【内容摘要】 THD+N技术是目前最常用的失真测量方法。本文首先介绍THD+N的基本概念，然后说明它的测量方法，接着对它的的测量结果进行了详细的分析，最后给出了实际测量中应注意的问题以及如何正确分离THD+N的源。
【关键词】 THD+N 谐波 失真 基频 滤波器
理解THD+N
THD+N是英文“Total Harmonic Distortion+Noise”的缩写，译成中文是“总谐波失真加噪声”。它是音频系统测量中最常用的一个指标，每一种用于发生、传输或者处理音频信号的设备都有一个THD+N参数。
我们先来看看一个测量失真基本原理图。
图中主要的功能块就是可调谐的陷波滤波器。在工作时，该滤波器手动或自动调谐到正弦波测量信号的基波频率上，以便基波被很大衰减。从图中我们可以看到，经过滤波器出来的显示在电压表上的数据，实际上是所有不存在于原信号中的东西，所设计的滤波器实际在2次和高次谐波处没有插入损耗，所以谐波基本上无衰减地通过。宽带噪声，与AC电源有关的哼鸣声和其他处在陷波器频率上下的干扰信号也可以无衰减地通过，这也就是“+N”（加噪声）部分的由来。除了谐波失真外，噪声、电源哼鸣声以及干扰信号，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。
THD+N技术是极为吸引人的，因为设备输出中除了纯测量信号的任何成分都会使测量指标下降。低的THD+N测量结果不仅说明谐波失真低，而且也说明哼鸣声，干扰信号，以及宽带白噪声也是比测量值低（或等于测量值）。所以THD+N比任何其他的失真测量技术更能说明问题，它只用一个数据就能说明设备是否存在大的问题。从目前的趋势来看，标注THD+N参数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。
总的来说，THD+N是一个声音不需要的成分。如果你的系统产生一个声音，那么你不希望这个声音搀杂有其他的成分。但是，所有的设备都会产生其他的声音成分。这些不需要的声音可以分为以下四个类型：
·谐波失真－与所需要的声音相关
·随机噪声－由电气设备随机波动引起
·干扰－环境或者设备中其他信号引起的
·哼鸣－供电电源引起
THD+N测量包含了上述所有四种不需要的声音。如果任何一项过大，都会反映在THD+N读数里。因此，THD+N的读数可以很好地反映设备是否运行良好。
THD+N测量方法
进行THD+N测量的时候，我们先给系统送一个单一频率的正弦波信号，称为基频，这时候会在频谱产生一些不需要的声音成分，见下图：
用电压表测量这个正弦波幅度大小。测量值基本上由基频的幅度决定，因为基频同其它不需要的信号相比幅度要大很多。
信号然后送给一个窄带陷波滤波器以滤除基频成分，频谱见下图：
基频信号几乎完全滤除可以忽略不计算，用电压表测量这个滤波后的信号，所得数值和第一次测量所得数值的比值就是测量的THD+N参数，通常用%或dB做单位。
注意最后的测量结果是“宽带”的，因为测量到的噪声是某个频率范围内所有噪声的总和。基频的频率无需指定，因为有些设备在不同的基频点上产生的谐波失真或大或小，但是其他的噪声成分则和基频频率无关。
THD+N测量分析
THD+N随频率变化
有时候THD+N在一个频率范围内会非常稳定，却在某一个频率点突然跌落，给出一个非常低的读数。这说明THD+N的读数是由一个在那个频率点的特别的哼鸣或者干扰信号控制的。在用50或者60HZ做基频测量的时候常见这种情况。
例如，你会看见如下图的一个THD+N扫描曲线。
如果你见到这个图，你立刻就会怀疑THD+N读数是由跌落频率点的一个特殊信号成分控制的。原因是陷波滤波器在滤除基频的时候也把这个与基频相同频率的主要的干扰信号也滤除了。
这一原理可以用来确认THD+N的主要干扰源。如果你怀疑某个频率点上有干扰源，就可以把这个频率点设为基频，进行THD+N测量。如果测量的结果比在其他基频点上测量的THD+N值小很多，那么就可以确定干扰频率正是在这个频率点上。
有时候，相位抵消也会产生上图所示类似的扫描曲线。这是因为在跌落频率点上的失真信号和干扰信号的相位相抵消所引起的。在多次运行扫描过程中，这些陷波会明显有区别或者消失，则可以判断有可能是相位抵消引起的。
THD+N随幅度变化
当基频幅度降低的时候，通常THD+N读数明显上升。即使设备在低幅度情况下没有产生更多的噪声和失真。
该现象的产生是由于THD+N读数是滤波器前后的幅度之比。因为滤波器之后的读数主要是由于噪声、哼鸣或者干扰信号的幅度，与基频幅度无关。因此，基频幅度下降会引起计算出来的THD+N结果上升。
任何设备都有一个本底噪声，如果基频幅度小于本底噪声，那么滤波器前后的信号是一致的，这时候THD+N就是100%。
在有些设备里，当信号幅度下降的时候，不需要的信号幅度会增加。如果发现这个现象，你可能需要测量绝对THD+N值。也就是测量滤波器之后的信号幅度。这个测量无法使用dB和%这2个单位。
所有设备都有一个最大允许幅度。如果基频大于这个幅度，设备将会产生削波，引起很大的失真。几乎所有的设备都会在最大或者最大幅度附近显示出一个很高的谐波失真读数。
下图显示的是THD+N和幅度的关系：
对于一低失真的设备，图示的曲线中平坦部分会变短甚至消失。因为这时的THD+N值在各个频段主要由噪声大小决定。
THD+N测量实践
什么信号起决定作用？
虽然THD+N中包含各种成分，但不是所有成分都对读数起作用。就象一个电压表在读数的时候，几个频率成分中幅度最高的分量起决定作用。
当比较2个不同的信号成分的时候，比如干扰音频和失真分量的时候，这一限制通常为10dB。如果一个分量比另外一个大10dB，则高的那个分量对幅度读数起主要作用。不过，如果有很多的小幅度分量的时候，他们的组合也可能起主要作用。例如，随机噪声对THD+N测量数值有可能有重要影响，虽然随机噪声在各个频率上的幅度远远小于其他分量。因为噪声存在于各个频率点上，每个频率点都对总读数有轻微的影响，综合起来的影响就可能很明显。
带宽选择
在THD+N测量里，带宽选择很重要，主要有2个原因：