失真是什么？

时间： 2024-06-13 来源：是德科技 Keysight Technologies知乎

什么是失真？

失真（Distortion)又称畸变，指信号在传输过程中与原有信号或标准相比所发生的偏差。在理想的放大器中，输出波形除放大外，应与输入波形完全相同，但实际上，不能做到输出与输入的波形完全一样，这种现象叫失真。

频谱分析仪是通过频谱特征研究信号质量的仪器，常用于测量信号频率、功率、信号失真度、调制度和交调失真等信号参数的测量。频谱分析仪通常应用于测试信号的各阶失真，例如：交调测试，谐波测试，调制信号的ACPR指标等。而频谱仪中有很多非线性器件都会产生非线性失真，如变频处理，放大处理，ADC处理等各个环节。

很多情况下，测量目标的失真和频谱仪本身的失真是很相似的，频谱仪的谐波和交调这些新增的频率分量常会和我们需要测量的信号落在非常接近的频率上，难以滤除；有的落在完全相同的测量频率上，增大了测量误差。频谱分析仪的这些失真决定了频谱分析仪动态范围的上限，也就是输入信号达到一定的电平，失真就会显著地影响到测量结果，影响我们测试结果的准确性。因此对于仪表失真的分析是非常重要的，希望仪表内部产生的各种失真越小越好。

这就需要仪表内部非线性不能过大，以保证显示结果的真实性，既显示结果是来源于被测信号而不是仪器内部产生的失真。在对信号进行读值之前，需要先考察一下频谱仪显示结果的真实性，了解显示结果是来源于被测信号还是来源于仪器内部产生的失真。

频谱仪处理过程的非线性会引起寄生的失真成分

失真产物在混频过程的会组合出大量的频率成分

内部失真

动态范围指的就是max和min幅度差值，根据此定义，我們可以看出失真就是指基波和其他次谐波的差值，從而了解内部产生失真是怎么工作的。

混频器上基波电平的改变对内部失真的影响

左边图是谐波失真：是基波、二阶失真和三阶失真，根据数学公式表明，二阶失真电平变化是基波电平变化的两倍（差值比为1：1）而三阶是三倍（差值比为2：1）.

右边图是交调失真（两个输入信号之间的相互作用）：当交调失真产生的电平变化是w1、w2同时变化1dB，失真分量变化3dB

失真测量大部分是相对于基波信号（载波或双音信号）进行的。二阶失真随基波上升呈平方关系增加，而三阶失真随基波呈三次方增加。这就意味着在频谱分析仪的对数标度上：二阶失真电平变化的速度是基波变化速度的两倍，三阶失真电平变化的速度是基波变化速度的三倍。

当基波功率降低1dB时，二阶失真降低2dB，但相对于基波二阶失真降低了1dB，基波和二阶失真比之间对应关系为1：1。

当基波功率降低1dB时，三阶失真降低3dB。但相对基波三阶失真降低了2dB，基波和三阶失真比之间存在2:1的对应关系。

二阶失真、三阶失真

我们最关注其二阶三阶失真，下面分析其对混频器的影响。

二阶比基频快2倍dB、三阶比基频快3倍dB（平方，立方取log为几倍），二阶、三阶失真直线斜率固定，绘制出其和输入电平的变化关系，注意这里纵轴是输出信噪比。失真信号刚好等于输入信号时，分别可得其二阶失真三阶失真交截点（TOI SHI得出交截点可以算出曲线斜率）

为减小频谱分析仪内部失真，混频器应工作在尽量低电平，应加大衰减器设值。

如果你负责开发、制造或者维护一个电子产品或系统，你绝对需要一个工具来帮助你判断流经这个产品或系统的信号是否正常。通过信号分析，你可以判断这个产品的性能是否合格；通过信号分析，你可以找到问题的根源并展开维修。

那么问题来了，我们如何去测量那些电信号呢？如何去追踪它们的变化呢？这时，我们需要一台接收机，这意味着它只提供接收信号并显示出来的功能，方便我们进一步分析。它就是频谱分析仪。一台基本的通用频谱仪可以再现原始的射频信号，包括信号的电压、功率、频率、波形、边带等。它是您从频域的视角看信号的工具。而新一代的信号分析仪则是在通用频谱仪的基础上添加了矢量信号分析的功能，通俗地说就是信号解调分析。

根据不同的应用，电信号有着不同的特征。例如，在通信系统里面，我们的通信设备为了将您的语音或数据传送出去，它必须语音或数据调制到一个频率较高的载波上。根据不同的调制方式，这个调制信号会有固有的特征参数。例如，您的车钥匙中应用了FSK或GFSK调制方式，那么当你在研发车钥匙的时候，你很可能会关心调制频偏这个特征参数。再例如，当你在测试非线性器件，比如功放、混频器等，你会关心这些非线性器件产生的失真信号。分析噪声或干扰信号也是频谱仪的热点应用之一，比较典型的干扰分析就是大家耳熟能详的EMI电磁干扰测试。

深入了解频谱仪的特性有利于大家在测量各种信号时能够做出最优化的测试，从而更加自信地分析信号。