为何要谨慎地增加音频处理系统的THD?

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所属分类:音频杂谈

THD(总谐波失真,total harmonic distortion):是信号谐波失真的一项指标,表达为所有谐波成分功率之和与基本频率信号功率的比值。较低的总谐波失真使得音响、电子放大器或麦克风等设备产生更加精确、较少谐波、与原始采样信号接近的输出信号。

为获得更高音频系统保真度,文章将介绍一种新的概念。许多系统,特别是应用到家庭影院/迷你小型乐队市场的一些系统,都谨慎地给输出信号增加失真。尽管这样做看似不符合我们的常识,但设计人员考虑这么做是有原因的。这种技术的主要目的是最大化平均功率输出,同时限制峰值的出现。

一些客户在一些列产品中都使用相同的功率放大器IC.这让他们可以更大批量地采购一种器件,从而降低成本,简化库存。他们可能会使用一种小功率电源来节省成本。客户会使用一个小功率电源的闭环、固定增益放大器。它限制了输出电压摆动(通过限制输出),这样可以保护小功率电源免受过电流状态的损坏。但是,一个简单的衰减器便可让系统更加安静。让输出稍微失真,可极大增加感知RMS功率。在确定增加失真程度时需小心谨慎,不得增加过多!

对于其他客户而言,限制其信号的电压输出可帮助限制扬声器漂移。但是,在这种情况下应小心操作,因为进入扬声器的高RMS功率可能会引起可靠性问题。

在数字处理系统中,可通过使数字采样饱和给信号引入THD.也就是说,使用足够增益,推移最高有效位,让其超出数字采样大小。例如,你有一个24位字,你的采样为0x900000.使用12 Db增益,最高音频位便超出采样的最高有效位(MSB)。

之后,下调该数据至你需要的音频输出电平。所以,其可以概括为:

为何要谨慎地增加音频处理系统的THD?

图1 放大信号为削波增加THD,然后降低输出产生特定峰值到峰值电压的更平均功率

这听起来简单,但许多音频处理器实际并非最高有效位=全量程音频。例如,一些TI的音频处理器使用一种被称为9.23的数据格式。这种采样数据可用下列方法表示16位或者24位数据:

为何要谨慎地增加音频处理系统的THD?

图2 把标准16位或者24位音频采样映射至32位或者48位内存位置中

正如你看到的那样,MSB和LSB添加了一些补位。LSB很容易理解—如果你削减某个16位字(使用CD播放器),则你仍然有一些无需删减便可复制的位。

在顶端,共有9个位,用于防止音频数据意外饱和。例如,如果你使用一个24-dB增压的均衡器(EQ),并且你输入一个“全量程”16位字,则你可能会非有意地让信号饱和,也即增加失真,而这与我们努力的方向背道而驰。

削波时存在振幅损失,因此THD(后)可能允许少量增益通过THD管理器。10%失真削波带来约–1dB输出电平损失。

在我们的例子中,系统有一条9.23音频通路。我们希望在–12 dB输出下产生10%THD.平均输入为–10 dBFS(–10 dB参考24位全量程音频源)。

我们需要放大至全量程及以上(“溢出位”9位)。因此,在一个增压模块中,我们给原始源添加10 dB,以达到全量程,之后再添加27dB来填充9个溢出位。现在,增加3dB增益,以对信号削波。总计,我们需要增加40dB增益。

现在,我们有一个填充音频通路MSB的信号,并要求进行削减,这样便可在–12 dB下输出内容。这意味着削减39dB.产生的输出具有10%失真,且输出电平为–12 dB.看!我们现在已经在–12 dB输出下增加了RMS功率(通过增加失真),并同时让电源和扬声器的工作都更加轻松惬意。

小众声学

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