波形失真（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。
图1 波形失真
失真可分为两大类：线性失真(Linear Distortion)与非线性失真(Non-linear Distortion）。
失真分类
线性失真和非线性失真的区别是什么？
什么是线性失真？
线性失真是指信号通过线性系统后，输出信号与输入信号相比，仅在幅度、相位或频率等方面发生了与频率成线性关系的变化，而没有产生新的频率成分。
线性失真产生原因主要是由线性电路元件（如电阻、电容、电感等）的特性以及它们在电路中的组合方式所引起。例如，在一个简单的RC高通滤波器电路中，不同频率的输入信号通过该电路时，由于电容对不同频率信号的容抗不同，会导致输出信号在幅度和相位上相对于输入信号发生变化，这种变化是与频率相关的线性变化。
线性失真输出信号的频谱结构与输入信号的频谱结构相同，只是各频率分量的幅度和/或相位发生了改变。
线性失真满足叠加原理，即如果有多个输入信号同时作用于线性系统，系统对每个信号分别产生的失真效果可以单独计算，然后将这些效果叠加起来就是总的失真情况。
线性失真包括幅度失真和相位失真：
幅度失真也称为频率失真，是指线性系统对不同频率的输入信号具有不同的放大倍数（或衰减倍数），使得输出信号的各频率分量的幅度相对关系与输入信号不同。比如音频放大器，若对高频信号放大倍数小，对低频信号放大倍数大，播放音乐时就会出现高音不突出、低音过重等幅度失真现象。
相位失真指线性系统使不同频率的输入信号在通过时产生不同的相移，导致输出信号的各频率分量的相位相对关系与输入信号不同。在图像信号传输中，如果存在相位失真，可能会使图像的细节、轮廓等出现模糊或变形等情况。
图2 线性失真包括幅度失真和相位失真
什么是非线性失真？
非线性失真是指信号通过非线性系统口后，输出信号中除了包含输入信号原有的频率成分外，还产生了输入信号所没有的新的频率成分，从而导致信号波形发生了畸变。简单理解就是如果一个信号通过一个系统后，有新的频率产生，那么就是非线性失真。非线性失真有时也简称为“失真”。
非线性失真产生原因通常是由于电路中的非线性元件（如晶体管、二极管等）的特性引起的。这些非线性元件的伏安特性曲线不是直线，当输入信号幅度较大时，元件工作在特性曲线的非线性区域，使得输出信号与输入信号之间不再保持线性关系。例如，在一个晶体管放大器中，当输入信号幅度较大时，晶体管的基极-发射极电压与集电极电流之间的关系不再是简单的线性关系，从而导致输出信号出现非线性失真。
非线性失真输出信号的频谱结构与输入信号的频谱结构不同，出现了新的频率成分。非线性失真不满足叠加原埋，因为非线性系统中各信号之间相互作用复杂，不能简单地将单个信号的失真效果叠加起来得到总的失真情况。
线性失真包括谐波失真，互调失真和交越失真。
谐波失真什么意思？
谐波失真英文全称 Harmonic Distortion，简称HD。谐波失真是最常见的非线性失真类型。当输入一个正弦波信号时，由于非线性元件的作用，输出信号中除了包含与输入信号相同频率的基波成分外，还会产生基波频率整数倍的谐波成分，如二次谐波、三次谐波等。
影响谐波失真的因素有哪些?
谐波失真的程度受到多种因素的影响，包括：
晶体管的工作区域：在晶体管的非线性区域，谐波失真会显著增加。
电源电压：电源电压的波动会影响晶体管的工作点，从而影响谐波失真。
温度：温度的变化会影响晶体管的参数，如跨导和漏电流，进而影响谐波失真。
负载阻抗：负载阻抗的变化会影响放大器的输出阻抗，从而影响谐波失真。
有哪些减少谐波失真的方法呢？
为了减少谐波失真，可以采取以下措施：
使用线性更好的放大器 ：选择具有更好线性特性的放大器，如A类放大器。
增加电源电压 ：提高电源电压可以扩展晶体管的工作线性区域。
温度补偿 ：通过温度补偿电路来减少温度对谐波失真的影响。
匹配负载阻抗 ：确保放大器的输出阻抗与负载阻抗匹配，以减少反射和失真。
谐波失真和总谐波失真究竟有什么区别呢？
总谐波失真英文全称Total Harmonic Distortion，简称THD。
图3 总谐波失真
谐波失真最直接，比如在音频领域，系统输入为单频的信号，但是受到非线性器件的影响，音箱的输出产生了谐波，比如2次谐波、3次谐波等等。当谐波的幅度达到一定值时，就被人耳感觉到，产生非常糟糕的音频体验，所以这些谐波的幅度要求要小。
谐波失真很简单，只关注到目标谐波，比如只关注到3次谐波，其余谐波忽略，就是目标谐波(二阶、三阶等)的均方根(RMS)值与信号电平均方根值的比值，音频领域中结果通常为百分比，通信领域中为dB。
总谐波失真表明功放工作时，由于电路不可避免的振荡或其他谐振产生的二次，三次谐波与实际输入信号叠加，在输出端输出的信号就不单纯是与输入信号完全相同的成分，而是包括了谐波成分的信号，这些多余出来的谐波成分与实际输入信号的对比，用百分比来表示就称为总谐波失真。总谐波失真关注的是采样范围内所有的谐波成分，其评估谐波失真更准确。非线性失真之总谐波失真（THD）测试是最常见的非线性失真测试项目。
互调失真什么意思?
当有两个或多个不同频率的输入信号同时通过非线性系统时，除了各自产生谐波失真外，不同频率信号之间还会相互作用，产生新的频率组合，这些新频率组合称为互调产物。互调失真会使信号的频谱变得更加复杂，在通信系统中可能会干扰其他信号的正常传输。
影响互调失真的因素有哪些？
互调失真的程度受到以下因素的影响：
放大器的非线性程度 ：非线性程度越高，互调失真越大。
输入信号的功率水平 ：输入信号的功率水平越高，互调失真越大。
频率间隔 ：输入信号的频率间隔越小，互调失真越大。
有哪些减少互调失真的方法？
为了减少互调失真，可以采取以下措施：
使用线性更好的放大器 ：选择具有更好线性特性的放大器，如A类放大器。
增加电源电压 ：提高电源电压可以扩展晶体管的工作线性区域。
使用反馈 ：负反馈可以提高放大器的线性，从而减少互调失真。
滤波器 ：在放大器的输入和输出端使用滤波器，以减少高频噪声和互调产物。
交越失真的定义
交越失真是指在乙类互补对称功率放大电路中，由于输入信号在零点附近变化时，晶体管不能立即从截止状态过渡到放大状态（或从放大状态过渡到截止状态），导致输出波形在零点附近失真。
图4 正常输入波形 vs 输出波形产生交越失真
交越失真的产生的原因是什么？
1. 晶体管的非线性特性：在互补对称功率放大器中，通常使用NPN和PNP型晶体管。当输入信号较小时，晶体管可能未完全导通或截止，这会导致输出信号在零点附近出现非线性失真，即交越失真。
2. 晶体管的饱和区和截止区：当输入信号幅度较大时，晶体管可能进入饱和区，导致输出电流与输入电压的关系不再是线性的，从而产生非线性失真。同样，在输入信号较小时，晶体管可能进入截止区，导致输出电流几乎为零，但仍然存在漏电流，这也会引起失真。
3. 晶体管的寄生电容：晶体管内部的寄生电容会影响其频率响应，尤其是在高频时可能导致相位失真，影响输出信号质量。
4. 电源电压波动：电源电压的波动会影响晶体管的工作状态，导致导通和截止状态变化，从而产生交越失真。
5. 电路的非理想元件：电阻、电容、电感等元件的非理想特性也可能导致输出信号失真。
图5 交越失真实例
有什么方法消除交越失真？
1. 选择合适的晶体管：选择具有良好线性特性、低饱和电压、高跨导的晶体管
2. 优化电路设计：通过优化电路设计，如增加负反馈、调整偏置电路、使用互补对称推挽电路等
3. 使用补偿电路：引入补偿电路，如使用二极管或晶体管进行补偿
4. 降低电源电压波动：通过使用稳压电源、滤波电路等方法降低电源电压波动等。
线性失真和非线性失真的区别
线性失真和非线性失真在产生原因、表现形式、对信号的影响以及所具有的特点等方面都存在明显的区别，在电子电路设计、通信系统、音频视频处理等诸多领域都需要充分考虑并尽量减小这两种失真对系统性能的影啊。
1）造成的原因不同 - 线性失真是由于电路中存在线性元件，其阻抗随频率的不同而不同，从而导致这么大电器对不同频率的信号分量的放大倍数与延迟时间不同而引起的。而非线性失真是由于引进非线性元件或进入非线性区域而引起的。
2）结果不同 - 线性失真可能使不同频率信号分量的大小及相对时间关系发生变化，但决不会产生输入信号所没有的新的频率成分。而非线性失真的主要特征是产生了输入信号所没的的新的频率的成分。
3）另外线性失真是在波形畸变上出现了对称的失真，这种失真一般出现在有深度负反馈的功率放大器中；其结果会产生多于的偶次谐波分量。而非线性失真则是波形畸变是不对称的，这种失真是一种指数型失真，一般出现在三极管单管甲类放大电路中，其结果会产生多余的奇次谐波分量。
如何测量失真？
信号分析仪通常用于表征放大器或混频器的失真。在表征器件时，您需要在大信号的干扰下查找小信号。您已经知道，调整 RBW 和衰减可以帮助您找到所需的信号。然而在失真测量方面，还有许多要考虑的问题。
图6 信号分析仪
每台分析仪都有失真，您必须弄清楚失真是来自分析仪还是来自 DUT。分析仪的失真会随着输入混频器的功率大小发生变化。当您减小衰减以便降低噪声时，进入分析仪的输入信号功率会上升，导致分析仪的失真产物增加。您应该谨慎调整衰减器和 RBW设置，在降低本底噪声与增加失真之间找到平衡。
正如我们前文描述的，失真是对原始波形的改变。在信号源(信号发生器）中，有两种主要的非线性失真：谐波失真和互调失真。当纯正弦波的平滑电压变化突然遇到电压变化而中断时，便会发生谐波失真。这种突然变化通常是由非线性半导体造成的。谐波频率是正弦波的整数倍。互调失真是当您将两个或多个不同频率的信号混合在一起时，所获得的杂散输出。杂散输出是输入频率整数倍的和与差。
失真测量
如何测量谐波失真？
我们以一个连续波 (CW) 音频为例，介绍一下如何测量谐波失真。
图7显示了一个谐波失真测量装置。被测器件 (DUT) 可能是一个放大器或混频器。信号发生器输出一个连续波，其频率为Fi。这个连续波通过一个低通滤波器，以便消除来自信号发生器的谐波失真。注意，这个低通滤波器的截止频率 Fc 小于 2Fi 。
图7 谐波失真测量装置
谐波表示为基频功率与谐波频率功率之比。例如，一次谐波可以表示为:
测过使用的信号发生器必须谐波失真很小，而月在信号发生器与被测器件之间必须有一个低通滤波器。这样可以确保测得的谐波是来自被测器件，而不是来自信号发生器。
如何减少信号源的有效谐波失真？
为了精确测量谐波失真，需要使用频谱纯净的信号源和频谱分析仪。信号源的谐波失真和频谱分析仪的动态范围都是影响测量质量的重要因素。相比而言，信号源的影响通常会更大一些，其谐波失真一般比基频信号低 30-50 dB。图 8 展示了典型的谐波失真测量结果。信号的谐波失真通常是用最大谐波幅度（dB）与基频信号幅度的比值来描述的。
使用低通滤波器可降低信号源的有效谐波失真，如图9所示。选择低通滤波器的截止频率，以确保大部分的基频信号能够完好地通过，而谐波则受到大幅削弱。您可以使用频谱分析仪直接检验信号源/滤波器组合之后的性能。如果基频信号通过滤波器之后损耗比较大，那么在设置信号源输出电平时，应考虑到这种损耗。可以使用频谱分析仪来检查滤波器输出端的基本电平，或者如需实现更好的电平精度。
注：您可以计算特定谐波（如 m 次谐波）的失真度（％），
还可以计算总谐波失真：使用上式计算每个谐波的失真，然后再计算其求和之后的平方根：
图 8. 使用信号分析仪测量谐波失真。
图 9. 通过在信号源输出端安装低通滤波器，降低信号源的谐波失真。
还有一点值得注意，信号发生器有一个重要的技术指标，那就是输出功率范围。当您需要的输出功率超出这个范围时，可以使用放大器增大输出功率，或者使用衰减器来降低输出功率。在使用这些设备扩展信号源的输出幅度范围时，有一些重要因素需要注意。放大器的增益不确定度会直接影响输出信号电平。因此，要特别注意放大器的 1 dB 压缩点。如果需要使器件趋近该压缩点，则应在输出端加上一个低通滤波器，以便把增加的谐波失真降下来（见图 10）。
图 10. 增大幅度范围时，使用低通滤波器可以降低所增加的谐波失真。
如何评测互调失真一双音频互调?
目前，评测互调失真的技术有很多。最简单的互调失真测量方法是使用双音频三阶互调法，也称 IP3 (三阶截获点）。IP3法使用双音频输入信号，并测量被测器件非线性部分所生成的三阶失真信号。
图11 显示了双音频三阶互调测量装置。被测器件可以是一个放大器或混频器。
F1 和 F2 是双音频输入的频率。两个信号发生器输出的两个频率通过混频，生成了这个双音频信号。双音频信号必须不包含任何三阶信号。这个三阶失真信号发生在2F1-F2 和 2F2-F1 频率处（红色），它也是距离原始双音频频率最近的失真。事实证明，要想通过滤波消除它们非常困难。在通信系统中，它们对相邻信道形成了干扰。
图11 双音频互调失真测量装置
假设两个测试音频的幅度相等，IP3是输入音频与三阶信号之差．IP3(dB)=Po-Po3其中，Po是其中一个输出音频的幅度，Po3 (红色）是双音频任何一侧三阶信号的幅度。
互调失真一频谱再生
在最新的无线标准中，通常使用更宽的带宽和多载波技术（例如载波聚合）来显著提高数据吞吐量。双音频三阶互调法无法全面表征宽带宽元器件的特性。
使用幅移和相移的数字调制会产生一定的失真，这也称为频谱再生。图6显示了数字调制信号的频谱再生（红色区域）。
频谱再生在主信道外扩散。此类失真可以通过相邻信道功率比 (ACPR) 测量来分析。它会测量主信道功率与落到相邻信道的功率之比。
图12 数字调制信号的频谱再生
总谐波失真相关术语
总谐波失真THD (Total Harmonic Distortion) - 总谐波失真THD是描述放大器、数模/模数转换器、传感器、能换器、供电等设备和系统的常见参数之一。它通常定义为各谐波功率之和与基波功率的比值的开方，以百分比表示：
如果以dB表示则：THDdB = 20log10(THD)
其中，
Vi为第i次谐波的RMS幅度，
V1为基波的RMS幅度，
N为计算THD所用到的最高次谐波的次数。
比如THD=0.0001%，则THDdB= -120 dB，总谐波失真只是对谐波失真的总体描述，它并不区分削顶失真、交越失真，也不区分各次谐波的相对比重。在描述一个系统的THD值时，还必须指明该THD值是在什么情况下测得的，包括测试信号（基波）的频率、计算所用到的最高次谐波的次数或计算的频率范围、测试信号的幅度等。
总谐波失真及噪声THD+N (Total Harmonic Distortion Plus Noise) - 总谐波失真及噪声THD+N通常定义为各谐波功率及噪声功率之和与信号总功率的比值的开方，以百分比表示：
如果以dB表示则：(THD+N)dB = 20log10(THD+N)
其中，
Vtotal为信号（包括基波、各次谐波和噪声）的总RMS幅度，
V1为基波的RMS幅度。
比如THD+N = 0.0001%，则(THD+N)dB = -120 dB。在描述一个系统的THD+N值时，还必须指明该THD+N值是在什么情况下测得的，包括测试信号（基波）的频率、谐波和噪声计算的频率范围、信号的幅度、以及对噪声和失真是否按听感进行了加权（A、B、C、ITU-R 468、ITU-R ARM）等。
信纳比 SINAD (Signal to Nosie and Distortion Ratio) - 信纳比SINAD通常定义为信号总功率与各次谐波功率及噪声功率之和的比值的开方，以dB表示为：
信噪比 SNR (Signal to Nosie Ratio) - 信噪比SNR通常定义为信号基波功率与噪声功率的比值的开方，以dB表示为：
有效位数 ENOB (Effective Number of Bits) - 有效位数ENOB可直接由SINAD按下式推出：
注意此式是在满程情况下测试的。如果被测的ADC或DAC的测试信号低于满程，则SINAD和ENOB会偏小，可通过将ENOB的结果加上来推算满程的ENOB。
噪声电平NL (Noise Level) - 噪声电平在这里定义为总的噪声的RMS幅度。
无杂散动态范围 SFDR (Spurious Free Dynamic Range) - SFDR（Spurious Free Dynamic Range，无杂散动态范围）指的是相对于转换器满量程范围（dBFS）或者输入信号电平（dBc）的最差频谱伪像。无杂散动态范围如果是对于ADC满量程输入时以dBFS表示，但是如果是以载波频率幅度表示时，则是以dBc表示，虽然说起来很拗口，但是下图1能够很清楚表示SFDR这个指标值。这里需要注意的是，我们在ADC进行采样时，有时候会在不同奈奎斯特采样区域，但是对于SFDR这个指标而言只能是对应某一奈奎斯特区，由于不同奈奎斯特采样区频响特性不同，因此SFDR在不同区域是有区别的，SFDR指标相比较的是某一个奈奎斯特区域的最高杂散，这个杂散有可能是噪声，有可能是谐波，也有可能是交调。
无杂散动态范围 SFDR示意图
无杂散动态范围 SFDR定义为第一个谱峰与第二个谱峰的功率比的开方，用dB表示。
注意：第二谱峰不一定与基波构成谐波关系。
推荐阅读应用指南：如何改进信号失真测量？
在当今的无线通信和数字无线电系统中，频道间隔已接近实现频谱效率。测试不需要的和非线性频谱失真对于窄频道间隔和宽带宽通信系统至关重要。组件、模块、子系统和整个设备都会产生失真。失真产物可能是通道内、带内和带外不需要的频谱信号。失真不仅会降低发射机性能，还会降低接收机的灵敏度。失真性能是信号发生器的几个重要规格之一，对器件特性具有相当大的影响。在本白皮书中，您将了解不同类型的失真以及它们为何对您的射频测量很重要。
如何使用频谱进行卫星链路失真测试？
与地面系统一样，空间通信系统的容量和复杂程度也都在飞速增长。用户对更大容量的需求推动通信系统向更快数据速率和更大带宽演进，进而导致系统设计一步步逼近性能极限。信号功率始终是一个关键指标，而对更宽信道、更大功率的需求意味着功率放大器要在其非线性工作区域内工作更多时间。这样的后果将会是信号出现失真，系统设计人员需要设法减少失真或避免失真。
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