在電子信號傳輸與處理過程中，理想狀態下輸出信號應與輸入信號保持完全一致（僅幅度或相位按比例變化），但實際電路中往往存在偏差 —— 這種信號偏離原始形態的現象，被稱為波形失真（Distortion）。從放大器到通信系統，波形失真直接影響信號質量與系統性能，因此理解失真的本質、分類及測量方法，是電子工程領域的核心基礎。

一、波形失真的核心定義

波形失真指信號在傳輸、放大或處理過程中，與原始信號（或標準信號）相比在幅度、相位、頻率成分等方面出現的偏差。例如，理想放大器的輸出波形應是輸入波形的精準放大復制，但實際中可能因電路元件特性限制，出現波形展寬、尖峰畸變或平頂凹陷等現象，這些均屬于波形失真。

失真的危害因應用場景而異：在音頻系統中，失真會導致音質劣化；在通信系統中，可能引發信號誤碼；在精密測量中，則會直接影響數據準確性。因此，失真分析與抑制是電子設計與測試的關鍵環節。

二、失真的兩大核心分類：線性失真與非線性失真

根據失真產生的機制與表現特征，波形失真可分為線性失真與非線性失真，二者在本質上存在顯著差異。

（一）線性失真：頻率相關的 “比例失調”

線性失真是指信號通過線性系統后，輸出信號與輸入信號相比，僅在幅度、相位上發生與頻率成線性關系的變化，不產生新的頻率成分。其核心特征是 “頻譜結構不變，僅各頻率分量的幅度或相位重新分配”。

產生原因

由電路中線性元件（電阻、電容、電感等）的頻率特性差異導致。例如：

RC 高通濾波器中，電容對高頻信號的容抗小、對低頻信號的容抗大，導致不同頻率信號的衰減比例不同；

長距離傳輸線的分布參數（分布電容、電感）會使高頻信號相位延遲大于低頻信號，引發相位偏差。

主要類型

幅度失真（頻率失真）：系統對不同頻率信號的放大 / 衰減倍數不同，導致輸出信號各頻率分量的幅度比例與輸入信號不一致。例如，音頻放大器若對高頻信號衰減過大，會導致音樂 “高音缺失”。

相位失真：系統對不同頻率信號產生的相移不同，破壞了信號各頻率分量的相位關系。在視頻信號傳輸中，相位失真可能導致圖像邊緣模糊。

關鍵特性

輸出信號頻譜與輸入信號完全一致，僅幅度和相位分布變化；

滿足疊加原理：多個信號同時輸入時，總失真等于各信號單獨產生的失真之和。

（二）非線性失真：新頻率成分的 “闖入”

非線性失真是指信號通過非線性系統后，輸出信號中出現輸入信號所沒有的新頻率成分（如諧波、互調產物等），導致波形畸變。其核心特征是 “頻譜結構改變，產生新頻率”。

產生原因

由電路中的非線性元件（晶體管、二極管等）或元件工作在非線性區域導致。例如：

晶體管放大器輸入信號幅度過大時，工作點進入特性曲線的非線性區（飽和區或截止區），導致輸出信號不再與輸入信號保持線性關系；

二極管整流電路中，因 PN 結的非線性伏安特性，輸出信號會產生新的頻率分量。

主要類型

諧波失真（HD）：輸入單一頻率正弦波時，輸出中出現基頻整數倍的諧波（如 2 次、3 次諧波）。例如，音頻放大器的諧波失真會導致聲音 “發悶” 或 “刺耳”。

總諧波失真（THD）：所有諧波成分的總能量與基頻能量的比值（通常以百分比或 dB 表示），是評估非線性失真的綜合指標。THD 值越低，信號保真度越高。

互調失真（IMD）：兩個或多個不同頻率的信號同時輸入時，因非線性作用產生新的頻率分量（如 f1+f2、2f1-f2 等）。在通信系統中，互調失真可能干擾相鄰信道，導致信號串擾。

交越失真：在乙類互補對稱功率放大器中，輸入信號過零點時，晶體管因導通閾值限制出現的 “斷流” 現象，導致輸出波形在零點附近失真（呈現 “平肩” 或 “凹陷”）。

關鍵特性

輸出信號頻譜包含新頻率成分，與輸入信號頻譜結構不同；

不滿足疊加原理：多個信號共同作用時，失真無法通過單獨計算各信號的失真再疊加得到。

（三）線性失真與非線性失真的核心區別

三、失真的測量方法

失真測量的核心目標是量化信號偏離原始形態的程度，不同類型的失真需采用針對性的測量方案。

（一）諧波失真測量

測量原理

輸入單一頻率正弦波信號，通過頻譜分析儀器（如頻譜分析儀）測量輸出信號中各諧波的幅度，計算諧波與基頻的能量比。

測量裝置

信號發生器：輸出低失真正弦波（頻率為 Fi）；

低通濾波器：置于信號發生器與被測器件（DUT）之間，濾除信號發生器自身的諧波，確保測量的諧波來自 DUT；

頻譜分析儀：檢測輸出信號中基頻（Fi）及諧波（2Fi、3Fi 等）的功率。

計算方法

單次諧波失真：某階諧波功率（如 2Fi）與基頻功率（Fi）的比值（dB 或百分比）；

總諧波失真（THD）：所有諧波功率的均方根值與基頻功率的比值，公式為：

（其中 P1 為基頻功率，P2、P3…Pn 為各次諧波功率）。

（二）互調失真測量（以三階互調為例）

測量原理

輸入兩個不同頻率的正弦波（f1、f2），測量輸出中產生的三階互調產物（2f1-f2、2f2-f1），通過三階截獲點（IP3）量化失真程度。

測量裝置

雙信號發生器：輸出頻率接近的兩個正弦波（f1、f2，通常 f2-f1=10kHz~1MHz）；

功率合成器：將兩個信號混合后輸入 DUT；

頻譜分析儀：檢測輸出信號中 f1、f2 的功率，及三階互調產物的功率。

計算方法

三階截獲點 IP3（dBm）：表示理論上基頻與三階互調產物功率相等的點，IP3 越高，器件線性越好：

IP3 = P_out + (P_out - P_IM3)/2

（其中 P_out 為基頻輸出功率，P_IM3 為三階互調產物功率）。

（三）交越失真測量

測量原理

輸入低頻正弦波（如 1kHz），通過示波器觀察輸出波形在過零點附近的畸變情況，量化 “斷流” 區域的幅度或時間長度。

測量裝置

函數發生器：輸出低頻小幅度正弦波；

示波器：同步采集輸入與輸出波形，對比過零點處的波形差異。

評估指標：過零點附近輸出波形與理想波形的幅度偏差（通常以 mV 為單位）。

（四）測量注意事項

信號源純凈度：確保信號發生器的固有失真遠低于 DUT 的失真（通常要求低 20dB 以上），必要時通過濾波器進一步抑制信號源諧波。

儀器動態范圍：頻譜分析儀的動態范圍需覆蓋基頻與失真產物的功率差（例如，測量 THD<0.1% 的信號時，儀器動態范圍需≥60dB）。

負載匹配：測試系統的阻抗匹配（如 50Ω）會影響信號傳輸效率，需避免反射導致的額外失真。

四、失真的抑制方法

針對不同類型的失真，可通過電路設計優化實現抑制：

線性失真：采用均衡電路補償幅度 / 相位特性（如音頻系統的音調調節電路）；

諧波失真：選用線性度更高的器件（如 A 類放大器）、引入負反饋降低非線性增益；

互調失真：限制輸入信號幅度，避免器件進入非線性區；

交越失真：在功率放大器中增加偏置電路，使晶體管在過零點時保持微導通狀態（如甲乙類放大器）。

總結

波形失真是電子系統中不可避免的現象，但其本質與影響可通過科學分析量化。線性失真與非線性失真的核心區別在于是否產生新頻率成分，而精準的測量與針對性的抑制方案，是提升系統性能的關鍵。從音頻設備到通信基站，失真控制水平直接決定了產品的品質與可靠性，因此深入理解失真特性具有重要的工程意義。