2019-10-19 15:50:55

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相位失真是指信号由放大器输入端至输出端所产生的时间差(相位差)导致的失真,不同频率的信号经过处理器后,由于时延各不相同,从而导致相位失真。

基本信息

  • 中文名

    相位失真

  • 外文名

    PHASE ERROR

  • 简介

    信号由输入端至输出端的时间差

  • 产生原因

    不同频信号经过处理器后时延不同

  • 相关

    瞬态响应、瞬态到调失真

  • 应用学科

    仪器科学、电子科学、通信工程

折叠 编辑本段 基本定义

相位失真是指信号由放大器输入端至输出端所产生的时间差(相位差)导致的失真。不同频率的信号经过处理器后,由于时延各不相同,从而导致相位失真。这个时间差自然是越小越好,否则会影响负回输线路的工作。除此之外相位失真也和瞬态响应有关,尢其是和瞬态到调失真有著密的关系。

折叠 编辑本段 基本原理

相位失真指的是信号在传输和放大过程中发生了时间延迟。如图所示,图中两个波形分别代表输入端和输出端的信号。可以看到,两个信号的形状没有什么变化,差别只是下面的信号比上面的出现的时间"晚了一点"。这相差的时间(Δt)再根据信号的频率就可以换算成相位差。相位差,单位是"度",其中f是信号的频率。

由于放大器中有电抗元件存在,非正弦波信号中各频率成分间的相位关系发生变化,从而使得输出波形与输入波形不一致,这就是相位失真,如图所示。

图1 相位失真示意图图1 相位失真示意图

图(a)是输入信号波形,图(b)是输出信号波形。输入时,信号中的基波和二次谐波相位都从零开始,但输出时相位关系发生了变化,二次谐波产生了相移,所以合成波形与原来的不一样了,这就产生了相位失真。

折叠 编辑本段 产生原因

电容和电感对交流信号(电压或电流)具有延迟作用。当一个交流信号经过电容、电感和电阻的时候,就会有一个充放电的过程,这会导致这个交流信号的幅度变化时间"向后"推迟一段时间。在各种交流放大器中,采用的元器件或者是电感电容,或者是含有电感电容成分,任何一个放大电路或者元器件我们都可以通过等效电路转换成电感、电容、电阻和理想有源器件的组合,即使是性能非常好的元器件也不能幸免,包括传输导线也是如此,不同品质的元器件其等效电容电感的数值也不一样,并且通过电路优化设计,可以尽量减轻这种影响,但是不管影响有多小,总是有的。

折叠 编辑本段 影响

从单纯的理解上看,相位失真只是把所有的信号向后推迟了一会儿,我们不过是晚了那么一点时间听到声音罢了。但是,实际情况绝非如此,相位失真实际上对于听感的影响是十分微妙的,在高水平的对比中,它甚至能够称为分出胜负的关键。

单纯的相位失真并不足以影响听感,但是实际上我们所碰到的相位失真并不是单纯的,这种不单纯的相位失真则会产生各种影响,主要有以下几个方面。

折叠 失真不一致

这是比较普遍的情况,它的意思是在同一个频率下,两个声道产生的延迟会有差异。当这个差异比较大的时候,就破坏了两个声道中音乐信号的相位关系,使得声像发生偏移,如果这种偏移是固定不变的,那么我们仍然不会察觉出来。但是会有另外一个情况发生,就是我们对于时间差的变化所对应的声像位置并不是"线性"的,也就是说,这个时间差只有在一定范围内才会使得声像的位置发生较大的改变,如果太大就会分裂成两个成像点,如果太小,则基本无法察觉,并且,这还和声音的频率有很大的关系。于是,某些声音由于频率比较"适当"而会"呆在它应该在的位置上"而另外一些声音则会偏离应有的位置。这样就会造成声像的重叠,也就是通常所说的"声场混乱"。我们很多时候对于一个系统的评价是"声场拥挤、混乱"就和这个原因有关。

折叠 时间关系改变

这其实是相位失真的最大害处。人类的耳朵具有一定的"掩蔽效应"。这个效应的意思是,当一个强音和一个弱音同时出现时,如果相差的响度大到一定程度,我们将不能感受到那个弱音的存在。由于相位失真的频率差异特性,有可能会把两个原本分开的声音叠加到一起,当这两个信号的响度差异较大的时候,微小的声音就会"消失"了。相位失真和系统的瞬态响应以及信噪比共同控制着这个系统对于弱音的表现能力,其中任何一个指标的缺陷都会造成系统细节表现变差,也就是我们说所说的丧失"空气感""质感"。

折叠 乐器方面

由于音乐中的高频往往含量比较少,弱音很多,所以不同频率的相位失真的不一致也会造成高频信息的损失。另外一个最重要的是,乐器的声音是由一些基音、谐波,以及它们的响度、时间关系等组成的,破坏了时间关系,就会导致乐器声音的质感发生变坏,某些谐波会被增强或者掩蔽。另外,由于这种和频率有关的影响会加剧互调失真的程度,也会对听感产生恶劣的影响。

由于信号在传输过程中由于其自身具有电容和电感,也会产生相位失真,同样也需要得到一定的重视,尤其是在非常高级的系统中,传输问题不可忽视。

折叠 编辑本段 解决办法

信号经过处理装置后,若nω频率分量的广义时延为一个定值,则处理后的信号与处理前的信号在波形上只有一个时延,输出信号是没有失真的。并且,各频率分量的时延均相同。

将上述结论用图形来进行说明。处理器的相频特性若如图所示,是斜率为一常数的直线,则通过系统的各个频率分量的延迟时间均相同,于是,各频率分量在输出端合成时,输出波形只是延迟了一个时间τ,不会出现相位失真。若处理器的频率特性不是一条直线,则会出现相位失真。

折叠 编辑本段 相位矫正滤波器

滤波器使用可能在过渡带上产生不希望有的相位失真,比如音频多声道重放中LFE通道的低通滤波产生的过渡带相位失真可能使整个重放系统在LFE过渡带频段出现陷波。使实时滤波器实现线性相位的方法大致可分为以下几类:

1)采用数字FIR滤波器实现线性相位;

2)采用前向后向滤波;

3)设计全通滤波器进行相位矫正。

相位矫正是在未知相位函数表达式的情况下,仅根据已知群延时响应图形上一系列点的坐标来设计相位矫正滤波器,矫正包括过渡带在内的全频带的群延时失真。算法仅通过一个参数来控制其初始化;在优化过程中时刻检测算法是否不收敛,如果不收敛则让算法退回上一步优化前收敛的状态,调整优化步长后继续优化,使得算法能收敛,从而务实地解决算法收敛性控制的问题。

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