相位失真

相位失真是指信號由放大器輸入端至輸出端所產生的時間差（相位差）導致的失真，不同頻率的信號經過處理器後，由於時延各不相同，從而導致相位失真。

基本介紹

• 中文名：相位失真
• 外文名：PHASE ERROR
• 簡介：信號由輸入端至輸出端的時間差
• 產生原因：不同頻信號經過處理器後時延不同
• 相關：瞬態回響、瞬態到調失真
• 套用學科：儀器科學、電子科學、通信工程

基本定義

相位失真是指信號由放大器輸入端至輸出端所產生的時間差（相位差）導致的失真。不同頻率的信號經過處理器後，由於時延各不相同，從而導致相位失真。這個時間差自然是越小越好，否則會影響負回輸線路的工作。除此之外相位失真也和瞬態回響有關，尢其是和瞬態到調失真有著密的關係。

基本原理

相位失真指的是信號在傳輸和放大過程中發生了時間延遲。如圖所示，圖中兩個波形分別代表輸入端和輸出端的信號。可以看到，兩個信號的形狀沒有什麼變化，差別只是下面的信號比上面的出現的時間“晚了一點”。這相差的時間（Δt）再根據信號的頻率就可以換算成相位差。相位差，單位是“度”，其中f是信號的頻率。

由於放大器中有電抗元件存在，非正弦波信號中各頻率成分間的相位關係發生變化，從而使得輸出波形與輸入波形不一致，這就是相位失真，如圖所示。

圖1 相位失真示意圖

圖(a)是輸入信號波形，圖(b)是輸出信號波形。輸入時，信號中的基波和二次諧波相位都從零開始，但輸出時相位關係發生了變化，二次諧波產生了相移，所以合成波形與原來的不一樣了，這就產生了相位失真。

產生原因

電容和電感對交流信號（電壓或電流）具有延遲作用。當一個交流信號經過電容、電感和電阻的時候，就會有一個充放電的過程，這會導致這個交流信號的幅度變化時間“向後”推遲一段時間。在各種交流放大器中，採用的元器件或者是電感電容，或者是含有電感電容成分，任何一個放大電路或者元器件我們都可以通過等效電路轉換成電感、電容、電阻和理想有源器件的組合，即使是性能非常好的元器件也不能倖免，包括傳輸導線也是如此，不同品質的元器件其等效電容電感的數值也不一樣，並且通過電路最佳化設計，可以儘量減輕這種影響，但是不管影響有多小，總是有的。

影響

從單純的理解上看，相位失真只是把所有的信號向後推遲了一會兒，我們不過是晚了那么一點時間聽到聲音罷了。但是，實際情況絕非如此，相位失真實際上對於聽感的影響是十分微妙的，在高水平的對比中，它甚至能夠稱為分出勝負的關鍵。

單純的相位失真並不足以影響聽感，但是實際上我們所碰到的相位失真並不是單純的，這種不單純的相位失真則會產生各種影響，主要有以下幾個方面。

失真不一致

這是比較普遍的情況，它的意思是在同一個頻率下，兩個聲道產生的延遲會有差異。當這個差異比較大的時候，就破壞了兩個聲道中音樂信號的相位關係，使得聲像發生偏移，如果這種偏移是固定不變的，那么我們仍然不會察覺出來。但是會有另外一個情況發生，就是我們對於時間差的變化所對應的聲像位置並不是“線性”的，也就是說，這個時間差只有在一定範圍內才會使得聲像的位置發生較大的改變，如果太大就會分裂成兩個成像點，如果太小，則基本無法察覺，並且，這還和聲音的頻率有很大的關係。於是，某些聲音由於頻率比較“適當”而會“呆在它應該在的位置上”而另外一些聲音則會偏離應有的位置。這樣就會造成聲像的重疊，也就是通常所說的“聲場混亂”。我們很多時候對於一個系統的評價是“聲場擁擠、混亂”就和這個原因有關。

時間關係改變

這其實是相位失真的最大害處。人類的耳朵具有一定的“掩蔽效應”。這個效應的意思是，當一個強音和一個弱音同時出現時，如果相差的響度大到一定程度，我們將不能感受到那個弱音的存在。由於相位失真的頻率差異特性，有可能會把兩個原本分開的聲音疊加到一起，當這兩個信號的響度差異較大的時候，微小的聲音就會“消失”了。相位失真和系統的瞬態回響以及信噪比共同控制著這個系統對於弱音的表現能力，其中任何一個指標的缺陷都會造成系統細節表現變差，也就是我們說所說的喪失“空氣感”“質感”。

樂器方面

由於音樂中的高頻往往含量比較少，弱音很多，所以不同頻率的相位失真的不一致也會造成高頻信息的損失。另外一個最重要的是，樂器的聲音是由一些基音、諧波，以及它們的響度、時間關係等組成的，破壞了時間關係，就會導致樂器聲音的質感發生變壞，某些諧波會被增強或者掩蔽。另外，由於這種和頻率有關的影響會加劇互調失真的程度，也會對聽感產生惡劣的影響。

由於信號在傳輸過程中由於其自身具有電容和電感，也會產生相位失真，同樣也需要得到一定的重視，尤其是在非常高級的系統中，傳輸問題不可忽視。

解決辦法

信號經過處理裝置後，若nω頻率分量的廣義時延為一個定值，則處理後的信號與處理前的信號在波形上只有一個時延，輸出信號是沒有失真的。並且，各頻率分量的時延均相同。

將上述結論用圖形來進行說明。處理器的相頻特性若如圖所示，是斜率為一常數的直線，則通過系統的各個頻率分量的延遲時間均相同，於是，各頻率分量在輸出端合成時，輸出波形只是延遲了一個時間τ，不會出現相位失真。若處理器的頻率特性不是一條直線，則會出現相位失真。

處理器的相頻特性

相位矯正濾波器

濾波器使用可能在過渡帶上產生不希望有的相位失真，比如音頻多聲道重放中LFE通道的低通濾波產生的過渡帶相位失真可能使整個重放系統在LFE過渡帶頻段出現陷波。使實時濾波器實現線性相位的方法大致可分為以下幾類：

1)採用數字FIR濾波器實現線性相位；

2)採用前向後向濾波；

3)設計全通濾波器進行相位矯正。

相位矯正是在未知相位函式表達式的情況下，僅根據已知群延時回響圖形上一系列點的坐標來設計相位矯正濾波器，矯正包括過渡帶在內的全頻帶的群延時失真。算法僅通過一個參數來控制其初始化；在最佳化過程中時刻檢測算法是否不收斂，如果不收斂則讓算法退回上一步最佳化前收斂的狀態，調整最佳化步長後繼續最佳化，使得算法能收斂，從而務實地解決算法收斂性控制的問題。