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首页如何正确测量总谐波失真(THD)及其相关参数.pdf
本文介绍了与谐波失真相关的参数测量,包括THD、THD+N、SINAD、SNR、ENOB、NL、SFDR。在很多领域都会用到总谐波失真(Total Harmonic Distortion)测试,例如音频、电声、供电和振动等,其中音频行业对失真测量的准确度要求最高。总谐波失真THD等参数的计算式不算复杂,采用数字信号分析的方法貌似很容易,但要测准却不像表面上看起来的那么容易,涉及到多个参数的选择以及为什么要这样选择的问题,一个参数不对,全盘皆错。这包括测试信号频率的选择、采样频率的选择、采样位数的选择、采样长度的选择、FFT点数的选择、窗函数的选择、测量带宽的选择等。本文就THD失真测量中可能遇到的各种问题进行说明。
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如何正确使用 Multi-Instrument (万用仪)
测量总谐波失真(THD)及其相关参数
www.virtins.com(英文) 版权所有©2020 虚仪科技
www.multi-tech.cn(中文)
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Virtins Technology
如何正确使用 Multi-Instrument (万用仪)测量
总谐波失真(THD)及其相关参数
Rev. 01
2020.6.8
本文的目的是介绍如何正确使用 Multi-Instrument(万用仪)测量总谐波失真 THD 及其相
关参数。文章尽量避免采用复杂的数学运算,以使绝大多数的软件用户容易理解。
注意:虚仪科技保留在任何时候无需预先通知而对本文进行修改的权利。本文可能包
含有文字错误。

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目录
一、前言 ................................................................................................................................................................ 4
1.1 失真的分类 ................................................................................................................................................. 4
1.1.1 线性失真 ............................................................................................................................................. 4
1.1.2 非线性失真 .......................................................................................................................................... 4
1.1.2.1 谐波失真 ....................................................................................................................................................... 4
1.1.2.2 非谐波失真 ................................................................................................................................................... 4
1.2 概述 ............................................................................................................................................................. 4
二、THD、THD+N、SINAD、SNR、ENOB、NL、SFDR 的定义 ............................................................. 5
2.1 总谐波失真 THD (TOTAL HARMONIC DISTORTION) ................................................................................... 5
2.2 总谐波失真及噪声 THD+N (TOTAL HARMONIC DISTORTION PLUS NOISE) .............................................. 5
2.3 信纳比 SINAD (SIGNAL TO NOSIE AND DISTORTION RATIO) ...................................................................... 6
2.4 信噪比 SNR (SIGNAL TO NOSIE RATIO) ...................................................................................................... 6
2.5 有效位数 ENOB (EFFECTIVE NUMBER OF BITS) ......................................................................................... 6
2.6 噪声电平 NL (NOISE LEVEL) ...................................................................................................................... 6
2.7 无寄生动态范围 SFDR (SPURIOUS FREE DYNAMIC RANGE) ..................................................................... 7
三、 如何避免或减小频谱泄漏 ........................................................................................................................... 8
3.1 什么是频谱泄漏.......................................................................................................................................... 8
3.2 频谱泄漏的解决方法 .................................................................................................................................. 9
3.2.1 整周期采样(Full-Cycle Sampling) / 相干采样(Coherent Sampling)法 .............................................. 9
3.2.2 加窗采样法 ........................................................................................................................................ 10
3.2.3 选择整周期采样还是加窗采样? .................................................................................................... 11
四、如何避免将量化噪声误测为谐波失真 ...................................................................................................... 13
4.1 避免采样频率与信号频率之比为整数或可相约 ................................................................................... 13
4.2 为测试信号添加抖动(DITHERING) ...................................................................................................... 15
五、软件自环验证和硬件自环验证 .................................................................................................................. 18
5.1 为什么要进行软件自环和硬件自环验证? ............................................................................................ 18
5.2 例子:RTX6001 音频分析仪的硬件自环测试 ....................................................................................... 18
5.3 例子:更多的声卡硬件自环测试 ............................................................................................................ 21
5.4 用仿真失真信号估计软件测量准确度 .................................................................................................... 24
六、谐波失真残余波形 ...................................................................................................................................... 27
6.1 FIR 数字滤波法 ........................................................................................................................................ 27
6.1.1 谐波失真中仅含偶次谐波 ................................................................................................................ 29
6.1.2 谐波失真中仅含奇次谐波 ................................................................................................................ 30
6.1.3 交越失真 ........................................................................................................................................... 31
6.1.4 削顶失真 ........................................................................................................................................... 33
6.2 谐波分解重构法........................................................................................................................................ 35
6.2.1 第一步:通过谐波分解生成相应的多音合成配置文件 ................................................................ 35
6.2.2 第二步:由多音合成配置文件合成谐波失真残余波形 ................................................................ 35
七、THD 和 THD+N 随频率或幅度(功率)变化曲线 ................................................................................. 37
八、谐波失真频谱图常见的识图误区 .............................................................................................................. 39
8.1 噪声电平 ................................................................................................................................................... 39
8.2 基波和谐波的幅度.................................................................................................................................... 43

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8.3 补零效应 ................................................................................................................................................... 45
8.4 “除去直流”的影响 .................................................................................................................................... 45
九、输入-输出线性度曲线 ................................................................................................................................. 47
十、总结 .............................................................................................................................................................. 49

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一、前言
1.1 失真的分类
简单地说,如果一个信号通过一个系统后,其波形发生了改变,那么这个信号就失真
了。失真又可分为线性失真和非线性失真。
1.1.1 线性失真
如果一个信号通过一个系统后,没有新的频率产生,那么这时的失真就是线性失真。
线性失真可由系统的幅频响应的非平坦性引起,也可由系统相频响应的非线性引起。
1.1.2 非线性失真
如果一个信号通过一个系统后,有新的频率产生,那么就是非线性失真。非线性失真
可分为谐波失真和非谐波失真。非线性失真有时也简称为“失真”。
1.1.2.1 谐波失真
如果一个信号通过一个系统后,新产生的频率为原信号频率的整数倍,也就是说原信
号频率为基波,新产生的频率为其谐波,那么这部分失真就是谐波失真。
1.1.2.2 非谐波失真
如果一个信号通过一个系统后,新产生的频率与原信号频率不具备整数倍关系,也就
是说不具备谐波与基波的关系,那么这部分失真就是非谐波失真。注意非谐波失真并
不包含噪声。
1.2 概述
本文将介绍与谐波失真相关的参数测量,包括 THD、THD+N、SINAD、SNR、ENOB、
NL、SFDR。其它的失真测量将另文描述。在很多领域都会用到总谐波失真(Total
Harmonic Distortion)测试,例如音频、电声、供电和振动等,其中音频行业对失真测
量的准确度要求最高。

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二、THD、 THD+N、 SINAD 、 SNR、 ENOB 、 NL、
SFDR 的定义
THD、THD+N、SINAD、SNR、ENOB 的定义有不同的变种,这里只给出其中比较常
见的定义。测量这些参数时,通常采用信号发生器向被测设备发出超低失真的单频正
弦波作为激励,同时采集从被测设备返回来的信号,然后通过快速傅里叶变换(FFT)
将测得的信号功率分解为基波功率、各次谐波失真功率和噪声功率三大部分,如果有
直流分量存在,通常滤掉而不用于计算,最后按这些参数的如下定义公式进行计算。
2.1 总谐波失真 THD (Total Harmonic Distortion)
总谐波失真 THD 是描述放大器、数模/模数转换器、传感器、能换器、供电等设备和
系统的常见参数之一。它通常定义为各谐波功率之和与基波功率的比值的开方,以百
分比表示:
其中,V
i
为第 i 次谐波的 RMS 幅度,V
1
为基波的 RMS 幅度,N 为计算 THD 所用到的最高
次谐波的次数。
如果以 dB 表示则:
THD
dB
= 20log
10
(THD)
比如 THD=0.0001%,则 THD
dB
= -120 dB,总谐波失真只是对谐波失真的总体描述,
它并不区分削顶失真、交越失真,也不区分各次谐波的相对比重。在描述一个系统的
THD 值时,还必须指明该 THD 值是在什么情况下测得的,包括测试信号(基波)的
频率、计算所用到的最高次谐波的次数或计算的频率范围、测试信号的幅度等。
2.2 总谐波失真及噪声 THD+N (Total Harmonic Distortion Plus
Noise)
总谐波失真及噪声 THD+N 通常定义为各谐波功率及噪声功率之和与信号总功率的比
值的开方,以百分比表示:
其中,V
total
为信号(包括基波、各次谐波和噪声)的总 RMS 幅度,V
1
为基波的 RMS 幅
度。
如果以 dB 表示则:
(THD+N)
dB
= 20log
10
(THD+N)
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