Введение
Измерение гармонических искажений в сигнале.
Общее гармоническое искажение (THD или THDi) – это измерение гармонических искажений, присутствующих в сигнале, и определяется как отношение суммы мощностей всех гармонических составляющих к мощности основной частоты. Фактор искажения, тесно связанное понятие, иногда используется как синоним. В аудиосистемах меньшее искажение означает, что компоненты акустической системы, усилителя, микрофона или другого оборудования обеспечивают более точное воспроизведение звукозаписи. В радиосвязи устройства с меньшим THD, как правило, создают меньше непреднамеренных помех для других электронных устройств. Поскольку гармонические искажения потенциально могут расширить частотный спектр выходного сигнала устройства, добавляя сигналы, кратные входной частоте, устройства с высоким THD менее подходят для таких применений, как совместное использование спектра и зондирование спектра. В электроэнергетических системах меньшее THD означает меньшие пиковые токи, меньший нагрев, меньшие электромагнитные излучения и меньшие потери в сердечнике двигателей. IEEE std 519 2014 охватывает рекомендуемые практики и требования к управлению гармониками в электрических энергосистемах.
The total harmonic distortion (THD or THDi) is a measurement of the harmonic distortion present in a signal and is defined as the ratio of the sum of the powers of all harmonic components to the power of the fundamental frequency. Distortion factor, a closely related term, is sometimes used as a synonym. In audio systems, lower distortion means the components in a loudspeaker, amplifier or microphone or other equipment produce a more accurate reproduction of an audio recording. In radio communications, devices with lower THD tend to produce less unintentional interference with other electronic devices. Since harmonic distortion can potentially widen the frequency spectrum of the output emissions from a device by adding signals at multiples of the input frequency, devices with high THD are less suitable in applications such as spectrum sharing and spectrum sensing. In power systems, lower THD implies lower peak currents, less heating, lower electromagnetic emissions, and less core loss in motors. IEEE std 519 2014 covers the recommended practice and requirements for harmonic control in electric power systems.
THD+N
THD+N означает суммарные гармонические искажения и шум. Это измерение гораздо более распространено и позволяет более корректно сравнивать различные устройства. Обычно оно выполняется путем подачи синусоидального сигнала, последующей фильтрации выходного сигнала и сравнения отношения между выходным сигналом с синусоидой и без нее. Как и измерение THD, это отношение среднеквадратичных (RMS) амплитуд, которое может быть измерено как THDF (с использованием полосового фильтра или вычисленной основной частоты в качестве знаменателя) или, что более распространено, как THDR (с использованием всего искаженного сигнала в качестве знаменателя). Значимое измерение должно включать в себя ширину полосы измерения. В это измерение входят эффекты от наводок в цепи заземления, высокочастотных помех, интермодуляционных искажений между этими тонами и основной частотой, и т.д., помимо гармонических искажений. Для психоакустических измерений применяется кривая взвешивания, такая как A-взвешивание или ITU R BS.468, предназначенная для выделения наиболее воспринимаемых человеческим ухом частот, что способствует более точным результатам. Взвешивание является упрощенным способом оценки частотной чувствительности человеческого уха, поскольку не учитывает его нелинейное поведение. Модель громкости, предложенная Цвиккером, учитывает эти сложности. Эта модель описана в немецком стандарте DIN45631.
Like the THD measurement, this is a ratio of RMS amplitudes, and can be measured as THDF (bandpassed or calculated fundamental as the denominator) or, more commonly, as THDR (total distorted signal as the denominator). A meaningful measurement must include the bandwidth of measurement. This measurement includes effects from ground loop power line hum, high frequency interference, intermodulation distortion between these tones and the fundamental, and so on, in addition to harmonic distortion. For psychoacoustic measurements, a weighting curve is applied such as A weighting or ITU R BS.468, which is intended to accentuate what is most audible to the human ear, contributing to a more accurate measurement. A weighting is a rough way to estimate the frequency sensitivity of every persons' ears, as it doesn't take into account the non linear behavior of the ear. The loudness model proposed by Zwicker includes these complexities. The model is described in the German standard DIN45631
For a given input frequency and amplitude, THD+N is reciprocal to SINAD, provided that both measurements are made over the same bandwidth.
Для заданной входной частоты и амплитуды THD+N обратно пропорционален SINAD, при условии, что оба измерения проводятся в одной и той же полосе пропускания.
Like the THD measurement, this is a ratio of RMS amplitudes, and can be measured as THDF (bandpassed or calculated fundamental as the denominator) or, more commonly, as THDR (total distorted signal as the denominator). A meaningful measurement must include the bandwidth of measurement. This measurement includes effects from ground loop power line hum, high frequency interference, intermodulation distortion between these tones and the fundamental, and so on, in addition to harmonic distortion. For psychoacoustic measurements, a weighting curve is applied such as A weighting or ITU R BS.468, which is intended to accentuate what is most audible to the human ear, contributing to a more accurate measurement. A weighting is a rough way to estimate the frequency sensitivity of every persons' ears, as it doesn't take into account the non linear behavior of the ear. The loudness model proposed by Zwicker includes these complexities. The model is described in the German standard DIN45631
For a given input frequency and amplitude, THD+N is reciprocal to SINAD, provided that both measurements are made over the same bandwidth.
Измерение
Искажение формы волны по отношению к чистой синусоиде можно измерить либо с помощью анализатора THD, анализирующего выходной сигнал на составляющие гармоники и определяющего амплитуду каждой относительно основной гармоники, либо путем подавления основной гармоники с помощью режекторного фильтра и измерения оставшегося сигнала, который представляет собой суммарное гармоническое искажение плюс шум. Используя синусоидальный генератор с очень низким собственным искажением, его можно использовать в качестве входного сигнала для усиливающего оборудования, искажения которого на разных частотах и уровнях сигнала можно измерить, анализируя выходную форму волны. Существуют электронные приборы как для генерации синусоидальных волн, так и для измерения искажений, но универсальный цифровой компьютер, оснащенный звуковой картой, может выполнять гармонический анализ с использованием соответствующего программного обеспечения. Различное программное обеспечение может использоваться для генерации синусоидальных волн, однако собственное искажение может быть слишком высоким для измерения усилителей с очень низким уровнем искажений.
Интерпретация
Для многих целей различные типы гармоник не эквивалентны. Например, искажения пересечения (crossover distortion) при заданном THD гораздо заметнее, чем искажения от обрезания (clipping distortion) при том же THD, поскольку гармоники, создаваемые искажениями пересечения, почти одинаково сильны как на высоких частотах (например, в 10-20 раз выше основной частоты), так и на низких частотах (например, в 3 или 5 раз выше основной частоты). Эти гармоники, удалённые по частоте от основной (полезного) сигнала, сложнее маскировать этим сигналом. В отличие от этого, при начале обрезания гармоники сначала появляются на низких частотах и постепенно заполняют более высокие частоты. Следовательно, одно значение THD недостаточно для оценки слышимости, и его следует интерпретировать с осторожностью. Измерение THD на разных уровнях выходного сигнала позволит определить, являются ли искажения результатом обрезания (которые уменьшаются с уменьшением уровня) или искажениями пересечения (которые остаются постоянными при изменении уровня выходного сигнала и, следовательно, составляют большую долю звука при низкой громкости). THD – это суммарное значение гармоник с одинаковым весом, хотя исследования, проведённые десятилетия назад, показали, что гармоники низкого порядка сложнее услышать на одном уровне по сравнению с гармониками высокого порядка. Кроме того, считается, что гармоники чётного порядка, как правило, труднее воспринимаются, чем нечётного. Было опубликовано несколько формул, пытающихся установить связь между THD и фактической слышимостью, но ни одна из них не получила широкого применения.