Mittelineaarmoonutus

Mittelineaarmoonutus on moonutus, mis tekib audiosignaali edastamisel ja töötlemisel (nt võimendamisel), kui signaal läbib elektriahela elemente, mille väljundsuurus ei muutu sisendsuurusega võrdeliselt ehk lineaarselt. Mittelineaarse sõltuvuse tõttu lisandub signaali spektrisse sageduskomponente, mis sisendsignaalis puuduvad. Näiteks audiovõimendi väljundisse ilmub rohkesti lisasagedusi, kui teatud signaalitasemest alates hakkab võimendi siinusvõnkumise tippe ära lõikama.

Kord tekkinud mittelineaarmoonutuse ärastamine signaalist pole enam mõeldav – signaali spekter on juba jäädavalt muutunud, sellesse on juurde tulnud täiesti uued, lähtesignaalile võõrad osised.

Mittelineaarmoonutuse väljendamiseks on mõõtesuurustena kasutusel harmoonmoonutus, ristmodulatsioonmoonutus ja dünaamiline ehk siirdemoonutus.

Harmoonmoonutus THD (lühend ingl k sõnadest total harmonic distortion) näitab, kui suur on puhtale siinusvõnkumisele lisandunud harmooniliste komponentide koguvõimsuse P_tot osa põhilaine võimsusest P₁: ^[1]

${\displaystyle {\mbox{THD}}={\sqrt {\frac {P_{2}+P_{3}+P_{4}+\cdots }{P_{1}}}}={\sqrt {\frac {P_{\mathrm {tot} }-P_{1}}{P_{1}}}},}$

kus P₂, P₃, P₄, ... on harmooniliste võimsused (harmoonilised komponendid ehk lühemalt harmoonilised on siinusvõnkumised, mille sagedus on põhilaine sagedusest täisarv kordi suurem).

Seda võimsuste suhet väljendatakse tavaliselt protsentides ja nimetatakse harmoonmoonutusteguriks, ka klirrteguriks (saksa k Klirrfaktor).

Harmoonmoonutuse märgatavus ei olene ainuüksi lisanduvate harmooniliste protsendist, vaid ka nende koostisest. Nimelt on paarisarvulised komponendid (2f₀, 4f₀, 8f₀) vähem märgatavad kui paarituarvulised. Näiteks 500-hertsisele siinussignaalile lisanduvad siis ülemtoonid sagedusega 1000, 2000, 4000 Hz, nii et iga järgmine sagedus on oktavi võrra kõrgem ja amplituud poole väiksem. Niisuguste harmooniliste ülemtoonide jada (mis tekib ka nt pillikeele võnkumisel) mahendab põhitooni kõla. Seevastu lisanduvad paarituarvulised sagedused (näitejuhul 3f₀ = 1500 Hz, 5f₀ = 2500 Hz, 7f₀ = 3500 Hz) ei moodusta kahekordselt kasvavate sageduste jada ning põhjustavad disharmooniat. Kirjeldatud iseärasustega seletatakse näiteks elektronlampvõimendile omast kõla. Kuigi elektronlamp põhjustab suuremat harmoonmoonutust kui transistor, on lampvõimendi harmooniliste seas ülekaalus paarisarvulised ülemtoonid.

Ristmodulatsioonmoonutus IMD (intermodulation distortion) tekib kahe (või enama) sagedusega võnkumise segustumisel mittelineaarses komponendis, kusjuures moodustuvad uued kõrgema sagedusega võnkumised.

Kuna reaalne audiosignaal koosneb mitmesuguse sagedusega f₁, f₂, f₃, ... siinuselistest komponentidest, põhjustab võimenduselemendi mittelineaarsus lisaks harmoonilistele ka kombinatsioontoone, s.o uusi, mitteharmoonilisi võnkumisi, nt f₁ ± f₂, f₁ ± f₃, f₂ ± f₃, ... . Kombinatsioontoonidest tingitud mittelineaarmoonutus – intermodulatsioonmoonutus – rikub heli puhtust rohkemgi kui harmoonilised ja kuuldub heli karedusena, kui see moonutus helisignaalis ületab 0,5–1%. Kuna aga IMD-moonutuse mõõtmine on õige keerukas ja selle tase on omakorda seotud harmoonilistest põhjustatud lisasagedustega, iseloomustatakse võimendi mittelineaarmoonutust üldiselt ainult THD-moonutusprotsendiga.

Dünaamiline moonutus DIM (dynamic intermodulation distortion) ehk siirdeintermodulatsioonmoonutus TIM (transient intermodulation distortion) on selline ristmodulatsioonmoonutus, mis on seotud signaalitaseme järsu muutumisega.

DIM-moonutus tekib tugevalt vastusidestatud võimsusvõimendis. Võimendusomaduste parandamiseks rakendatakse osa väljundpingest vastusideahela ehk negatiivse tagasiside ahela kaudu võimendi sisendisse tagasi. Kui võimendi sisendisse saabub järsult tugevnev impulss (löökheli), siis jõuab see väljundisse teatava viivitusega, mis sõltub võimenduselementide sagedusomadustest. Seetõttu impulsi sisendisse saabumise hetkel on väljundpinge peaaegu null, võimendust stabiliseeriv vastusidepinge puudub ja võimendi läheb küllastusrežiimi, millega kaasneb tugev DHT-moonutus. Mida tugevam on vastuside, seda väiksemal sisendpinge väärtusel see moonutus tekib, avaldudes suure väljundvõimsuse korral signaali järsu tugevnemise hetkedel kõrgete sageduste moonutumises ja kõlapildi läbipaistvuse halvenemises.

DIM-moonutuse mõõtmiseks antakse võimendi sisendisse ristkülikimpulss koos siinuslainega ja mõõdetakse väljundimpulsi tõusu- ja langukestust.

Mittelineaarmoonutuste tajutavus on seotud ülekantava helisagedusala laiusega. Nii loetakse kuni 4-kilohertsise piirsageduse korral (analoogtelefonitehnikas) märgavaks moonutusi alates 1,5 protsendist ja talutavaks veel 8%. Seevastu 15 kilohertsini ulatuvas sagedusalas märkab vilunud kõrv harmoonmoonutust kesksagedustel juba alates 0,2–0,5 protsendist ja madalatel sagedustel 1–2 protsendist; talutavaks peetakse kesksagedustel 0,5–1% ja basside puhul kuni 5% suurust THD-moonutust. Moonutuste märgatavus oleneb programmi laadist, helivaljusest jm kuulamistingimustest.

Esitatud moonutusprotsendid käivad tegelikult kõlarist kuuldava heli kohta. Tänapäeva helivõimendites rakendatav skeemitehnika võimaldab ka keskmise hinnaklassi seadmetes viia klirrteguri alla 0,1%.

• Moonutused signaali edastamisel