线性和非线性失真

2.线性和非线性失真

1）线性失真：频率响应、振幅和相位

从广义上来讲，波形上的任何变化都会构成失真。但是在这种宽泛的定义下，有些失真是良性甚至是有益的，而有些则是相当有害的。第一种失真叫作线性失真（linear distortion）。这种失真改变了波形，但是这种波形变化后的结果通过等量且相反的信号处理可以“消除”。例如，如果一个高音被一台设备提升了几分贝，将一个等量但相反的高音随后切入进音频链中就能非常准确地恢复波形的原始形态，从而不会造成任何的损失。

线性失真是系统频率响应的一种变化。这其实是一个不准确的说法，最合适的叫法应该是“关于频率的振幅响应”。但是这个名称太长了，因而该术语简写为人们更熟悉一点的频率响应（frequency response）。它表示音频频率或是频谱中有多大一部分被增强了或是削弱了。例如，一个典型的频率响应额定标称值为20Hz～20kHz范围内+1dB。它意味着在整个频率范围内的频响变化从最小值到最大值不能超过2dB。

频率响应实际上有两部分：振幅响应和相位偏移，它们都和频率有关。两部分合起来完整地表示了波形的线性失真。

许多音质取决于频响的变化，其中有一些变化会产生截然不同的效果。例如，2kHz左右的中频声音对距离感的影响比其它频率要大。增大该频率范围的振幅会让人感觉离声源很近，而减小就会使得声音听起来离声源较远。因此，一些调音台的制造厂商特地标出了对具备提升条件而缺少衰减条件的该段频率范围的均衡旋钮（音调控制只影响很窄的一段频率范围）。还有许多其它由于主观影响引起的频响变化的例子，也许已经超出了“音调”控制的预定范围。

在通常意义下，我们在音频处理的各环节中最为追求的是平直的频率响应（有时称作线性频响）。例如，一个衰减低频而提升高频的磁带录音机并不是理想的选择，因为所有通过录音机的声音都会受到影响。虽然有些声音在不平直的频响下或许“听起来更好”，但是声音的整体效果却无法改善。所以，一般绝大部分的声音处理环节都要求平直的响应曲线，这当然也是任何设备中最重要的一个技术指标。实际上，在严谨的试验中，频率范围的若干倍频程内仅仅1/2dB的偏差也能造成听觉上的变化。由于设备并不是用来改变音质的，所以应该对这个指标的大小级别作必要的考虑，尤其应考虑电视和电影制作的多代复制的特性。在这些制作中，声音在到达听众欣赏环节之前平均要录制和还音6次，因此，会造成声音误差的累积。

为了提高音质和减少噪声，除要求平直的频响外，也包括通过均衡器和滤波器对频响进行的微调。第10章会对此进行专门的讨论。传声器常常根据两个因素从听觉上进行区分：传声器的频率响应以及频率响应在传声器的不同拾音角度上的变化程度。造成传声器频率响应不平直的几个原因将在下一章进行阐述。

2）非线性失真

非线性失真（nonlinear distortion）是无法通过等量和相反的补偿性均衡使波形恢复到原始形态的一种失真。在非线性失真中，一些新的音调成分被加入到了原始声音成分中，而且常规的方法是无法将这种附加的成分去除的。非线性失真最糟糕的一个例子就是削波失真（clipping distortion）。在削波失真中，放大器或者其它设备信号过载，结果是信号波形的波峰直接被削掉。例如，一个正弦波，根据定义只是一个单频音调，削波后的结果导致产生了大量的泛音，这是因为波形发生了明显的变化。在同期录音资料中，有时也会听到削波失真。因为在同期录音的调音台和录音机上对所有增益设置进行精确的控制是很困难的。通过正确地手动设置各种设备，包括传声器、调音台和录音机，通常可以彻底避免削波失真。削波失真会在原始音调的谐波中增加新的频率成分，如果在正负波形距离上的削波完全对称，所得的就是三次、五次和七次谐波等等。

模拟磁带上的失真也会产生谐波。尽管砖墙（brick-wall）削波效果没有那么显著。在基准电平以上，随着电平越来越高，模拟磁带的失真越来越严重，直到磁性氧化物完全饱和（saturation）。这与削波的“砖墙效果”相当，但在削波失真到达硬磁性饱和极限之前仍是可用的。因此，可以使声音的峰值有一定的失真，但不能一直饱和。增加的失真度一般听不出来，除非是在无音调的声音，比如枪声上的失真。

通常用来衡量失真大小的基准尺度称为总谐波失真［total harmonic distortion（THD）］。THD是所有谐波能量总和同基频能量的对比，通常用百分比表示。一般在模拟磁带录音机系统中，THD的最大电平为节目素材最大峰值的3％。THD并不完全适合所有听觉失真类型的度量。

衡量简单的削波失真或磁带饱和失真以外的各种失真，要使用互调失真（intermodulation distortion）的方法。互调失真有多种类型，但它们都能与谐波失真区分开。因为测试信号中包含多个频率，而互调失真是一个频率音调与其他被测频率音调相互作用的结果。

例如，SMPTE互调失真（SMPTE intermodulation distortion），用两个分别在低频和高频的音调来测试系统，其中低频音调比高频音调高12dB。我们要研究的是由于系统中高电平低频音调的存在，会导致高频音调中出现什么样的变化。在一个理想的系统中，高频音调不会因为低频音调的出现而发生变化。但是在实际的系统中，互调失真使得高频音调在低频音调的循环中改变了电平。高频音调在电平上以低频的速率变化使高频音调听起来“崎岖不平”，即一种“汩汩声”的效果。

高频差分音调失真测试就是输送两个频率相对较近的高频音调到同一个系统去，并测试在两个音调差分频率上的差分音调互调（difference tone intermodulation）。例如，19kHz和20kHz的音调以1∶1电平比例混和输送到一个系统中，结果系统中的1kHz的失真差量就可以被检测出来了。

总的来说，最易听到的失真便是削波。这种失真一定要避免，除非是无法听到的瞬时失真。第二种易被听出来的失真是模拟磁带或磁片上过载录音中的谐波失真。最不明显的是互调失真。然而，也还有一些在电影和电视制作中的各种失真都很明显的特殊情况。举个例子，在磁带录音的早期，一个鸟类学家发现磁带录音机录制的鸟叫声包含了很多可听闻的失真，它们以伴随有高频鸟叫声的低频声音形式出现。在使用录音机样机时，人们发现一个差分音调互调失真的设计上的问题被设计师忽视了。因为，常规的测试信号并没有引发过这种失真效果。