谈谈互调失真及其测试原理

1、谈谈互调失真及其测试原理江苏省电子产品监督检验所 许福平当接收机接收频率为 F 的有用信号时，如果有下列两个干扰信号同时作用于接收机输 入端：Ufi=UfiC0s2n FitUf2=U f2C0s2 n F2t并能有效地加到接收机的谐振放大器上， 那么， 由于器件特性的非线性， 就会引起这两个信 号之间的互相作用， 产生出一种与有用信号频率相近的新生干扰信号。 这时， 接收机除了听 到有用信号的声音外， 还同时夹杂着哨叫声和杂乱的干扰声。 这种由于干扰之间互相调制作 用对有用信号引起的失真称为互调失真 （Interm0dulati0n Dist0rti0n） 或互调干扰。所有互调失真的测量技术

2、中使用的激励信号都不止单个简单的正弦信号。在专业音响、 广播和消费类音响等领域，用两个正弦波作为激励信号来进行互调失真的测量。我们知道， 任意两个频率分别为Fi和F2的正弦信号作用于非线性器件时，会产生出原有的两个正弦波再加上无数个互调失真项，即无数个组合频率分量，如下式：mFinF2其中m、n为任意正整数。任意特定的互调失真（IMD ）项的阶数即m与n的和。下面列出 一些互调失真项的阶数：Fi-F22 阶（偶次）Fi+F22 阶（偶次）2Fi-F23 阶（奇次）Fi-2F23 阶（奇次）2Fi+F23 阶（奇次）3Fi-F24 阶（偶次）3Fi+2F25 阶（奇次）这里“奇次”和“偶次”指的

3、是 m+n 是奇数还是偶数。互调失真的测量方法实际上是对谐波电压分量的测量，GB2846-1988调幅广播收音机测量方法中音频互调失真的测量就是采用这种办法（详见该标准P43 页），其公式为：IMD =C (Uf1_f2 Uf1 f2)2 (Uf1_2f2 Uf1 2f2)2 (Uf1_3f2 Uf1 3f2)2)/Uf1X100% 其中f1为咼音频，f2为低音频。SMPTE/DIN互调失真在专业、广播及消费类音响领域，SMPTE (Society of Motion Picture and TelevisionEngineers)和DIN ( Deutsches Institut fur N

4、ormung e.V.)方法是最普通的互调失真测量标准。SMPTE标准RP120-1983和DIN标准45403很相似。两者均规定用两个正弦波测试信号，一个是低频率高幅度信号，另一个是高频率信号但幅度是低频率信号的四分之一。SMPTE标准规定信号频率分别为60Hz和7kHz。而DIN标准规定了几种可选择的高、低频频率，250Hz和8kHz是其中最常用的一组频率。有时也要用到其它类似于SMPTE和DIN标准的信号，如 70Hz和7kHz信号。当上述的双音频测试信号作用于非线性器件时，在高音频周围就会产生边带分量群。高音频和第一对边带(二阶边带，F1 F2)之间相差正好是低音频的频率值，第二对边带

5、(三阶边带，F1 2F2)与高频之间相差正好是低音频频率值的两倍等等，如下图所示：F2-F1F2+F1F2F2-2F1F2+2F1互调失真定义为这些边带的调幅值与高频载波调幅值之比的百分值。典型的SMPTE或DIN互调失真分析仪工作原理简化框图如下:低通滤波器通滤波 2kHzTOOHz高通滤波器先将低频率的音频信号滤去， 余下的信号基本上是一个调幅信号， 被送至 AM 解调器。解调器的输出为边带分量，这些边带分量被转化为基带，例如，一个产生二阶、三阶 互调失真项的SMPTE测试信号，在通过解调器后，其上、下各边带将被转化成 60Hz和120Hz的分量，解调器后面的低通滤波器用来除去任何残留的高

6、频载波，剩余的信号由真RMS 检 波器测量。测量仪输出读数以百分比或分贝数表示。正如大多数互调失真测试信高幅低频音频信号与低幅高频许多 SMPTE/DIN 互调失真分SMPTE 和 DIN 互调失真测试对检测音频设备有诸多优点。号一样， 越是复杂的测试信号就越接近于模拟实际的节目源。音频信号的频谱关系同样有点类似于音乐和声音的频谱分布。析仪在解调器后有一带宽约700Hz的低通滤波器，只要低频的音频信号略低于250Hz，则至少可以测量到二阶和三阶互调失真项。 这种测试可用于奇次和偶次波的失真测试。 由于最 后的噪声带宽仅仅 700Hz，故该设备对噪声的敏感度实质上远低于噪声带宽为20kHz或更高

7、的失真加噪声仪对噪声的敏感度。 采用低频音频信号， 使得互调失真项落在高频信号附近 相当窄的频带内，因此 SMPTE 和 DIN 测试技术可用来研究带宽限制系统的线性问题。SMPTE/DIN 仪器标准一个高质量的 SMPTE/DIN 互调失真测量仪器， 其信号发生器和分析仪的残留互调失真 要非常低，其值应做到 -90dB(0.003%) 或更低。分析仪的检测器应是真 RMS 响应的，因为被 测信号可能包含几个频率而成为非正弦信号。 低频和高频音频信号在给定的范围内可变化或 可选择， 以保证对带宽限制系统进行类似于 SMPTE 或 DIN 的检测。 例如， 只要信号发生器 和分析仪设计许可， 声

8、音带宽系统可用 300Hz 到 500Hz 的低频信号和 3kHz 的高频信号进行 检测。同样地，也可以用大约 19kHz 的高频信号来检测 20kHz 的带宽限制系统，这样，既 可以很好地检测高频的线性度，还能保证几个低价的互调失真项落在频带内。SMPTE/DIN 测量仪器在 CD、 VCD 及 DVD 等音频测量时，都要测量互调失真这个指标。目前国产的互调失 真测量仪主要是北京无线电仪器厂生产的 ZN4102 型互调失真度测量仪。 该仪器主要由组合信号源，互调失真测量，电压测量和电源部份组成。组合信号源输出可组合的高、低频组合信号，并具有较小的固有互调失真，最小量程为0.1%。在测量时，可

9、以选择不同的高频和低频，高频有：3、5、7、10、15、20kHz，低频有:50、60、70、100、200、300Hz。当输入信号为20-100V时，可用20dB衰减器，以便把信号衰减下来。该仪器使用比较 方便，完全适用目前音频测量中互调失真的测量。2002.06j1- 英文名称：intermodulation distortion编辑本段互调失真定义互调失真（intermodulation distortion ，简称IMD ）系指由放大器所引入的一种输入信号的和及差的失真。例如，在给放大器输入频率为1kHz和5kHz的混合信号后，便会产生6kHz （ 1kHz和5kHz之和）及 4kHz

10、 （ 1kHz和5kHz之差）的互调失真成份。IMD也是一种测量 非线性失真 的方式。互调失真是来自于两个频率F1与F2，在F1+F2与F1-F2（取绝对值）之间所产生的谐波，这些谐波彼此之间又能继续组合出和、差、乘积。举例来说，14kHz与15kHz的谐波失真就包括了1kHz与29kHz，而通过其中的1kHz，又能与14kHz组合出13kHz，依此类推。测量这些位置的谐波大小，就是互调失真。测试时是发出19kHz与20kHz两个频率的声音，所以图形上在 19k与20k的位置会有峰波，我们可以借此观察在19k左边的图形是否有过多的谐波产生岀来。这个值越小，则播放器越好。编辑本段互调失真解析顾名

11、思义，互调失真（Intermodulation Distortion）是指由于讯号互相调制所引起的失真，调制一词本来是指一种在通讯技术中，用以提高讯号传送效率的技术。由于含有声音、图像，文字等的 原始讯号 加进”高频讯号里面，然后同志将这个合成讯号发送岀去。这种将高低频相加”的过程和方式称为调制技术，所合成的讯号称为调制讯号。调制讯号除保留高频讯号的主要特征外，还包含有 低频讯号的所有信息。产生互调失真的过程实质上也是一种调制过程，由于一个电子线路或一台放 大器不可能做到完全理想的线性度，当不同频率的讯号同时进入放大器被放大时，在非线性作用下， 每个不同频率的讯号就会自动相加和相减，产生出两个

12、在原讯号中没有的额外讯号，原讯号如有三 个不同频率，额外讯号便会有6个，当原讯号为N个时，输出讯号便会有 N （ N-1 ）个。可以想像的是，当输入讯号是复杂的多频率讯号，例如管弦乐时，由互调失真所产生的额外讯号数量是多么 的惊人！编辑本段互调失真与谐波失真由于互调失真讯号全部都是音乐频率的和兴差讯号，和自然声音完全同，所以人耳对此是相敏 感的，不幸的是，在许多放大器中，互调失真往往大于谐波失真，部份原因是因为谐波失真一般比 较容易对付。虽然互调失真和谐波失真同样是由放大器的非线性引起，两者在数学观点上看同样是在正浞导 号中加入一些额外的频率成份，但它们实际上是不尽相同的，简单的说，谐波失真是

13、对原讯号波形 的扭曲，即使是单一频率讯号通过放大线路也会产生这种现象，而互调失真却是不同频率之间的互 相干扰和影响，测量互调失真远比测量谐波失真复杂，而且至今尚未有统一的标准。编辑本段通信系统中无源互调失真的测量在现代通信系统中，当多个频率的载波信号通过一些无源器件时，都会产生互调失真。无源器 件如天线、电缆、滤波器等，由于其机械连接的不可靠，使用具有磁滞特性的材料，污损的接触面 等原因，不同频率的信号在不材料连接处非线性混频，产生不同幅度的互调产物，而这些互调失真 信号又表现为通信频带中的干扰信号，使系统的信噪比下降，严重影响通信系统的容量和质量。实 际上，在我们平时的设计和测量中，一般对有

14、源互调寄予比较多的关注，如由放大器、混频器等产 生的互调失真，而有源互调的测量，由于互调失真与载波的相对幅度差较小，故测量易于实现。随 着通信系统的发展和系统质量的提高，无源互调的测量与分析将会日益受到重视。测量的建立当测量功率合成器的互调失真时，可使用如下图的传统测量方法：采用Anritsu公司的68347信号源输出的高功率连续波信号分别输入到功率合成器的两个端口。每一载波的频率在测量需要的带宽内合适设定，功率合成器有两种作用：即为被测器件，又将两路 信号合成为一路信号。功率合成器产生的互调信号传输到双工器端口，接收带宽内的互调信号用频 谱分析仪测量。现代无源互调分析仪，可输出预先组合的双频

15、信号。互调仪具有两个射频端口，端口一可输出 两个高功率电平的双频信号，经过被测器件后进入分析仪的端口二，端口一的反射信号同时也进入 分析仪的接收机。分析仪可在传输模式和反射模式两种状态下工作，分别测量被测件的传输互调失 真和反射互调失真。实际上，对被测件而言，不同因素产生的互调失真都为矢量信号，它们相对的相位关系将决定 被测件在特定状态下的互调失真的总幅度。在传输测量中，不同的互调产物在到达端口二时均同相， 而在反射测量中，至U达端口一的互调失真为端口一的总响应和端口二上互调源的相移响应。因此， 反射互调失真为频率和被测件电长度的函数。使用互调仪测量上述功率合成器的互调响应。互调仪的端口一接功

16、率合成器的被测输入口，这样可以测量功率合成器的A1、A2和B端口的互调失真。互调仪的传输模式测量端口B的前向互调失真，反射模式测量端口A1的互调失真。如图示，如果端口 A1作为驱动端口，端口A2应接低互调失真负载，以理想地测试功率合成器的互调失真。通过换接端口A1、A2，功率合成器每一输入端口的互调均可被测量。把上面两种方法作一比较：功率合成器连接处和端口B承载两个连续波功率，测量的互调失真为这两个因素的总的互调失真。如果每一端口的入射信号均为非调制信号，这种方法准确测量了功 率合成器的真正互调性能，但是受到频谱分析仪的固有互调失真的限制。如果功率合成器在输岀、 输入端口均为调制信号，提供的测

17、量结果更有实际意义。测量方法下面主要讨论采用无源互调分析仪测量时提高测量准确度的方法：（一）测量两端口器件的前向无源互调失真时，可采用直接的连接方法：被测件的输入端口接 分析仪的端口一，输岀端口接分析仪的端口二。这种方法的测量误差随频率和连接端口二与被测件 的电缆长度的变化而变化。而且，由于互调仪的端口一和端口二仅在测量的发射和接收带宽内实现 阻抗匹配，故在分析仪输岀载波信号的谐波频率范围内，将产生大的驻波，这样，即使被测件在高 功率载波的基波和谐波频率范围内具有良好的阻抗匹配特性，这种测量方法的建立仍产生岀不同的 互调电平。首先，使用的定向耦合器必须要有足够低的固有互调特性，其耦合度介于10

18、30dB之间，过大的耦合值使得被测的互调信号淹没在分析仪端口二的噪声底带之中，过小的耦合度将增加测量误差。定向耦合器如此连接，以便双频载波和产生的互调均可传输到耦合端口，耦合器的传输臂接低互调 失真终端负载。耦合器的反向耦合端口匹配一标准五十欧姆终端负载。测量前，首先直接连接定向 耦合器（好的电缆和适配器）到分析仪的两端口做残余互调的检查。这种测量建立提供了宽带的阻 抗匹配，有效地降低了载波的谐波频率范围内的驻波，稳定的测试条件得到更有意义的测量结果。（二）高互调电平的无源互调失真测量：一般地，无源互调失真分析仪系统都有一线性工作区， 如为-75-125dBm,如果接受机的IM电平大于-75d

19、Bm,接收机的测量误差将增大。对于测量前向互调电平，可采用如图三的测试方法。定向耦合器的这种连接方法使得双载波和产生的互调信号都流向 耦合端口，耦合器的传输臂的端口可接低互调失真负载。同样的方法可适用于反向互调的测量：定向耦合器的正向和反向耦合端口均接标准五十欧姆负载，传输臂接被测件，在被测件的输岀 端接一低互调失真负载，这使得传输到端口一的互调信号最终在端口二得到测量。在上述两种建立中，定向耦合器的耦合端口都接一固定衰减器，衰减器的值决定于期望的互调 电平，衰减器的作用是进一步减小互调电平使其低于单独使用定向耦合器时的电平值。在这两种方 法中，测量系统的建立都要避免产生有效的残余互调电平。在

20、测量时，衰减器的衰减值可由小到大 变化，以使被测的互调电平衰减后达到互调仪接收机的线性工作区。测量结果要考虑衰减器的衰减 值和定向耦合器的耦合值。小结现阶段无源互调失真的测量，理论和方法都还处于初步阶段，有些测量方法也不够成熟。随着 射频技术的发展，这一参数的测量将会愈加受到重视，测量设备也会更为完善，测量准确度也将大 大提高。编辑本段晶体管声的元凶瞬态互调失真 ”瞬态互调失真（ Transient Intermodulation Distortion ），亦称 TIM 失真。TIM 测量方法则迟至70年代才公开发表。记得1981年音响界人士云集北京人民艺术剧院，专门讨论它。由于瞬态互调失真与

21、负反馈密切相关，所以在讨论瞬态互调失真时就需要先从负反馈说起。负反馈（Negative Feedback）是一种广泛应用于各类工程技术领域，简单而实用的控制技术，负反馈本来是属于控制技术中的闭环控制（Close Loop Control ）系统的一个环节，但因为应用广泛，所以常常被用作闭环控制的代名词。负反馈实际上是一种普遍存在于人们日常生活中的自然规律， 举例来说，当我们驾驶汽车的时候，如果发现汽车偏离得驶路线，我们就会向相反方向扭动方向盘， 使汽车驶回正确路线。在这里我们的眼睛就是充当负反馈通道的作用，负责把输岀值（汽车得驶方 向）回馈给挖掘器（大脑），然后控制器将输岀值和设定值（正确方向

22、）互相比较（相减），然后根据比较后的误差，发岀修正讯号（扭方向盘）去纠正。由此可见，负反馈的作用是将输岀值倒相（变为负数），随后将之回馈至输入端，和设定值相减，得岀误差讯号，然后控制器就会根据误差 大小作岀修正。在电子放大线路中，由于零件的非线性、对称性、温度的变化，噪音的干扰以及其他种种原因， 使信号在被放大的同时，无可避免地被加入各种各样的失真，而负反馈则能有效地降低这些失真。 举一个简单的例子来说，如放大器在放大一个正弦波讯号时，由于零件的非线性、对称性、温度的 变化会使输岀有明显失真。通过负反馈，将失真的信号与输入信号进行比较减去失真。因为是输岀 与输入相减，虽然稳定了增益，但是放大量

23、也大幅度减小。如果要使输岀讯号被放大到足够的强度， 放大器的放大率（增益）便要加大，所幸的是这并非难事，尤其是晶体管机。如果我们将负反馈量 加大，使输岀讯号降低到和输入讯号电平相同的程度，即完全没有放大，这种放大器线路有一个特 殊的名称，叫缓冲放大器（Buffer Amplifier ）。虽然讯号没有被放大，但因为放大器一般都是输入阻抗高，输出阻抗低。所以缓冲放大器常被用作阻抗匹配之用。既然负反馈能有效地降低失真，但为什么又会引起瞬态互调失真呢？原来问题岀在时间上，其 中又以晶体管机最为严重。和真空管相比，晶体管有坚固耐用，体积小，重量轻放大率高等优点， 其缺点是工作特性不稳定，易受温度等因素

24、影响而产生失真甚至失控。解决办法之一是采用高达50 至 60dB 左右的深度负反馈。反正晶体管的放大率很高，牺牲一些无所谓，由于采用了大深度的负 反馈，大幅度减少了失真，所以晶体管机很容易获得高超的技术规格。不过麻烦也就因此而起，为 了减少由深度负反馈所引起的高频寄生振荡，晶体管放大器一般要在前置推动级晶体管的基极和集 电极之间加入一个小电容，使高频段的相位稍为滞后，称为滞后价或称分补价，可是无论电容如何 细小，总需要一定时间来充电，当输入讯号含有速度很高的瞬态脉冲时，小电容来不及充电，也就 是说在这一刹那线路是处于没有负反馈状态。由于输入讯号没有和负回输讯号相减，造成讯号过强， 这些过强讯号

25、会使放大线路瞬时过载( Overload )。因为晶体管机负反馈量大，讯号过强程度更高， 常常达到数十倍甚至数百倍，结果使输出讯号削波( Clipping )。这就是瞬态互调失真，因为在晶体 管线路最多出现，所以也被称为 “原子粒 ”声或晶体管声。顺带一提的是，这种负反馈时间延迟问题在工业控制系统中也常常遇到，称为纯延迟( Dead Time )问题，其起因绝大部份是因为感应器( Sensor )安装位置太远。例如在一个恒温热水器中， 温度探测被安装在远离发热顺的位置，结果是当探测器感应到水温足够时，在发热器附近的水温早 就已经过热了。 这样的控制结果必然是水温在过热和过冷之间大幅摆动， 称为控制超调 ( Overshoot ) 或系统振荡。纯延迟至今仍然是困扰自动控制技术的一大难题，有关解决方法的论文由五十年代至 今少说也有上千篇，但