Särö

Särö (engl. distortion)^[1] on elektroniikan ja äänentoistotekniikan suure, jolla ilmaistaan signaalin toistumisen (epä)puhtautta. Säröksi ei yleensä lasketa lineaarista taajuusvasteen epätasaisuutta eikä signaaliin summautuvia häiriöitä, tasajännitettä tai kohinaa. Erilaisia särön mittaamiseen käytettyjä suureita ovat harmoninen kokonaissärö THD, keskeismodulaatiosärö IMD sekä transienttisärö eli TIM-särö. Säröä syntyy muun muassa silloin kun signaalin amplitudi on niin suuri, ettei vahvistin pysty toistamaan sitä puhtaana, vaan "särkee" signaalin: signaalin tasoa kasvatettaessa vahvistus muuttuu epälineaariseksi, jolloin siniaallon huiput leikkautuvat ja sinimuotoinen signaali muuttuu asteittain kanttiaalloksi.

Tämä artikkeli käsittelee suuretta nimeltä särö. Sanan muita merkityksiä on lueteltu täsmennyssivulla.

Tietoliikenteessä ja signaalinprosessoinnissa ideaalista, kohinatonta systeemiä, jonka ominaisuudet ovat ajan suhteen vakiot, voidaan mallintaa funktiolla, jossa lähtö ${\displaystyle y(t)}$ kirjoitetaan tulon ${\displaystyle x}$ funktiona

${\displaystyle y(t)=F(x(t))}$

Säröytymistä tapahtuu, kun funktio F(x(t)) on epälineaarinen.

Särötyypit

Harmoninen kokonaissärö

Harmoninen kokonaissärö eli THD (engl. Total Harmonic Distortion)^[2] ilmaisee puhtaaseen sinisignaaliin syntyneiden harmonisten komponenttien voimakkuuden suhteessa perustaajuisen aallon voimakkuuteen. (Harmoniset komponentit ovat siniaaltoja, joiden taajuus on perustaajuuden moninkerta.) Särö mitataan joko tehosuhteena tai tavallisemmin tehollisarvojen suhteena. Kun lähtöön syötetään puhdasta siniaaltoa, harmoninen särö on ylempien harmonisten taajuuskomponettien tehollisarvon suhde perustaajuisen signaalin tehollisarvoon: ^[3]

${\displaystyle {\mbox{THD}}={\sqrt {\frac {P_{2}+P_{3}+P_{4}+\cdots +P_{\infty }}{P_{1}}}}={\sqrt {\frac {\displaystyle \sum _{i=2}^{\infty }P_{i}}{P_{1}}}}}$,

joka voidaan kirjoittaa muotoon

${\displaystyle {\mbox{THD}}={\sqrt {\frac {P_{\mathrm {total} }-P_{1}}{P_{1}}}}}$,

missä P₁ on perustaajuisen signaalin teho, P_n ovat harmonisten komponenttien tehot ja P_tot on lähtösignaalin kokonaisteho.

Ylimenosärö

Ylimenosärö aiheutuu B- tai AB-luokan vuorovaihevahvistimen positiivisen ja negatiivisen puolijakson vaihdosta aiheutuvasta vahvistuksen epäjatkuvuudesta. Tämäntyyppinen särö oli ominaista varhaisille transistorivahvistimille.

Keskinäismodulaatiosärö

Keskinäismodulaatiosärö eli IM (engl. intermodulation distortion )^[4] on signaaliin kuulumattomien taajuuksien syntyminen kahden tai useamman taajuuden sekoittuessa signaalitien epälineaarisessa vahvistimessa tai muussa komponentissa. Tämän seurauksena syntyy uusia taajuuksia, jotka ovat alkuperäisten signaalien harmonisten kerrannaisten lisäksi alkuperäisten signaalien summa- ja erotustaajuuksia.

Vaihesärö

Vaihesärö (engl. Phase distortion) on särön muoto, jota esiintyy enimmäkseen reaktiivisen komponentin, kuten kapasitiivisen reaktanssin tai induktiivisen reaktanssin seurauksena. Vaihesärössä kaikki tulosignaalin komponentit eivät ole vahvistettuja samassa vaiheessa, mikä saa aikaan sen, että kaikki lähtösignaalin osat eivät ole samassa vaiheessa

Transienttisärö

Transienttisärö eli TIM-särö (engl. Transient intermodulation distortion)^[4] on eräänlainen keskinäismodulaatiosärön laji, jossa signaalissa oleva nopea muutos eli transientti aiheuttaa vahvistimen sisäisen ylikuormittumisen tai lievemmässä tapauksessa joutumisen epälineaariselle alueelle, jolloin muihin samanaikaisiin signaalikomponentteihin syntyy amplitudimodulaatiota. TIM-säröä mitataan suorakaideaallon ja siihen summatun siniaallon avulla. Mittauksessa säröä herättävät suorakaideaallon nousut ja laskut.

TIM:lle (tai yleisemmin DIM:lle, Dynamic Intermodulation Distortion) herkkiä ovat vahvistimet, joiden lineaarisuus on toteutettu voimakkaalla negatiivisella takaisinkytkennällä.^[5] Transienttisärön teoria perustuu pääasiassa Tapio M. Köykän 1960-luvulla oivaltamaan ja tohtori Matti Otalan 1970-luvun alussa tieteellisesti mallintamaan tutkimukseen. Tutkimuksen vaikuttimena oli havainto siitä että säröttömämmät vahvistimet eivät toistaneet ääntä niin luonnollisesti kuin jotkin säröllisemmät.^lähde?

Särön korjaus

Särön korjaus (engl. Correction of distortion) on mahdollista, kun systeemin lähtö on muotoa y(t) = F(x(t)) ja voidaan määritellä käänteisfunktio F⁻¹, jota voidaan käyttää systeemin tulon tai lähdön säröytymiseen. Korjaus ei ole mahdollista mikäli käänteisfunktiota ei ole olemassa - esimerkiksi jos siirtofunktiolla on pisteitä, joissa käänteisfunktio saa useita tulopisteitä yhdessä lähtöpisteessä. Tämä aiheuttaa informaation menetystä, jota ei voi korjata. Tällainen tilanne voi syntyä, kun vahvistin on ylikuormitettuna.

Katso myös

• Kohina
• Siirtofunktio
• Askelvaste

Lähteet

• Karjalainen, Matti: Kommunikaatioakustiikka. (Suomenkielinen oppikirja) Espoo: TKK, Akustiikan ja äänenkäsittelytekniikan laboratorio, 1999. ISBN 951-22-4412-8

Viitteet

3. Explanation of THD measurements (Arkistoitu – Internet Archive)
5. Facta 2001 s. 635

Kirjallisuutta

• Pulkki, Ville & Karjalainen, Matti: Communication Acoustics – An Introduction to Speech, Audio and Psychoacoustics. (Englanninkielinen oppikirja) New York: John Wiley & Sons, Ltd, 2015. ISBN 978-1-118-86654-2