Méo họa âm, méo hài tổng (THD + N): Hiểu, tính toán

THD là viết tắt của Tổng độ méo hài và có thể được sử dụng để ước tính mức độ phi tuyến của hệ thống. Phép đo THD có thể được thực hiện bằng cách áp dụng sóng hình sin làm đầu vào cho hệ thống và đo tổng năng lượng xuất hiện ở đầu ra của hệ thống ở mức hài hòa của tần số đầu vào. Đầu vào hình sin được sử dụng vì các hình sin chỉ chứa năng lượng ở một tần số duy nhất; Do đó, năng lượng đầu ra xuất hiện ở bất kỳ tần số nào khác là kết quả của sự phi tuyến tính hoặc hành vi của hệ thống thay đổi theo thời gian. Năng lượng xuất hiện chính xác ở mức hài của tần số đầu vào gần như chắc chắn được tạo ra bởi sự phi tuyến trong hệ thống. Các tín hiệu kiểm tra định kỳ hoặc tín hiệu băng thông rộng khác không lý tưởng cho phép đo THD, vì năng lượng chứa trong tín hiệu đầu vào có thể che khuất năng lượng được tạo ra bởi sự phi tuyến trong hệ thống. Do đó, điều quan trọng là phải có tín hiệu đầu vào thuần túy, tức là tín hiệu có hầu hết năng lượng được chứa ở một tần số duy nhất.

Để thực hiện phép đo THD thực sự, năng lượng phải được đo riêng ở mức hài của tín hiệu đầu vào. Biên độ ở mỗi tần số hài được bình phương và sau đó tính tổng. Căn bậc hai của tổng là giá trị của THD. Đôi khi, giá trị này được biểu thị dưới dạng một phần (phần trăm) biên độ của tín hiệu đầu vào. Để thực hiện phép đo THD, chỉ có thể xem xét một số lượng hữu hạn các sóng hài trong phép đo. Đối với các phi tuyến nhẹ, thường xảy ra trường hợp năng lượng giảm ở các sóng hài cao hơn, do đó phần lớn năng lượng THD được chứa ở các sóng hài thấp. Đối với các hiện tượng phi tuyến nghiêm trọng, phải đưa vào nhiều sóng hài để có được phép đo chính xác.

Trong hầu hết các trường hợp, lượng THD sẽ phụ thuộc vào biên độ của tín hiệu đầu vào. Đối với các hệ thống bão hòa, dự kiến ​​mức THD sẽ tăng khi biên độ tín hiệu tăng. Đối với các hệ thống có méo chéo, có thể mức THD tương đối sẽ giảm khi biên độ đầu vào tăng. Hình 1 thể hiện các tín hiệu đầu vào và đầu ra của một hệ thống phi tuyến. Tín hiệu đầu vào là hình sin thuần túy, trong khi tín hiệu đầu ra có một số thành phần méo bậc thấp với tổng trị giá khoảng 31% THD. Ở phía bên phải, quang phổ của tín hiệu đầu vào và đầu ra được vẽ. Hệ thống này không có tiếng ồn bổ sung hoặc cơ chế điều chế, do đó tất cả năng lượng ở đầu ra được chứa ở mức hài hòa của tần số đầu vào.

Nhiều khi, ước tính cho THD có được bằng cách thực hiện cái gọi là Độ méo hài tổng cộng với nhiễu, hay phép đo THD+N. Số liệu THD+N thu được bằng cách đo tổng năng lượng có ở đầu ra, không bao gồm năng lượng ở tần số đầu vào. Thông thường, phép đo này được thực hiện bằng cách chuyển đầu ra của hệ thống qua bộ lọc khía, giúp loại bỏ năng lượng ở tần số đầu vào và đo tổng năng lượng ở đầu ra của bộ lọc khía. Nếu người ta cho rằng phi tuyến là nguồn năng lượng ngoài băng tần chính thì sẽ chỉ có năng lượng đáng kể ở các hài của tần số đầu vào. Do đó, bộ lọc khía sẽ phù hợp nếu nó có khả năng loại bỏ đáng kể ở tần số đầu vào và đủ hẹp để có mức tăng gần như thống nhất ở hài bậc hai của tần số đầu vào.

Phép đo THD+N có thể được thực hiện đơn giản hơn phép đo THD vì năng lượng ở nhiều tần số không cần phải tính riêng. Bởi vì các phép đo THD+N bao gồm phổ liên tục chứ không phải các điểm phổ (sóng hài) rời rạc, số liệu THD+N phản ánh nhiễu hệ thống, nhiễu xuyên âm và nhiễu ở đầu ra cũng như tính phi tuyến. Vì lý do này, THD+N có thể được sử dụng như một chỉ số đánh giá tổng thể cho một hệ thống.

Đối với các số liệu THD+N bị ảnh hưởng bởi nhiễu, các giá trị đo tương đối có thể dự kiến ​​sẽ giảm khi biên độ tín hiệu tăng lên. Đối với các phép đo bị chi phối bởi tính phi tuyến, các giá trị đo tương đối sẽ tăng theo biên độ tín hiệu. Đối với các hệ thống tạo ra cả nhiễu và méo phi tuyến, sẽ đạt được số THD+N tối thiểu ở biên độ đầu vào tạo ra đầu ra thoải mái trên mức nhiễu sàn, nhưng thấp hơn mức xảy ra méo đáng kể.

Hình 2 thể hiện dạng sóng đầu vào và đầu ra của một hệ thống phi tuyến có thành phần nhiễu phụ. Biểu đồ phía trên bên phải hiển thị phổ log của dạng sóng đầu ra. Tầng tiếng ồn của hệ thống có thể được nhìn thấy dọc theo phần dưới của sơ đồ. Biểu đồ phía dưới bên phải hiển thị số liệu về THD và THD+N. Số liệu THD không thực sự bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của nhiễu, có giá trị tương tự như trong Hình 1. Tuy nhiên, THD+N hiển thị giá trị cao hơn do năng lượng băng thông rộng chứa trong nhiễu.

Một thước đo độ méo liên quan là phép đo IMD, hay Phép đo độ méo xuyên điều chế. IMD được đo bằng cách sử dụng tổng của hai hoặc nhiều hình sin làm tín hiệu đầu vào. Thông thường, các tần số kết hợp ở đầu vào không có quan hệ hài hòa. Với nhiều tần số xuất hiện ở đầu vào, sự phi tuyến của hệ thống tạo ra các sản phẩm méo ở tổng và hiệu của bội số của tần số đầu vào. Do đó, thay vì có liên quan hài hòa, các thành phần IMD được phân tách bằng tần số thấp hơn trong hai tần số đầu vào. Điều này thuận tiện vì nó cho phép kiểm tra nhiều thành phần biến dạng trong băng thông hẹp. Với kỹ thuật THD, cần sử dụng tín hiệu đầu vào tần số thấp để tạo ra nhiều thành phần méo tiếng trong dải hẹp. Nếu hệ thống được đo không hỗ trợ tần số thấp thì việc đo THD sẽ trở nên khó khăn.