Thd n что это

Ликбез по аудиоизмерениям

Одним из самых важных показателей качества аудиосигнала является шум, и он, как правило, определяется таким параметром как отношение сигнал/шум (SNR, signal-to-noise ratio). Это отношение двух раздельно измеренных величин: высокого (максимального) уровня сигнала и уровня шума без сигнала. В аудио при измерениях обычно оперируют напряжением, поэтому,

Важно, чтобы оба значения выражались в одних и тех же единицах. Вместо амплитуд чаще применяют среднеквадратичные значения (RMS).

Например, отношение сигнал/шум ЦАПа H-DAC равно 122 дБ. Это значит, что минимальный уровень шума в 10 (122/20) или в 1,26 миллиона раз ниже уровня сигнала. Это огромное число, поэтому для удобства его выражают в децибелах.

Помимо самого уровня сигнала также важна величина нелинейных искажений (КНИ), которую имеет устройство при этом уровне. Отношение сигнал/шум можно сделать выше, поднимая величину сигнала без оглядки на величину КНИ. В таком случае из-за большого уровня сигнала получается более высокое SNR. Но при этом оно не отражает реальной ситуации. К сожалению, такое применяют в маркетинговых целях для получения «более красивых» цифр.

В ЦАПах максимальный выходной уровень сигнала обычно обозначается как 0 dBFS (дБ полной шкалы). Это другая единица измерения, и ее нельзя использовать при расчете SNR. Кроме нее необходимо знать аналоговое напряжение.

Также можно указать частоту сигнала (обычно это 1 кГц), но это не влияет на измерение.

Шум в аудио системах — это белый шум с равномерным распределением спектральной плотности мощности, т.е. мощность шума пропорциональна ширине полосы. Удвоение полосы пропускания удваивает величину шума, т.е. увеличивает его на 3 дБ. Теоретически, если бы полоса пропускания была бесконечной, то бесконечной была бы и мощность шума. Поэтому для наилучшего отношения сигнал/шум необходимо использовать как можно меньшую полосу пропускания. Как правило, это общепринятый слышимый диапазон частот 20 Гц – 20 кГц. Если полоса не указана, то можно предположить, что она именно такая.

Человеческий слух имеет неравномерную чувствительность к разным частотам сигнала. Для придания большего веса частотам, к которым человеческий слух более восприимчив, часто применяется частотное взвешивание по типу А (A-weighting). Такой подход снижает уровень шума на 2-3 дБ, что часто используется в измерениях SNR. Если взвешивание не упоминается, можно предполагать, что оно использовалось при измерениях.

В целом, когда указаны не все условия измерения, можно допустить, что были условия, обеспечивающие наилучшие показатели.

Ниже приведены несколько рисунков спектра. Первый — это спектр сигнала 6 дБВ (2 В RMS) 1 кГц. Предположим, что это максимальный уровень системы.

Второй рисунок — это только шум, и его уровень (RMS в полосе частот 20 Гц — 20 кГц) составляет -119 дБВ (к слову, это «шумовая полка» APx585).

Обратите внимание, что уровень шума не равен ~150 дБВ, как можно было бы предположить при взгляде на спектр. Видимое значение принадлежит одному очень узкому бину (интервалу между выборками) быстрого преобразования Фурье, и его значение зависит как от размера бина, так и от весовой функции окна. Это связано с масштабированием для правильного отображения дискретных уровней тонов (см. AP: FFT scaling for noise). Реальный уровень шума можно получить, скорректировав это масштабирование и интегрировав по ширине полосы измерения. Следовательно, хотя мы и видим уровень синусоидальных тонов непосредственно по вертикальной оси, на спектре мы не можем видеть реальный уровень шума.

Теперь, чтобы определить отношение сигнал/шум, необходимо взять отношение уровней 6 дБВ и -119 дБВ. В децибелах необходимо найти разность, что дает 125 дБ. Это не взвешенное значение. Если необходимо получить более «красивую» цифру, можно применить взвешивающий фильтр и получить на 2-3 дБ лучший результат.

Обратите внимание, что минимальный уровень шума на спектре без сигнала ниже, чем при наличии сигнала. Это типично для аналоговых устройств, где присутствие сигнала увеличивает уровень шума. Однако при измерении отношения сигнал/шум это не берется во внимание, так как SNR — это отношение двух отдельных измерений. Что в целом логично — вы не услышите этого шума при воспроизведении сигнала максимального уровня. Однако этот нюанс учитывается при измерении динамического диапазона.

Часто вместо SNR или вместе с ним указывается динамический диапазон. Он определяется подобным образом, за исключением того, что шум измеряется в присутствии сигнала. Измерительный прибор фильтрует сигнал с помощью узкополосного режекторного фильтра и измеряет уровень шума.

Ниже приведен спектр сигнала с амплитудой -60 дБВ (широко используемый уровень в измерениях динамического диапазона).

Здесь используется низкий уровень сигнала, чтобы он не генерировал дополнительные гармоники и не повышал тем самым уровень шума слишком сильно. Динамический диапазон должен давать (почти) такое же значение, как SNR.

Некоторые цифровые источники при отсутствии сигнала могут полностью приглушать свои выходы. В этом случае SNR будет выглядеть слишком хорошо при измерении обычным способом как отношение двух отдельных измерений. В таком случае более корректно будет измерять именно динамический диапазон.

THD+N

THD+N, или коэффициент нелинейных искажений с учётом шума, является одним из лучших параметров при оценке качества аудиоаппаратуры, особенно если приведена зависимость THD+N от уровня сигнала. Хоть название и подразумевает, что он учитывает только нелинейные (гармонические) искажения, по сути он в определенной полосе частот учитывает все, кроме самого сигнала.

THD+N может быть представлен в виде отдельного числа или графика и может быть абсолютным значением или отношением. В характеристиках аудиоустройства он обычно дается как отношение (% или дБ), но при измерениях удобно использовать абсолютное значение (дБВ или В).

Часто может использоваться только THD (коэффициент нелинейных искажений, коэффициент гармоник), который определяет величину только гармонических искажений без других компонентов искажений и шума. Компоненты гармонических искажений — это гармоники, кратные частоте сигнала. Например, тон 1 кГц имеет гармоники на 2 кГц, 3 кГц и т. д. Если эти частоты возникают в системе при подаче чистого тона 1 кГц, то это искажения.

Ниже приведен спектр тона 1 кГц 2 В RMS. На нем присутствуют компоненты гармонических искажений и шум.

При измерении уровня THD+N во внимание берется все, кроме основной гармоники – гармонические и негармонические составляющие, а также шум. Это показано на спектре ниже.

При измерении уровня THD (к примеру, до 7-й гармоники), в анализ попадают только гармонические составляющие основного тона.

Разница в спектрах выглядит существенно, но в числах это не так заметно, поскольку расчет ведется как среднеквадратическая сумма, где большие величины (а здесь это гармоники) имеют большее влияние.

Из первого спектра видно, что уровень сигнала составляет 6 дБВ (2 В RMS). Уровень THD+N нельзя считать напрямую из спектра, но в этом примере он составляет -103 дБВ. Следовательно отношение THD+N составляет -109 дБ, что может быть выражено в процентах как 0,00035 % (10 (-109/20) ·100%). Однако, если дано только само значение, об условиях измерения придется только гадать.

Что касается условий измерения, необходимо знать и понимать несколько важных моментов.

Уровень сигнала в ЦАП обычно равен максимальному выходному уровню или 0 дБ полной шкалы, и его необходимо указывать как фактическое напряжение на выходе ЦАП. Очевидно, что более высокий уровень получить невозможно, и 0 дБ полной шкалы — это максимальный уровень цифрового сигнала.

В аналоговых устройствах нет такого понятия как максимальный выходной уровень, поэтому его необходимо задать. Зачастую идут от обратного — например, для усилителя мощности принято указывать выходную мощность при определенном отношении THD+N. Усилитель может выдавать и большую мощность, но искажения будут увеличиваться. Точно так же может быть определено выходное напряжение.

Также должна быть определена частота сигнала, при котором проводятся измерения — обычно это 1 кГц.

Выше уже отмечалось, что мощность шума пропорциональна ширине полосы, в которой производится измерение. Поэтому, меньшая полоса пропускания даст наилучшеее значение THD+N. Как правило полоса ограничивается звуковым диапазоном 20 Гц – 20 кГц.

Если в характеристиках устройства встречается упоминание стандарта AES17 (содержит набор рекомендаций по измерению характеристик звукового оборудования), значит при измерении сигнал был пропущен через фильтр нижних частот.

Ширина полосы пропускания становится еще более важной, если частота сигнала при измерении значительно выше 1 кГц, так как ограничение полосы влияет и на гармоники. Например, если частота сигнала выше 10 кГц, а полоса измерения ограничена 20 кГц, то в полосу измерения гармоники не попадают, и фактически гармонические искажения не измеряются.

Зависимость THD+N от уровня сигнала

Ниже приведен график зависимости THD+N от уровня выходного сигнала (от -100 до 0 дБ полной шкалы) для ЦАПа H-DAC. Уровень THD+N измеряется в дБВ (фактически это Вольты). Зная максимальный уровень выходного сигнала (6 дБВ), по этому графику можно определить три ключевых параметра.

В левой части графика, когда уровень сигнала очень мал, уровень шума минимален. В данном случае это -113 дБВ, и, следовательно, отношение сигнал-шум составляет 119 дБ (невзвешенное).

В середине графика шум измерен при наличии сигнала средней амплитуды. Именно при таких условиях измеряется динамический диапазон (при -60 дБ полной шкалы). Для современного качественного устройства эта величина равна SNR, что наблюдается и здесь.

В правой части графика, где уровень THD+N начинает увеличиваться, над шумом начинают преобладать нелинейные искажения. При этом хорошо заметны различия между каналами. По крайним правым концам графиков можно определить отношение THD+N, которое составляет -107 дБ для левого канала и -103 дБ для правого канала. Это 0,00045 % и 0,00071 % соответственно.

Зависимость THD+N от частоты

При построении зависимости THD+N от частоты уровень сигнала берется постоянным (например, максимальным). При этом он должен быть указан, и также должна быть определена ширина полосы измерения. Такой график используется не очень часто, но может быть полезен при качественном анализе устройства.

THD+N также можно измерять по мощности, что обычно используется в усилителях мощности.

Взаимопроникновение каналов

Последний важный параметр стереофонических аудиоустройств — это взаимопроникновение каналов. Хотя в современных высококачественных устройсвах с ним редко возникают сложности.

Для измерения этой величины в один канал подают сигнал и измеряют наведенный уровень в соседнем. Это показывает величину нежелательной связи между ними. Поскольку наведенный уровень очень мал, для его выделения используется полосовой фильтр с резкой полосой пропускания, иначе сигнал, скорее всего, будет ниже уровня шума. Результат выражается в децибелах как отношение между уровнем неактивного канала и уровнем сигнала в активном канале.

При указании величины взаимопроникновения каналов необходимо указывать и частоту сигнала. Например, разделение каналов в H-DAC составляет -128 дБ на частоте 1 кГц и -112 дБ на 10 кГц. Эти значения взяты из графика ниже. Взаимопроникновение каналов обычно усиливается с ростом частоты из-за влияния паразитной емкостной связи. Также характерно наличие между графиками разных каналов.

Источники

1. Wikipedia: Signal-to-noise ratio
2. Audio Precision: Signal-to-noise Ratio (SNR), Dynamic Range, and Noise
3. Wikipedia: White noise
4. Audio Precision: FFT scaling for noise
5. Audio Precision: More about THD+N and THD
6. Audio Precision: More about Crosstalk

FAQ по Звуку

FAQ (Frequently Asked Questions) — часто задаваемые вопросы. FAQ по звуку — часто задаваемые вопросы о звуке.

Как читать этот FAQ?

Для удобства читателей, ответ на каждый вопрос разбит на три категории по степени сложности материала.

Н: Новичок — ещё многого не знает и не слишком хочет разбираться в мудрёных терминах.

П: Продвинутый — владеет основами обращения с техникой, в том числе с компьютером, и хочет всё знать.

З: Задвинутый — думает, что знает всё и любит докапываться до всяких научных и псевдонаучных мелочей. 🙂

Тем самым мы постарались избежать перекрёстных обвинений в чрезвычайной простоте при одновременной сложности изложения материала.

Что такое звук?

Н: Звук — это всё то, что мы слышим ушами.

П: Звук — это невидимые глазом волны, которые распространяются в воздухе, чаще всего из-за того, что где-то происходят колебания. С помощью нервных окончаний в нашем ухе мы их и слышим.

З: Звуковые волны — это физическое явление, происходящее в различных агрегатных состояниях вещества. При распространении имеют конечную скорость, характеризующую сжимаемость среды. Скорость распространения малых возмущений в общем случае равна: . Для адиабатических и изоэнтропических процессов , где k — показатель адиабаты. В каждом элементарном объёме при этом происходит колебание избыточного давления. Энергия звуковой волны характеризуется акустическим давлением и интенсивностью звука. Звуковым волнам присущи все волновые свойства. Это выражается, например, в возникновении явлений интерференции и дифракции при их распространении.

Что такое громкость звука?

Н: Делая громче или тише свой магнитофон или телевизор, мы изменяем громкость с помощью ручки с надписью «громкость».

П: Громкость — это кажущаяся сила звука. Для оценки громкости заумные дяди придумали специальную единицу измерения и назвали её децибел [дБ] (не путать с «децл» и «дебил»). Это — относительная величина, показывающая насколько увеличилась или уменьшилась громкость звука. Если принять за ноль еле слышимые звуки, то можно привести такую таблицу:

Громкость звука	Уровень громкости, дБ
Граница слуха	0
Шепот	20
Разговорная речь	50
Шум улицы	80
Взлёт самолёта	120

З: Кажущуюся громкость звука оценивают её уровнем: [дБ]. Согласно психо-физическому закону Вебера-Фехнера, эта величина для человека прямо пропорциональна субъективному ощущению изменения громкости. Где — интенсивность звука, — плотность, a — скорость звука. Но чаще измеряют уровень громкости через звуковое давление: . L < 0 означает ослабление звука, L >0 — его усиление.

Что такое высота звука?

Н: Высокий звук это когда поют птички: пи-пи-пи-пи-пи. Звук средней высоты это разговор людей: ла-ла-ла-ла-а. Низкий звук это когда рычит медведь: рэ-э-э-ы-ы.

П: К примеру, если дернуть за струну на гитаре, она начнет колебаться и колебать окружающий ее воздух. Чем больше число колебаний, тем выше звук. Количество этих колебаний в секунду, называют частотой и измеряют в Герцах [Гц].

З: Взглянем на график колебания во временнОй области — U(t). Наибольшее среднее значение напряжения — это амплитуда сигнала, A. Временной диапазон между двумя соседними колебаниями носит название периода (Т). Величина, обратная периоду, называется частотой: .

Что такое тембр звука?

Н: То, чем отличается в Вашем любимом сериале голос Хуаниты, от ее злобной соперницы Канчиты. П: Возьмем звук одинаковой высоты, сыгранный на двух разных музыкальных инструментах — на трубе и на фортепиано. На слух он будет отличаться по ряду характерных признаков. Их совокупность называется тембром. Давайте вспомним наши ощущения при вращении ручки «громкость» на аудио аппаратуре. С изменением громкости субъективно меняется тембр. На советской аппаратуре была кнопка «тон корректор». Она выправляла ощущение громкости звуков разной частоты, в соответствии с психо-физическими особенностями восприятия. В жизни мы часто сталкиваемся с понятием регулятор тембра, в том числе эквалайзер. Этот термин имеет немного другой смысл. Регулятор тембра и эквалайзер раздельно регулируют громкость различных частотных составляющих звука. З: Рассмотрим фрагменты графиков записей двух музыкальных инструментов — трубы и фортепиано:

Они были получены перезаписью через кодек ноты ля первой октавы в WAV редакторе. Воспроизведением занималась звуковая карта SoundBlaster Live! со стандартным 8 МБ банком памяти (GM-инструмент №56 Trumpet и GM-инструмент №0 Acoustic Grand Piano). Период основного колебания характеризует высоту звука, а вид определяет тембральную окраску.

Какой путь проходит звук?

Н: Сначала Ваш любимый «певун» завывает на звукозаписывающей студии в микрофон. Потом, этот звук обрабатывается и записывается на компакт-диск. Купив этот компакт в киоске и поставив запись в свой любимый пузатый «бумбоксик», Вы слушаете то, что осталось от музыки (если она там, конечно, была). П: При помощи микрофона звуковые волны преобразуются в электрический сигнал. Либо звуки синтезируются модуляцией напряжением или током на электромузыкальных инструментах. А также в компьютерах, сразу же получаясь в цифровом виде (семплерные технологии). Этот сигнал проходит через ряд устройств (компрессор, лимитер, эквалайзер, ревербератор), как железных, так и виртуальных. Впоследствии все оцифрованные звуки в современной студии суммируются («сводятся») в один звуковой файл, который подготавливается и записывается на CD-DA. При проигрывании на бытовом Hi-Fi CD-плеере цифровой сигнал преобразуется в аналоговый ЦАП-ом (цифро-аналоговым преобразователем) и, после усиления, подаётся на акустические системы. Последние преобразуют электрический сигнал обратно в звуковые колебания. Заумные весь этот путь называют звуковым трактом. Не исключено, что пройдя через все эти составляющие, качество звука, получаемого в конечном итоге, будет значительно отличаться от первоначального (по крайней мере, не улучшится). В какой мере — зависит от качества абсолютно всех звеньев этой цепи. К примеру, при покупке колонок мы отдаем предпочтение той системе, которая звучит «чище», определяя это «на слух». Заумные придумали некоторые стандартные показатели для измерения степени ухудшения звука (АЧХ, SNR, THD, и т.д.). Но никакие мудреные интегральные показатели не могут служить основанием для заочного суждения о «звучании» какого либо устройства. З: В компьютере располагаются обрабатывающая и воспроизводящая часть звукового тракта. Самым качественным форматом кодирования звуковых данных на сегодня в общем случае является PCM (pulse code modulation — импульсно кодовая модуляция). Чаще всего этот формат на PC хранят в файлах с расширением wav. Но само по себе расширение wav не является гарантией PCM, это может быть и файл с данными в формате MPEG Layer 3 (в просторечье «MP3»).

Что такое Амплитудно-частотная Характеристика (АЧХ)?

Н: Это одни из загадочных циферок (к примеру, 20-20000), которые Вы видите на последней странице в руководстве пользователя. Не обращайте на них особого внимания. 🙂 П: При рассмотрении АЧХ обратите особое внимание не на нижнюю и верхнюю границы воспроизводимых частот, а на величину неравномерности. Большая величина неравномерности приводит сильному к искажению тембра звучания. Если приведён график, то в первую очередь важно, что бы он был как можно ровней без резких взлетов и провалов. На высоких частотах в провалах звук будет тусклым, не ясным, в подъемах — присутствие раздражающих неприятных шипящих и свистящих призвуков. На низких частотах в провалах звук теряет «насыщенность», а в подъемах возникает ощущение «бубнящего» звучания и «гудения». В высококачественных звуковых системах неравномерность АЧХ в рабочем диапазоне частот составляет не более +1..-1 дБ. Для компьютерных колонок +10..-10 дБ — вполне приемлемые цифры. З: Рассмотрим типичную АЧХ дешевой пластмассовой колонки (по оси абсцисс в логарифмическом масштабе отложена частота, по оси ординат — относительная амплитуда):

По нему ясно, что акустическая система имеет наименьшие искажения в полосе частот от 100 до 10 000 Гц. Человеческая речь имеет диапазон от 80 до 10 000 Гц, а, к примеру, диапазон симфонического оркестра от 30 до 20 000 Гц. Отсюда видно, что данная акустическая система пригодна в лучшем случае для прослушивания человеческой речи. Разумеется, это не говорит о том, что музыку, исполняемую симфоническим оркестром, нельзя будет слушать на данной системе. Просто такое звучание будет ненатуральным. Так как амплитуда сигнала, измеренная в логарифмах, величина относительная, цифру 0 по оси амплитуды можно поставить где угодно. К примеру, в -80 дБ (по отношению к 0 на данном графике). Потом можно гордо писать в паспорте, что акустика имеет диапазон воспроизводимых частот 20-20000 Гц — и это действительно так. Только вот неравномерность +90 дБ будет очень трудно объяснить, поэтому неравномерность в таких случаях просто не указывается!

Что такое THD?

Н: Страшная аббревиатура, которой Вас хотят запутать. Но не пугайтесь, это всего лишь цифры. И если Вы действительно не испугались, наслаждайтесь звуком (или тем, что от него осталось при указанных в паспорте THD). П: Это оценка нелинейных искажений. THD — это довольно осредненный показатель, который не определяет однозначно качество звучания, т.е. аппаратура даже с одним и тем же значением THD может звучать по-разному. Аббревиатура Hi-Fi (высокая верность) подразумевает: чем меньше искажений, тем лучше звучание. Требования по THD в Hi-Fi системах: не более 1,5% (на частоте 1000 Гц). З: Это некий интегральный показатель, который характеризует нелинейные искажения для данной системы. Для акустических систем характерно применение фильтра для измеряемого сигнала, при подачи тестового сигнала (обычно синусоида частотой 1 кГц), с целью измерения всех дополнительных гармоник, возникающих из-за нелинейности системы. Обычно измеряют мощность второй и третьей гармоник, как вносящих наиболее существенный вклад. Для перевода из процентов в децибелы используют следующую формулу:

X [дБ] = 20 log (X [%] / 100)

Что такое шумы (SNR)?

Н: Шумы — это когда пш-ш-ш-ш-ш, и это плохо. Чем меньше пш-ш-ш-ш-ш, тем лучше. П: Шумы можно представить как некий случайный звуковой сигнал малой громкости, который примешан к основному (изначальному) сигналу.

Отношение сигнал/шум (SNR) показывает превышение уровня сигнала над уровнем шума. Шумы можно также разложить по частотам. В области средних частот шумы наиболее заметны на слух. Наименее неприятен шум, равномерно распределенный по всем частотам (белый шум). Человек имеет от природы способность отфильтровывать сигнал от шумов, поэтому шумы не так неприятны для восприятия, как искажения (см. THD). Отношение сигнал/шум (SNR) измеряется в дБ. З: Для показателя SNR можно привести следующую ориентировочную табличку:

10-20 дБ	Абонентская радиоточка, телефон
20-50 дБ	Колоночки для плеера
50-60 дБ	Переносные радиоприёмники, 8 битные звуковые карты
60-80 дБ	Hi-Fi аппаратура
80-100 дБ	Студийная и Hi-End аппаратура

Существует некоторое разночтение в понятии сигнал/шум. Фирмы производители любят указывать вместо SNR немного другой показатель, а именно — уровень шумов при отсутствии сигнала (Zero Signal Noise). Чем плохо такое измерение? А тем, что производителям достаточно легко реализовать внутри аппаратуры так называемый «гейт». Скажем, при уровне входного сигнала -80 дБ сработает выключатель, и уровень шумов падает до фантастических величин, на гране реальности. Отсюда все заявления о 96-97 дБ SNR в дешевой аппаратуре. На поверку, при подаче сигнала с небольшим уровнем, эти характеристики резко падают, становясь хуже на 20 дБ (а то и все 30!).

Коэффициент Нелинейных Искажений + Шум (THD+N)

Н: Чем больше THD+N, тем хуже качество в общем случае. П: Этот показатель объединяет два предыдущих и существует для одновременной оценки уровня шумов и коэффициента нелинейных искажений. З: THD+N — это более удачный показатель для цифровой аппаратуры, так как не позволяет выбрать наилучший уровень сигнала для SNR и для THD по отдельности.

Мощность

Н: Мощность — это не громкость. П: Указанное производителем значение мощности не имеет особого практического смысла при выборе аппаратуры в магазине. Если Вы до конца не представляете, что она обозначает, не смотрите на мощность вовсе. Например, про акустическую систему можно сказать: ее мощность равна 10 Вт. Или: ее мощность равна 1000 Вт. Оба значения будут правильными. В первом случае мощность может быть указана «в RMS», а во втором «в PMPO». Поэтому не надо воспринимать близко к сердцу значение мощности, указанное в PMPO. Если попытаться хоть как-то сравнить два устройства по их мощностным характеристикам, то особое внимание следует обратить на уровень искажений (THD) при измерении мощности. Например, набор колонок 300 Вт RMS при 10% THD будет менее предпочтителен и, с очень большой вероятностью, будет звучать много хуже, чем колонки мощностью всего лишь 50 Вт RMS при 0,1% THD. З: Подробнее см. статью «Особенности стандартов, описывающих мощность в звукотехнике».

Динамический диапазон (DR)

Н: Разница между самым тихим и самым громким звуками. П: Для аудио аппаратуры это запас по динамике звука между порогом из шумов и началом перегрузки акустических систем и усилителя. Для уменьшения динамического диапазона и облегчения воспроизведения музыки и речи на дешевой аппаратуре, применяют так называемую компрессию звука (не путать со сжатием размера звукового файла). Таким образом, поп и рок музыка звучит довольно сносно даже на дешевой бытовой аппаратуре и компьютерных колоночках, т.к. динамический диапазон подобных записей очень «узкий» — не больше 10-15 дБ. Для классики значение динамического диапазона значительно «шире» — около 50 дБ. Соответственно, требования ко всему звуковому тракту для «серьёзной музыки» гораздо выше. З: Для цифровой аппаратуры — это максимальный SNR, где шумами считаются шумы квантования в теории и порог из цифровых шумов дизеринга и субгармонических искажений (noise floor + harmonic distortion) на практике. Для акустической системы — это чувствительность, [дБ/Вт*м]. Для усилителей — это, если грубо, линейная часть кривой усиления.

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ, THD), коэффициент гармонических искажений (КГИ, Kг, THDr) – различные подходы к определению

19.01.2012 08:48 |

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ, THD)

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) или Total Harmonic Distorsions (THD) – показатель, характеризующий степень отличия формы сигнала от синусоидальной, так же можно сказать это – величина для количественной оценки нелинейных искажений периодического сигнала.

The total harmonic distortion, or THD, of a signal is a measurement of the harmonic distortion present and is defined as the ratio of the RMS of all high harmonic components to the RMS of the fundamental frequency harmonica.

Коэффициент безразмерный, но обычно умножается на 100% для получения значения в %.

Важное замечание:
В силовой электротехнике рассматриваются термины характеризующие нелинейность одного конкретного сигнала (например только сигнала выходного тока). Термины характеризующие нелинейность устройства (усилителя, и т.д.) и включающие в расчёт как входной так и выходной сигналы устройства не используются.

Коэффициент нелинейных искажений сигнала (КНИ, Kн, THD, THDf) – величина, выражающая степень нелинейных искажений сигнала, равна отношению среднеквадратичного значения всех высших гармоник сигнала к напряжению первой гармоники:

Это определение соответствует международному определению КНИ / THD для силовой электротехники и используется в большинстве анализаторов сети, например, HIOKI3197 (и др. оборудовании измеряющим КНИ), указывается в паспортных данных большинства электротехнического оборудования. Данный термин указывается в паспортных данных оборудования N-Power. Данная формула является основной (соответствует ГОСТ и EN 62040-3) , а все другие приведенные в данной статье являются упрощенными и приведены для справки.

1. Первая гармоника также называется основной или фундаментальной, для обычной сети – это гармоника 50Гц.
2. В паспортных значениях ИБП, стабилизаторов, и др. оборудования обычно указывается этот параметр.
3. Оборудование измеряющее КНИ / THD (стабилизаторы, ИБП, анализаторы сети и др.), обычно используют этот параметр.
4. КНИ используется в основном для измерения искажений формы входного или выходного тока и обозначается как: Current THD, THDI, токовый КНИ. Также параметр используется для характеристики сигнала напряжения, в этом случае он обозначается: THDU, КНИ напряжения.
5. Во многих учебниках эта величина также может называться КГИ (RHD, Residual Harmonic Distortion) например [4,5,9,10] – см. дополнение ниже.

Так же в электротехнике используется следующий термин (например Анализаторы сети могут измерять эту величину):

Коэффициент гармонических искажений (КГИ, Kг, THDr) – величина для количественной оценки нелинейных искажений, равная отношению среднеквадратичного значения всех высших гармоник сигнала, к среднеквадратичному значению спектральных компонентов всего сигнала кроме постоянной составляющей:

1. Нулевая гармоника называется также постоянной составляющей.
2. Во многих учебниках эта величина также может называться КНИ(THD) например [4,5,9,10] –см. дополнение ниже.
3. При незначительных величинах гармонического состава значения THDr и THDf близки.

Соотношения связывающие обе величины:

1. КНИ (THDf) также называется КНИ приведённым к величине СКЗ фундаментальной гармоники.
2. КГИ (THDr) также называется КНИ приведённым к величине СКЗ полного сигнала.
3. ГОСТ 13109-97 [12] не использует термин КНИ, но если считать что при вычислении значения коэффициента искажения синусоидальности кривой именно его рассчётная формула приведена первой [12, Б3.3.2], то терминология приведённая выше соответствует ГОСТ 13109-97.

Современные международные обозначения КНИ (THD)

Приведённые ниже термины повторяют уже рассмотренные в данной статье определения.

1) THDf is the Total Distortion compared to the RMS value of the fundamental frequency value.

THDf is the ratio of the sum of the powers of all harmonic frequency components (except for the fundamental RMS1) to the power of the fundamental frequency component and is calculated as follows:

Remarks:
Total RMS = RMS value of all waveform points (full waveform periods)
RMS0 = RMS value of DC component
RMS1 = RMS value of the fundamental frequency component

Remarks:
Real_i = Real part of the frequency component i
Imag_i = Imaginary part of the frequency component i

2) THDr is the Total Distortion compared to the RMS value of the total waveform.

THDr is the ratio of the sum of the powers of all harmonic frequency components (except for the fundamental RMS1) to the power of all harmonic frequency components and is calculated as follows:

Remarks:
Total RMS = RMS value of all waveform points (full waveform periods)
RMS0 = RMS value of DC component
RMS1 = RMS value of the fundamental frequency component

Remarks:
Real_i = Real part of the frequency component i
Imag_i = Imaginary part of the frequency component i

Прочие определения КНИ (THD), встречающиеся в технической литературе

Существуют другие определения КНИ (THD), например, приведённые ниже. Однако, в силовой электротехнике они не используются.

1) THD:

2) THD+N – общие искажения плюс шум:

Перечень терминов и определений, применяемых ранее в русскоязычных учебниках по радиоэлектронике и электротехнике

Во избежании путаницы ниже представлена терминология, использовавшаяся в русскоязычных учебниках по радиоэлектронике и электротехнике.

Эти термины могут использоваться в настоящее время в радиотехнике, но в силовой электротехнике во избежании путаницы рекомендовано применение международных терминов (см. выше).

В русскоязычной литературе ранее были приняты обозначения и термины:

1) Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) или коэффициент искажений или коэффициент гармонических искажений сигнала, равный отношению действующего значениия основной(первой) гармоники к действующему значению всего сигнала (всей функции):

d = Кни = КНИ = A1 / A=I1 / I

d=1 – для синусоидального сигналов
d=~0.99 – для треугольного сигнала
d=0.9 – для прямоугольного сигнала

Положим, что напряжение синусоидально, а ток несинусоидален. В этом случае активная мощность определяется мощностью первой гармоники:

При этом действующее значение тока:

Множитель k_и называется коэффициентом искажения:

Русский термин «коэффициент искажения» эквивалентен зарубежному термину «искаженный коэффициент мощности». Его можно выразить также через THD как показано ниже:

Формула является правильной, но как в отечественной, так и зарубежной литературе, эти термины в силовой электротехнике не используются (или применяются редко). Эту формулу можно получить поставив определение КНИ в формулу определяющую «искажённый коэфф мощности»:

2) Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) – величина для количественной оценки нелинейных искажений, равная отношению среднеквадратичной суммы всех высших спектральных компонентов сигнала, к среднеквадратичной сумме спектральных компонентов всего сигнала (кроме постоянной составляющей), иногда используется нестандартизованный синоним – клирфактор (заимств. с нем.). КНИ – безразмерная величина, выражается обычно в процентах.

Коэффициент гармонических искажений – величина, выражающая степень нелинейных искажений устройства (усилителя и др.), равная отношению среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала к напряжению первой гармоники при воздействии на вход устройства синусоидального сигнала.

Коэффициент гармоник (КГ) так же как и КНИ выражается в процентах. Коэффициент гармоник (KГ) связан с КНИ (K Н ) соотношением:

Важное замечание:
Следует признать, что данная терминология долгое время являлась «правильной» для русскоязычной, немецкоязычной литературы, так же именно эти определения продолжают использоваться в некоторых анализаторах сети [10], но в связи с преобладанием обратной терминологии в большинстве современного оборудования (анализаторы сети, ИБП, стабилизаторы, корректоры коэффициента мощности и др.) рекомендуется применение терминов приведенных в самом начале.

Данную терминологию нельзя признать неправильной, но данные и технические характеристики оборудования N-Power указываются в соответствии с европейской и международной терминологией, поэтому рекомендуется применение терминов приведённых в самом начале.

Российский стандарт. Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) и качество сетевого электропитания (ГОСТ 13109-97)

Ниже представлены выдержки из ГОСТ 13109-97:

Вычисляют значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения Кт в процентах как результат i-го наблюдения по формуле:

где U(1)i — действующее значение междуфазного (фазного) напряжения основной частоты для i-го наблюдения, В, кВ.

При определении данного показателя КЭ допускается:

1) не учитывать гармонические составляющие, значения которых менее 0,1 %;
2) вычислять данный показатель КЭ по формуле

Примечание:
Относительная погрешность определения КUi с использованием формулы (Б.16) вместо формулы (Б.15) численно равна значению отклонения напряжения U(1)i от Uном.

Формула приведенная в данном ГОСТе первой (Б.15) соответствует международному определению термина КНИ / THD (см. начало статьи, см. стандарт EN 62040-3).

Европейский стандарт качества сетевого электропитания (EN 62040-3), и коэффициент нелинейных искажений тока

Коэффициент нелинейных искажений по току в % идентичен базовому определению КНИ, определенному в стандарте EN 62040-3 и рассчитывается как процентное отношение среднеквадратичных значений высших гармоник к базовой (первой) гармоники. См. прилагаемую формулу.

[1] Ф.Е.Евдокимов. Теоретические основы электротехники М., Академия 2004 cтр. 262

[2] Г.И. Атабеков. Основы Теории Цепей с.176, стр. 434

[3] Анализатор сети Fluke 435. Руководство пользователя

[4] Справочник по радиоэлектронным устройствам. В 2-х т. Под ред. Д. П. Линде – М.: Энергия, 1978

[5] Горохов П. К. Толковый словарь по радиоэлектронике. Основные термины – М: Рус. яз., 1993

[6] Коэффициент нелинейных искажений: http://ru.wikipedia.org/

[7] Total Harmonic Distortion: http://en.wikipedia.org/wiki/Total_harmonic_distortion

[8] Total Harmonic Distortion: http://de.wikipedia.org/wiki/THDi http://de.wikipedia.org/wiki/Total_Harmonic_Distortion

[9] П.Шпритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике 3.1.1. Москва Мир 1991

[10] Анализатор сети DMK62 Lovato. Руководство пользователя:
http://www.lovatoelectric.com/RICERCA/ITALIANO/03_ISTRUZIONI/I104IGBFE04_08.PDF

[11] ГОСТ 8.331-99 ГСИ. Измерители коэффициента гармоник. Методы и средства поверки и калибровки.
ГОСТ 8.110-97 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерения коэффициента гармоник

[13] Анализатор сети HIOKI3197. Руководство пользователя

Современные международные обозначения КНИ(THD)
Приведённые ниже термины повторяют определения приведённые выше.
I

Дополнение1
Замечание: существуют другие определения КНИ(THD) например приведённые ниже но в силовой электротехнике они не используются:
I THD

II THD+N
THD+N обозначает общие искажения плюс шум.

Дополнение2
Внимание!
Во избежании путаницы ниже приведены термины ранее использовавшиеся в русскоязычных учебниках по радио/электротехнике.
Эти термины могут использоваться в настоящее время в радиотехнике но в силовой электротехнике во избежании путаницы рекомендовано применение международных терминов приведённых выше.
В русскоязычной литературе ранее были приняты обозначения и термины:
I
Коэффицие́нт нелине́йных искаже́ний (КНИ)
или Коэффициент искажения(ий)
или Коэффициент гармонических искажений сигнала
равен отношению действующего значениия основной(первой) гармоники к действующему значению всего сигнала (всей функции).
d=Кни=КНИ=A1/A=I1/I
Для синусоиды d=1, для треугольного сигнала d~=0,99, для прямоуг. сигнала d=0,9.
Дополнительная информация:

II
Коэффицие́нт нелине́йных искаже́ний (КНИ) — величина для количественной оценки нелинейных искажений, равная отношению среднеквадратичной суммы всех высших спектральных компонентов сигнала, к среднеквадратичной сумме спектральных компонентов всего сигнала (кроме постоянной составляющей), иногда используется нестандартизованный синоним — клирфактор (заимств. с нем.). КНИ — безразмерная величина, выражается обычно в процентах.

Коэффициент гармонических искажений — величина, выражающая степень нелинейных искажений устройства (усилителя и др.), равная отношению среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала к напряжению первой гармоники при воздействии на вход устройства синусоидального сигнала.

Коэффициент гармоник так же как и КНИ выражается в процентах. Коэффициент гармоник (KГ) связан с КНИ (KН) соотношением :

Замечание 1: следует признать что данная терминология долгое время являлась «правильной» для русскоязычной, немецкоязычной литературы, так же именно эти определения продолжают использоваться в некоторых анализаторах сети [10], но в связи с преобладанием обратной терминологии в большинстве современного оборудования (анализаторы сети, ИБП, стабилизаторы, корректоры коэфф. мощности и др.) рекомендуется применение терминов приведённых в самом начале.
Эту терминологию нельзя признать неправильной, но данные и технические характеристики оборудования N-Power указываются в соответствии с европейской и международной терминологией, поэтому рекомендуется применение терминов приведённых в самом начале.

Дополнение 3
Выдержки из ГОСТ 13109-97:

Из приведённых в ГОСТ определений видно что вторая формула соответствует определению КНИ (несмотря на то что термин КНИ вообоще отсутствует).

[1] Ф.Е.Евдокимов Теоретические основы электротехники М., Академия 2004 c.262.
[2] Г.И. Атабеков Основы Теории Цепей с.176, 434с.
[3] Анализатор сети Fluke 435 Руководство пользователя
[4] Справочник по радиоэлектронным устройствам: В 2-х т.; Под ред. Д. П. Линде — М.: Энергия, 1978
[5] Горохов П. К. Толковый словарь по радиоэлектронике. Основные термины — М: Рус. яз., 1993
[6] http://ru.wikipedia.org/ Коэффициент нелинейных искажений
[7] http://en.wikipedia.org/wiki/Total_harmonic_distortion
[8] http://de.wikipedia.org/wiki/THDi http://de.wikipedia.org/wiki/Total_Harmonic_Distortion
[9] П.Шпритек Справочное руководство по звуковой схемотехнике 3.1.1, Москва Мир 1991
[10] Анализатор сети DMK62 Lovato Руководство пользователя.
http://www.lovatoelectric.com/RICERCA/ITALIANO/03_ISTRUZIONI/I104IGBFE04_08.PDF
[11] ГОСТ 8.331-99 ГСИ. Измерители коэффициента гармоник. Методы и средства поверки и калибровки
ГОСТ 8.110-97 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерения коэффициента гармоник
[12] ГОСТ 13109-97
[13] Анализатор сети HIOKI3197 Руководство пользователя

С замечаниями по содержанию этого раздела просьба обращаться: .

Александр.
SIEL подвердил что все правильно с THD
Можно целиком текст ниже в статью включить+этот стандарт тоже.
Даниил А.
________________________________________
From: Mazza Angelo [mailto: ]
Sent: Wednesday, December 21, 2011 7:33 PM
To: Daniil A.
Cc: ‘Олег Сергеев’; Matoshi Gladiola; Pensini Glauco
Subject: R: SafePower Evo input THD //l2
Dear Mr. Daniil,
the value THDI%, indicated in the manual, is the definition of Total Harmonic Distortion and is exactly equal to the definition expressed by UPS Statement of EN 62040-3, which defines it as the percentage ratio of the rms value of the harmonic content and the rms value of the fundamental component (first harmonic) which expressed by the following relationship:

The values I1, I2, I3, ect….are rms values.

Thd n что это

Total harmonic distortion plus noise (THD+N) is a measure of the unintended harmonics and noise in the output signal of an audio device. It’s measured as the ratio of energy from the harmonics and noise relative to the energy from an input signal. Modern audio devices, such as audio interfaces, have relatively low levels of THD+N. Nevertheless, lower is better when comparing THD+N specifications, and in order to make like-for-like comparisons, it’s important to know the parameters used in making the THD+N measurements.

• What is harmonic distortion and what are its effects?
• How harmonic distortion is measured in audio systems (THD+N)
• Example audio interface THD+N specifications
• The acceptable range of THD+N in audio interfaces
• Conclusion
• FAQs

What is harmonic distortion and what are its effects?

Electronic devices used in audio production systems modify input signals in various ways—that’s exactly what we want them to do. Unfortunately, there are unwanted side effects that can alter the output signals in undesired ways, and this is referred to as distortion.

Harmonic distortion

Harmonic distortion occurs when unwanted harmonics of the input signal develop at the output. A signal’s harmonics are integer (i.e., whole number) multiples of the frequency of the input signal.

One way to understand harmonic distortion is in terms of non-linearities.

In a linear electronic system, the input signal is faithfully reproduced at the output, i.e., the output signal waveform is identical to the input waveform. Non-linearities, however, introduce deviations in the output waveform.

Harmonic distortion is an example of unwanted non-linear outputs for a given input signal.

You can see what harmonic distortion looks like by measuring the amplitude of output frequencies relative to input frequencies—harmonic distortion results in positive amplitudes at one or more output frequencies that are multiples of the input frequency, as shown below:

Intermodulation distortion

If we’re testing for harmonic distortion, it’s common practice to use a simple and well-defined input signal, such as a 1 kHz pure sine wave. Harmonic distortion shows up as output signals with (noticeable) amplitudes at the harmonics of this sine wave, eg. 3 kHz, 5 kHz, etc.

• Harmonics of the 1 kHz signal, e.g., 3 kHz and 5 kHz
• Harmonics of the 4 kHz signal, e.g., 8 kHz and 12 kHz
• Harmonics of the “interaction” between these two signals, i.e., the sum and differences of the frequencies of the input signals and their harmonics—this is referred to as intermodulation distortion

So, inputting two or more signals can add to the possible harmonic distortion at the output, not only due to the input signals themselves but also due to their interactions.

Most input signals in an audio production environment are a mixture of several frequencies at different levels of amplitude (loudness), so the possible harmonic distortion for audio signals can be quite complex due to intermodulation distortion.

This is one of the reasons why harmonic distortion in audio systems can be more challenging than in other systems, such as electrical power systems, that typically operate at a single frequency.

Intermodulation distortion is shown below:

How harmonic distortion is generated

We’ve already seen how we can think of harmonics as being a result of non-linearities in electronic systems. But, why do harmonics develop in electronic systems at all?

As it happens, these non-linearities arise due to the inherent properties of certain electronic components that make up the devices found in electronic systems.

All electronic components produce noise, but some components generate non-linear disturbances that lead to harmonic distortion. This is particularly true for electronic transducers that convert one form of energy to another, e.g., converting movement in a microphone diaphragm into electrical signals.

Active electronic components, such as the FET or MOSFET transistors found in amplifiers, also generate non-linearities. This is because they don’t amplify all points of an input signal equally. This leads to an unequal, or non-linear, reproduction at the output signal.

The type of amplifier configuration—class A, class AB, or class B, for instance—also affects the degree of non-linearity in amplifier output signals.

In audio production, electronic devices such as audio interfaces contain several components that lead to non-linearities in the signal path between input and output—all of these combine to produce varying degrees of harmonic distortion.

The effects of harmonic distortion in audio

Audio systems typically produce sounds that humans can hear and interpret. This means that the output of an audio system is heard in a subjective way, and may be perceived differently by different people.

While harmonic distortion is generally undesirable in systems such as electrical power networks, as it can lead to inefficiencies and damage, it is sometimes desirable in audio systems.

Harmonic distortion changes the character and timbre of a sound (the input signal) and can create richer and more charismatic tones at the output.

Classic examples of using distortion are the characteristic sounds of 1950s electric guitar by musicians such as Chuck Berry and Jimi Hendrix.

But while distortion has a role to play in audio production from an artistic perspective, it’s highly subjective and needs to be carefully managed. When distortion is the desired outcome of audio production, it’s intentionally added through effects processing or by using amplifiers.

More generally, the goal of audio production devices is to keep harmonic distortion to a minimum as it can detract from the quality and character of the output sound.

Audio interfaces are no exception, and the best interfaces are designed to keep levels of harmonic distortion as low as possible.

In a well-designed audio production system, therefore, harmonic distortion should only be added when intended, and not through the unwanted effects of various devices in the system.

How harmonic distortion is measured in audio systems (THD+N)

Two of the most widely used methods for measuring harmonic distortion in audio systems are Total Harmonic Distortion (THD) and Total Harmonic Distortion plus Noise (THD+N).

While the concepts underlying these are similar, in practice THD+N is easier to measure than THD.

THD+N is also a more useful measure than the total harmonic distortion calculation for audio applications, as it captures additional sources of noise other than harmonic distortion (such as hum, interference, and white noise). As a result, THD+N (rather than THD) is often quoted in the specifications for audio devices such as audio interfaces and amplifiers.

THD vs THD+N

THD is a measure of the energy of all of the harmonics (or a selected few) generated by a system relative to the input signal.

THD+N, on the other hand, is a measure of the energy of all of the harmonics and all of the noise generated by a system relative to the input signal. THD+N values are almost always higher than THD values, as it includes noise in its calculation in addition to harmonics.

To measure THD, the input signal and its harmonics need to be separately identified and included in the calculation. This involves a series of measurements—one at each harmonic of the input signal—to ensure that other sources of noise are not included in the calculation.

In contrast, calculating THD+N involves only two measurements—the total energy of the output signal, and the energy at the input frequency—the THD+N is simply based on the difference between these two, ie. “everything that’s left after removing the input signal”.

As THD+N uses a simpler approach in its calculation, it’s much easier to measure in practice compared to THD.

As mentioned, THD+N is also more commonly used for audio device specifications.

Some audio devices, however, particularly electro-acoustic devices such as loudspeakers and microphones, tend to use THD rather than THD+N. This is due to the relatively high levels of ambient noise that may be present when making acoustic measurements for these devices.

For audio devices that aren’t electro-acoustic in nature, such as amplifiers and audio interfaces, THD+N is the preferred measure—ambient noise is less of an issue for these devices. Rather, the levels of electronic (and magnetic) noise produced by these devices are important for understanding their fidelity.

Let’s take a closer look at calculating THD+N.

How to calculate THD+N

1. Apply a pure sine wave with a well-defined frequency, say 1 kHz, as the input signal to the device
2. Measure the energy of the total output signal of the device—energy is usually measured using root-mean-square (RMS) calculations
3. Measure the energy of the input frequency (e.g., 1 kHz) at the output—the input frequency can be isolated at the output by using suitable frequency filters
4. Find the difference in the energies of the input frequency and the total output signal—this represents the energy of all the harmonics and noise in the system, excluding the input frequency
5. Compare the energies measured in steps 3 and 4, i.e., the energy of all the harmonics and noise in the system compared with the energy of the input frequency—this comparison is often specified in percentage terms (%)

The formula below illustrates what the THD+N calculation represents:

• v_H1 to v_Hn are the 1 st to n th harmonics of the input frequency, and √( v_H1 2 + v_H2 2 + … + v_Hn 2 ) is the total energy (RMS) of the harmonics
• Noise is the energy (RMS) of the total noise at the output in addition to the harmonics
• v_I is the energy (RMS) of the input frequency

Keep in mind that the above formula is only a representation of the THD+N measurement process—the actual process doesn’t require measuring each individual harmonic separately.

Rather, as outlined above, only the total energy at the output and the energy of the input frequency need to be measured (the THD+N calculation is derived from these measurements).

Sine waves are a good choice of input signal for measuring THD+N as they have all of their energy concentrated at a single frequency (e.g., 1 kHz). This makes it easy to isolate the input frequency and to know what frequencies the harmonics will be at.

THD+N specifications

As mentioned, THD+N specifications for audio devices are often expressed as a percentage.

A THD+N figure of 0.01%, for instance, means that the energy of all the harmonics and noise (at the output) is 0.01% of the energy of the input frequency (at the output).

But, there’s more that goes into a proper specification of THD+N.

From the measurement process outlined earlier, we know that there are a number of elements to calculating THD+N. For a THD+N specification to be meaningful, therefore, the parameters used in the measurement process should be stated.

• The frequency of the input signal
• The level (amplitude) of the input signal
• The measurement bandwidth
• The gain applied

Let’s look at a couple of real-world examples to see how THD+N specifications work in practice.

Example audio interface THD+N specifications

• The Solid State Logic SSL 2 plus—a budget-friendly USB audio interface from an acclaimed manufacturer of analog and digital mixing consoles
• PreSonus Studio 24c—a popular and affordable audio interface that’s a favorite among home studios

The THD-N specifications provided in the user manuals for these two audio interfaces are shown below.

THD+N specifications for two popular audio interfaces (line inputs only)

THD+N specifications are provided for a range of inputs and outputs in audio interfaces—line inputs, instrument inputs, microphone inputs, and monitor outputs, amongst others—for the purposes of illustration, however, only the line input specifications are shown above.

The THD+N specifications for both interfaces are quoted as percentages—these indicate the relative size of the energy of the harmonics and noise at the output compared to the energy of the input frequency.

While both interfaces follow good practice in providing parameters of the test conditions, each is missing a parameter—the gain is missing for the SSL 2+ and the bandwidth is missing for the 24c.

The SSL 2+ offers some extra information, though, as it provides two specifications—one with an input level of -8 dBFS and another at -1 dBFS. The THD+N is different for these two levels, being lower for the smaller input level (

These results are not surprising—harmonic distortion is known to increase with larger signal levels in many systems, particularly as the signal level approaches its maximum. At -1 dBFS, the input signal is 1 dB below its maximum, resulting in more harmonic distortion (THD+N of 0.005%) relative to when the signal is 8 dB below its maximum (THD+N of 0.0015% at -8 dBFS).

Only the SSL 2+ provides a measurement bandwidth. Although not provided for the Studio 24c, it’s likely that the measurement bandwidth is similar, i.e., 20 Hz to 20 kHz. This is quite typical of THD+N measurement for audio interfaces.

Some audio interfaces, however, include a much wider bandwidth, e.g., 20 Hz to 80 kHz.

Why is this necessary? After all, the range of human hearing is only around 20 Hz to 20 kHz.

The reason is that when the measurement bandwidth is limited to 20 kHz, any harmonics of higher frequencies aren’t captured. The third harmonic of 10 kHz, for instance, is 30 kHz, and the second harmonic of 12 kHz is 24 kHz.

In practice, however, lower-frequency harmonics tend to have more energy than higher-frequency harmonics.

What’s more, human hearing is less sensitive to frequencies outside of a range of 1 kHz to 8 kHz (this is the principle underlying A-weighted dB measurements.

So, a measurement bandwidth of 20 Hz to 20 kHz is considered acceptable for most situations.

Finally, the gain applied to the input signal hasn’t been specified for the SSL 2+ and was applied at a “minimum” for the Studio 24c.

So, while it seems a little confusing at first, the specification parameters for THD+N measurements are important for making like-for-like comparisons between audio interfaces.

Without the full range of parameters, it’s hard to know whether one interface’s THD+N measures are actually better or worse than another’s.

The acceptable range of THD+N in audio interfaces

Having seen a couple of examples of THD+N measurements, a natural question to ask is: What’s an acceptable range for THD+N specifications?

Before looking at an answer to this question, there are three points worth noting about harmonic distortion and THD+N measurements in audio devices:

1. THD+N specifications are limited in scope

THD+N specifications are based on specific measurement parameters that may not translate to real-world usage—the THD+N value for a pure sine wave at 1 kHz, for instance, grossly understates the possible range of frequencies and complex harmonics that may be generated by a piece of music. Also, different types of musical sounds may have quite different harmonics.

2. THD+N specifications can be quite different when using different measurement parameters

We saw an example of this with the SSL 2+ specifications—the THD+N specification varied considerably depending on the level of the input signal applied. So, it’s important to make comparisons based on like-for-like measurement parameters.

3. Harmonic distortion is interpreted subjectively by humans

We briefly discussed this with the examples of “artistic distortion” used by musicians such as Berry and Hendrix—an absolute value of THD+N doesn’t tell you the whole story. The context of how and why the output sound of an audio device is intended to be used is relevant when evaluating harmonic distortion.

Nevertheless, for the purposes of devices such as audio interfaces, generally speaking, lower is better for THD+N.

With this in mind, an acceptable range for THD+N is 0.01% or lower.

Noting the points above, this is clearly a subjective answer.

To understand why this range may be considered acceptable, let’s first look at how different THD+N percentage values translate to relative loudness (measured using dB SPL), and what levels of loudness in distortion are acceptable for human hearing.

Converting THD+N percentages to dB

A simple way of interpreting percentage THD+N specifications is to note that each ten-fold decrease in THD+N represents a 20 dB reduction in distortion levels (loudness) relative to the input signal. This is a consequence of how dB is calculated in audio applications.

A THD+N value of 1%, for instance, translates to distortion levels that are 40 dB below the input signal’s level, and a THD+N value of 0.1% translates to distortion that’s 60 dB below the input signal.

So, with all else equal, a THD+N of 0.001% (distortion at 100 dB below the input signal), is better than a THD+N of 0.01% (distortion at 80 dB below the input signal).

Acceptable levels of distortion

In the audio interface THD+N specifications that we looked at earlier, the THD+N values were 0.005% (for a -1 dBFS signal, i.e., close to the maximum possible signal without clipping). This means that the distortion levels are approximately 86 dB below (i.e., less loud than) the signal level—these are very low levels of distortion.

To put this in context, the sound levels associated with a busy street are around 80 dB SPL, and for a pneumatic drill, it’s around 90 dB SPL.

So, for our example audio interfaces, the distortion levels would be inaudible relative to the sound levels of a busy street (since 80 dB SPL – 86 dB is less than 0 dB SPL). And, for the sound levels of a pneumatic drill, the distortion would only be a few dB (since 90 dB SPL – 86 dB SPL is only 4 dB SPL).

In other words, you would need to produce an output sound louder than a busy street before you would even hear the distortion coming from the audio interfaces that we looked at.

Coming back to our acceptable range of THD+N of 0.01% or lower, this translates to 80 dB below an input signal’s level—distortion at this level would be inaudible relative to sound levels lower than of a busy street.

As it happens, most modern audio interfaces have very low THD+N levels and are not likely to add meaningful distortion to the output sound.

Other sources of interference—from external disturbances, damaged connecting cables, poor acoustic conditions, etc.—are more likely to detract from sound quality than harmonic (and noise) distortion in an interface.

Conclusion

Total harmonic distortion plus noise (THD+N) in an audio device is a measure of the unintended harmonics and noise produced by the device.

THD+N is calculated as the total energy level of the harmonics and noise at the output of a device relative to the energy level of the input frequency. It’s often expressed in percentage terms (but sometimes in dB).

To properly quote THD+N specifications, the parameters of the measurement should be stated.

These parameters include the frequency and level of the input signal, the bandwidth applied, and the gain applied. Without knowing these, it’s difficult to make like-for-like comparisons between different THD+N specifications.

Most modern interfaces produce low levels of harmonic distortion based on their THD+N specifications—often in the range of 0.005% or lower. This translates to inaudible distortion when compared with sounds that have a loudness similar to a busy street.

Although subjective, THD+N of 0.01% or lower is acceptable for devices such as audio interfaces—at these levels, other sources of noise or interference are likely to dominate those coming from harmonic distortion.

FAQs

What is THD?

THD stands for Total Harmonic Distortion and is a measure of the energy of all of the harmonics (or a selected few) generated by a system relative to the input signal.

What is THD in audio?

THD, or Total Harmonic Distortion, in audio is a measure of the distortion (i.e., energy) from the harmonics present in an audio signal when compared to the original pure sinusoidal signal.

What is THD+N?

THD+N stands for Total Harmonic Distortion plus Noise and is a measure of the energy of all of the harmonics and all of the noise generated by a system relative to the input signal.

What is the significance of THD measurement in audio?

THD measurement provides valuable information about the quality of audio equipment. Lower THD values generally indicate lower levels of distortion and better audio fidelity.

How is THD+N expressed?

THD+N is typically expressed as a percentage or ratio. For example, a THD+N of 0.01% means that the energy of a signal’s output harmonics and noise is 0.01% of the energy of the signal’s input.