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【實作實驗室】衡量訊號純度的指標!認識諧波失真

   
作者:實作派

各位可能有聽過「THD 諧波失真」或者有時也稱為「總諧波失真」,尤其是音響玩家、電源工程師或是通訊工程師,一定對諧波失真很在意,現在就讓我們來了解一下,到底什麼是 THD(Total Harmonic Distortion)總諧波失真。

弦波的純與不純

假設你有一台放大器,想當然爾,它的輸出波形理論上應該要與輸入波形相同,差別只是振福要變大,這樣才叫放大器。於是你輸入了一個純弦波,如下圖的紫色波形,而在輸出端的波形則如下圖綠色波形,乍看之下很完美, 但仔細看的話,這個綠色的輸出波形似乎哪裡怪怪的。

純弦波與失真的諧波(圖片來源:實作派提供)

沒錯,仔細看的話,你會發現是綠色波形的底部較圓,頂部較尖,這明顯不是對稱弦波該有的形狀,也就是說放大器的輸出跟原來的弦波有點不一樣,稱為失真(Distortion),但這到底是怎麼發生的呢?

諧波失真來自非線性系統

所謂諧波就是在原本預期的頻率 f 之外,又莫名多了 2f、3f、4f 等等的整數倍頻率,這些頻率是哪裡來的呢?

如果系統的輸入與輸出是完全線性的,那麼輸出就會是如預期的等比例放大,下圖的紫色曲線就是一個線性系統的 Output/Input 特性曲線,因為是直線所以兩者呈現等比例的關係,但現實並不完美,為了舉例我特別做了一個非線性的特性曲線,如下圖綠色的曲線,由於非線性它會讓輸出的波形變形,所以你會看到綠色 output 有上尖下圓的變形。

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