于最终消费者来说没有太大的意义。于是,厂家们就偷了个懒,干脆就连失真带噪声一起算了。至于测量系统的因素,只要事先标定的时候记录下来,在最终结果中扣除就可以了。当然,我们希望测量仪器对结果的影响越少越好,所以才有了那么多昂贵的测试系统出现。这里的N就是NOISE,噪声。

失真的计量单位有2种,一种以百分比表示没有单位,另一种以电平表示,单位是分贝。这两种表示方法的内容稍有不同,前者用来表示THD,后者通常用来表示THD+N。从目前的趋势来看,使用后者作为计量单位的器材设备越来越多,这说明大多数生产厂家逐渐从关心单一指标转向将指标综合考虑。


失真的种类

失真只有一种,并且都可以分解成谐波失真的形式。但是实际上,只用谐波失真对于主观听感的影响来解释是远远不够的。这并不是说谐波失真本身对听感没有多少影响,根本在于测量谐波失真的方法不足以说明器材的优劣,尤其是在一些高端器材上,传统的谐波失真测量方法已经没有多少意义了,因为谐波失真对于听感的影响,不仅仅和量有关,还和其出现的形式有关。
我们有这样的体会,某些放大器在测量时表现非常好,但是在聆听的时候音质表现还不如差一些的放大器。这种现象曾经困惑了很多工程师、设计员,他们不明白,为什么一个失真率只有万分之几的放大器,实际听感还不如一个失真率达千分之5的放大器。于是,经过更深入的了解,发现原来是传统的测试方法以及计算方式有很大的缺陷,它们不符合人耳的一些听觉特性。
于是专家们又引入了新的概念:瞬态失真(TIDtransient distortion) 瞬态互调失真(TIMDtransient intermodulation distortion)和互调失真(IMDintermodulation distortion)
传统的THD测量方法,通常是给放大器一个频率单一的标准正弦波信号,这个信号通常是0.775Vrms@1KHz,讲究一点的还会采用更多的频率,比如100Hz10KHz等等。但是这种方法的最大弊端是,我们实际聆听的声音远远比这种测试信号要复杂得多。当这些复杂信号同时进入到放大器的时候,放大器实际上并不能按照人们说愿望的那样产生失真,而是像化学反应一样产生很多复杂的现象。
由于放大器的非线性放大,会引入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1kHz5kHz的混合信号后,便会产生6kHz1kHz5kHz之和)及4kHz1kHz5kHz之差)的互调失真成份。这叫做互调失真。
瞬态失真是放大器由于采用了负反馈技术后,当负反馈深度过深,信号传输的时间差过大,在出现某些特殊的输入信号时,系统的谐波失真会骤然增大10几倍甚至更高,这种失真不容易被仪器测量出来,但是由于人耳的特殊灵敏性(类似于视觉暂留效应),使得这种失真在人脑中被放大,从而极大地影响了听感。
瞬态互调失真则是上面两种失真互相作用的结果。

线性失真和非线性失真
由于篇幅有限,我们这里只提到了通常意义上的失真THD/IMD/TIMD等等这些失真由于改变的原有信号的形状,因而被称为非线性失真,而在放大器中还有另一类失真,即相对的线性失真,线性失真只改变信号的幅度和出现的时间而不改变信号的形状,即所谓的相位失真和频率失真。有关这一部分我会在后面的文章中叙述。

非线性失真对音质的影响
非线性失真对于主观音质的评价往往是具有决定性的。当我们听到一套系统,感觉声音冷硬、粗糙的时候,就是非线性失真在作怪。但是,我们需要注意的是,不同的非线性失真对于听感的影响不尽相同,实际上,某些失真反倒有助于改善听感。通常来说,电子管的声音比晶体管好听,这是被普遍认识的现象。但是实际上电子管放大器的失真水平往往比晶体管要大得多,这是由于电子管的特性使得谐波失真的成分主要是偶次谐波失真,而偶次谐波正是乐理中的泛音,丰富的偶次谐波弥补了由于录音缺陷导致的泛音的不足,甚至可以改变乐器本身音色上的缺陷。当然,这种弥补是需要有一定限制的,过多的泛音会导致声音的模糊,影响声音的清晰度。
一般的谐波失真也不是我们想像的那么可怕,有实验表明,一般人只能对超过3%以上的谐波失真产生恶感,即使是经过特殊训练的专家,最多也只能感受到千分之5以上的谐波失真。
而真正影响听感的失真却是难以测量的瞬态失真和互调失真。这种失真虽然在总失真总所占比例非常微小,但是产生的影响却要大得多。有证据表明,万分之5的瞬态失真,其对音质的影响相当于1%~2%的谐波失真,并且当音乐信号中的快速变化比较多时,这种影响还要更大。瞬态失真会严重影响音乐的清晰度和细节,瞬态失真严重的系统声场定位、乐器成像以及质感表现都非常糟糕。互调失真也是非常令人讨厌,它产生的失真信号毫无规律可言,同样会影响到声音还原的质感和清晰度。


失真产生的原因以及解决方法

对于消费者而言,失真基本无法解决,除了更换器材别无它法。
而对于设计者来说,则应该在电路设计上多下功夫,并且应该选择优质的元器件来保证电路的性能。对于放大器来说,通常有几个办法可以降低对音质影响最大的瞬态失真和互调失真:
采用优质的有源器件,使得放大器的设计条件和实际情况相符;
采用一定的负反馈手段,有效减少THD
在电路设计上下功夫,努力改善放大器的开环性能,保证负反馈的工作条件;
适当减少负反馈深度,甚至不采用大环路负反馈,杜绝瞬态失真的出现条件;
优质的有源器件能大幅度减少互调失真;
其它…………(很多很多,不说也罢)

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