在现代通信和电子设备中，信号失真是一个不可忽视的问题。信号失真指的是在信号的传输或放大过程中，输出信号的波形与输入信号的波形不一致，从而导致信号的幅度、频率或相位发生变化。这种现象在放大器中尤为明显，尤其是当放大器的工作点进入非线性区域时，输入信号的特征可能会被扭曲，影响到信号的质量和稳定性。
放大器的非线性失真主要源于两个方面：首先，放大器件的工作点可能会进入特性曲线的非线性区，导致输入与输出信号之间的线性关系被打破；其次，放大器的频率特性不佳，对输入信号中不同频率成分的增益或延时不同。为了减小这种失真，工程师们通常采取一些措施，比如选择合适的偏置电压、使用负反馈、进行滤波和屏蔽等。
尽管在理论上，每个放大器都有一定的非线性，但在实际应用中，如果在所关注的信号频率范围内，非线性信号的功率很小，放大器仍然可以近似看作是线性的。
谐波失真是信号失真的一种具体表现，通常发生在输入信号的频率谐波上，其频率为输入信号频率的整数倍。谐波失真是由非线性的传递函数产生的。如果假设传递函数是平稳的，即不随时间变化，并且输入信号是周期性的，那么输出信号也将呈现周期性。在频域分析中，周期信号的傅里叶级数由基波和谐波组成，若输入输出之间的关系在时间上不变化，则不会出现非谐波失真。
谐波的生成通常与非线性负载的存在有关，这导致电流与电压之间形成非线性关系。可以通过一个二阶多项式来描述这种关系，其中电流和电压的关系式能够揭示出谐波的成因。如果输入电压为正弦波，那么电流中不仅包含基波频率的成分，还会出现二次谐波频率的成分，且其幅值与电压的平方成正比。因此，二阶多项式能够很好地描述谐波的产生。
在测量信号失真时，总谐波失真（Total Harmonic Distortion, THD）是一个常用的指标。其测量方法通常是产生一个频谱纯净的单频正弦波信号作为输入，并使用频谱分析仪观察输出信号的频谱，记录下基波和各阶谐波的幅度。THD的计算公式为所有谐波的均方根值与基波的均方根值的比值，通常以百分比或分贝表示。在需要时，可以使用Matlab中的thd函数来直接计算THD。
对于一些非线性的放大器，数字化输出后可以通过数字后处理对非线性进行校正，以还原更好的动态范围。研究表明，使用多项式校正时，第二和第三谐波的幅度会显著降低，提升了信号的整体质量。
综上所述，信号失真不仅是一个技术性问题，更是影响电子设备性能的重要因素。了解其产生原因及测量方法，对于工程师和研究人员来说，都是提升设备性能、确保信号质量的重要步骤。在未来的技术发展中，如何更有效地测量与修正信号失真，将是一个值得关注的研究方向。返回搜狐，查看更多