一文看懂线性失真和非线性失真的区别

　　线性失真定义

　　线性失真时，输出信号中不会有输入信号中所没有的新的频率分量，各个频率的输出波形也不会变化。这种幅度的失真或者相位的失真是由该电路的线性电抗元件对不同频率的响应不同而引起的，所以叫线性失真。由于是射频器件对不同频率的信号处理结果上的偏差，又叫频率失真。线性失真主要是由滤波器等无源器件产生的。

　　线性失真说明

　　现象类比：一个单位的采购人员为了向领导表现自己的采购能力强，经常说自己能买到打折的好东西。领导委托他买粉笔，买回来后他说：“我的人缘超好，原价100元的粉笔，给我打了9折，才90元（其实本身就值90元）。”又一次买回来桌椅板凳，他说：“原价10000元的东西，给我打了7折，才7000元（其实本身就值7000元）。”同一类东西，他获得的折扣一样（类似射频器件对同一个频率的信号，输入和输出满足一定的线性对应关系）；不同的东西，他获得的折扣又不一样（类似射频器件对不同频率的信号，输入和输出的线性对应关系不一样），如图1所示。一次领导委托他给灾区捐款500元，回来后他眉飞色舞地给大家描述：“又给我打折了，我们要捐500，打8折，只收400！”大家无语。

图一

　　线性失真就是射频器件输出的幅值变化特性和相位偏移特性对不同频率的输入有很大的不同。很多射频信号，由很多不同的频率分量组成，输出端的合成信号在幅值和相位上与输入相比就会有一定程度的失真。如图2所示。

　　在设计或选择无源射频器件的时候，要重点关注它的频率使用范围，在这个范围内对不同频率的信号输入和输出的线性关系应尽量一致，以减小线性失真的影响。

　　通常放大电路的输入信号是多频信号，如果放大电路对信号的不同频率分量具有不同的增益幅值或者相对相移发生变化，就使输出波形发生失真，前者称为幅度失真，后者称为相位失真，两者统称为频率失真。注意：频率失真是由电路的线性电抗元件引起的，故又称线性失真，其特征是输出信号中不产生输入信号中所没有的新的频率分量。

　　所有的放大器，在理论上都不可能成为无失真传输系统。放大器，如果忽略低频截止频率的影响（因为高频截止频率往往远远低频截止频率）为一低通滤波器。如果不忽略低频截止频率影响（因为低频对音频来说很重要），则为一带通滤波器。由于晶体管为一电阻电容的混合参数所构成的器件（如各种形式参数模型所反应），由于电容的容抗中含有频率参数，不同的频率对应于不同的容抗，所以放大器不可能做到对其通频带内的所有信号放大倍数为常数。

　　这样，也就不满足本段开始所述的条件

　　1、而且电容的电压和电流并非同相位，所以不同的频率就对应着不同的相移，就不能满足条件

　　2、不满足条件1的失真，我们称做幅度失真（幅频失真），不满足条件2的失真，我们称为相位失真（相频失真）。

　　根据傅立叶分析的基本理论，任何一周期信号都可以分解为其直流分量，基波分量和个次谐波分量的加权。所谓谐波，就是频率为基波整数倍的余弦信号。若为基波的N倍，即称为N次谐波。可见，如果一个系统对不同频率分量的放大倍数不同，那么对不同的谐波分量将有不同的放大倍数。当一个信号通过系统之后，各谐波分量的幅度发生了改变，加权后将不能真实反应原信号。这样产生的失真，既为幅度失真。再者，从相位的角度来考虑，如果原信号的各次谐波通过这个系统，产生了不同的相移（表现在时域既为不同的延迟），则系统输出的各次谐波加权之后，也不能真实反应原信号，这样产生的失真，既为相位失真。这两种失真，仅仅是各次谐波的幅度、相位产生了变化，但系统并没有产生新的谐波频率，所以称为线性失真。降低线性失真的方法，可以展宽放大器的通频带，使其在工作频率内（如音频为20HZ-20KHZ）近似满足无失真传输条件。但是，受晶体管特性影响（如截止频率Ft）无限制展宽通频带是不可能的，而且在展宽通频带的同时，会带来其它弊端，尤其是会引入噪声。如热噪等，其都和频带宽度相关。前人实验表明，人耳对相频失真表现得不敏感，但人眼对相频特性及其敏感，所以不同的放大器，频带宽度视要求而定。

　　非线性失真的概念

　　非线性失真亦称波形失真、非线性畸变，表现为音响系统输出信号与输入信号不成线性关系，由电子元器特性：曲线的非线性所引起，使输出信号中产生新的谐波成分，改变了原信号频谱，包括谐波失真、瞬态互调失真、互调失真等，非线性失真不仅会破坏音质，还有可能由于过量的高频谐波和直流分量烧毁音箱高音扬声器和低音扬声器。