谐波失真：特性、影响与控制(下)

一、谐波失真的危害

（一）对音频系统的危害

破坏声音的保真度，使音质变得粗糙、失真，影响听觉体验；掩盖音乐中的细节信息，降低声音的层次感和清晰度；长期处于失真的声音环境中，可能对人耳造成一定的损伤。

（二）对通信系统的危害

导致频谱污染，干扰相邻频段的通信信号，降低频谱利用率；使数字通信中的星座图点偏离理想位置，增加误码率，影响通信质量；降低接收机的灵敏度，使弱信号难以被正确接收。

（三）对电力系统的危害

增加变压器、电动机等设备的损耗，导致设备过热、效率降低，缩短使用寿命；引起电力系统电压波动和闪变，影响用电设备的正常运行；干扰电能计量装置，造成计量误差，影响电力贸易的公平性；可能导致保护继电器误动作，威胁电力系统的安全稳定运行。

二、谐波失真的测量方法

（一）基本测量流程

信号源产生低失真的正弦波输入信号，其自身谐波失真应远低于被测系统；被测设备在额定工作条件下处理输入信号；采用适当方法抑制输出信号中的基波分量；测量剩余谐波分量的功率或幅度；根据基波和谐波的测量结果计算谐波失真指标。

（二）常用测量技术

滤波法：使用高 Q 值陷波滤波器滤除基波，再通过功率计或电压表测量剩余谐波的总功率或电压，计算 THD。该方法结构简单、成本低，适合低频信号（如音频）测量，但陷波深度有限，频率调节不便。

频谱分析法：利用频谱分析仪直接测量信号的频谱，读取基波和各次谐波的幅度或功率，进而计算 THD 等指标。该方法可同时观察各次谐波的分布，频率范围宽，适合宽带信号分析，但对频谱仪的动态范围要求高，测量时间较长。

互调失真法：将两个不同频率的正弦信号输入被测系统，测量输出信号中的互调产物（如 2f1-f2、2f2-f1），以此评估系统的非线性程度。该方法更接近实际信号环境，能反映非线性的交互作用，但分析复杂，设备成本高，主要用于通信系统的非线性评估。

（三）测量注意事项

确保信号源的纯净度，其 THD 应至少比被测系统低 10 倍（即 20dB），必要时需在信号源与被测设备之间增加低通滤波器；控制测量环境，采取电磁屏蔽措施防止外部干扰，采用单点接地避免地环路噪声，保持环境温度稳定以减少器件参数漂移；保证系统匹配，确保信号源、被测设备和测量仪器之间的阻抗匹配，避免因功率过大导致额外的非线性失真。

三、谐波失真的抑制措施

（一）器件选择与优化

选用线性特性好的器件，如线性范围宽的晶体管、低损耗的无源元件等；优化器件工作点，为放大器设置合适的静态工作点，确保信号工作在线性区；为功率器件提供足够的电压裕量，避免进入饱和或截止区；采用温度补偿措施，选用具有互补温度特性的元件组合，或对高精度设备采用恒温控制，减少温度变化对器件参数的影响。

（二）电路设计改进

应用负反馈技术，将输出信号的一部分反相后反馈到输入端，抵消非线性误差，可有效降低 THD；采用前馈补偿电路，检测放大器的非线性失真并产生反相补偿信号注入输出端，适合高频应用场景；设计线性化网络，如在信号路径中加入与放大器特性相反的非线性网络，利用二极管的非线性抵消晶体管的非线性等；优化电源设计，使用低噪声线性稳压器减少电源纹波，采用多级滤波电路防止电源噪声耦合到信号路径，采用双电源供电减少偶次谐波。

（三）系统级控制策略

优化信号路径，采用分级处理方式将大信号分成多个小信号路径处理后再合成输出；合理规划频率，避免谐波频率落在敏感频段；做好全信号路径的阻抗匹配，减少反射引起的非线性。

加强滤波与隔离，在输出端加入低通滤波器抑制高次谐波；对敏感电路采用金属屏蔽盒减少电磁耦合；采用星型接地或接地平面设计，避免地环路引起的失真。

引入自适应调整机制，通过自动增益控制在输入信号过大时降低增益，避免进入非线性区；采用数字预失真技术，根据系统的非线性特性预先对输入信号进行处理，抵消系统产生的谐波失真。

四、相关标准与规范

不同领域针对谐波失真制定了相应的标准和规范，以确保系统的正常运行和兼容性。

音频领域：如 IEC 60268-3 标准，对音频设备的谐波失真等性能指标做出了规定。

通信领域：如 3GPP 标准中对基站发射机的谐波辐射提出了明确要求，确保不对其他频段造成干扰。

电力领域：IEEE 519 标准规定了公共电网中谐波电流和电压的限值；IEC 61000-3-2 标准针对低压设备的谐波发射制定了限值要求，以维护电网的稳定运行。