В первую очередь, искажения можно разделить на линейные и нелинейные.
Линейные искажения не изменяют спектральный состав исходного сигнала и не добавляют в него новых частот (гармонических составляющих), изменяя только временные и амплитудные соотношения между существующими компонентами спектра. Нелинейные искажения, наоборот, добавляют в спектр сигнала новые частоты.
Важная ремарка: не всегда можно определить вид и причину искажений по их виду, более того, это сильно зависит от условий их измерения.
Что особенно важно, именно от ограничений, вводимых при измерении, во многом зависит конечный результат. Это, например, во многом объясняет, почему усилители класса D при формально одинаковых измерениям с классами A и B субъективно звучит хуже — потому что большинство производителей ограничивают спектр сигнала при измерении искажений.
Представим себе сигнал, состоящий из двух частот, f1 = 1 кГц и f2 = 2 кГц с одинаковыми единичными амплитудами u1 = u2 = 1. При прохождении через некое нелинейное устройство в результате действия нелинейных искажений сигнал приобретёт вторую гармонику, частоты которой окажутся равными f1 * 2 = 2 кГц и f2 *2 = 4 кГц с амплитудой, допустим, 0.5.
Таким образом, в результирующем сигнале в результате действия нелинейных искажений у нас окажутся три частоты 1, 2 и 4 кГц с амплитудами 1, 1.5 и 0.5 соответственно. Но при ограничении спектра измерений спектром исходного сигнала в 2 кГц мы наблюдаем только те же две частоты, что были в исходном сигнале, то есть, формально, вообще отсутствие признаков нелинейных искажений (только признаки линейных), хотя они в сигнале есть.
Применительно к усилителям класса D, искажения у которых экспоненциально растут с частотой, излюбленный приём производителей заключается в измерении искажений с установленным фильтром 2-4 порядка с частотой среза 20 кГц.
Поскольку на частоте среза такой фильтр подавляет сигнал в 2-4 раза, во столько же раз получаются занижены реальные искажения такого усилителя в спецификациях, причём уже начиная с частоты 10 кГц, вторая гармоника которой попадает как раз на частоту среза фильтра, а на 20 кГц — ещё больше. Таким образом резко взмывающая ввысь кривая искажений превращается в красивую горизонтальную прямую.
Вы можете возразить, что на частоте 20 или тем более 40 кГц этого никто не услышит, но правда в том, что любое устройство с ограничением спектра сверху является, по сути, интегратором, поэтому эти искажения всё равно влияют на звучания и это влияние очень хорошо слышно. Но на приводимых такими производителями графиках вы их не увидите. Ловкость рук и никакого мошенничества, ага :)
Но, вернёмся к исходному вопросу. Линейные искажения можно разделить на [амплитудно-]частотные и фазовые (фазово-частотные). Частотные искажения изменяют амплитуду отдельных частот в сигнале. Наваливание баса на эквалайзере — это как раз линейные искажения :) Фазовые искажения изменяют временные соотношения между отдельными частотами спектра, то есть вносят задержку одних частот относительно других.
Опять ремарка: как правило, в силу законов физики, частотные искажения не существуют без фазовых, как и фазовые без частотных. Любые фильтры, будь то электрические, механические или акустические (например, корпус АС), да и просто динамик как механическая система со своей инерцией, вносят свои задержки, создавая разного рода эффекты не только в частотной, но и во временной области.
Технически, при цифровой обработке сигнала такое разделение возможно благодаря фильтрам с конечной импульсной характеристикой (FIR), но у них есть беда, гораздо хуже — переходные искажения. О них мы поговорим чуть ниже.
Классический пример частотных искажений — неравномерность АЧХ акустики. Несмотря на то, что это, наверное, самая раскрученная маркетингом характеристика АС после мощности, её практический смысл как правило ограничен универсальностью акустики и контролем отсутствия резонансных (или просто совсем уж глубоких) выбросов и провалов, потому что ко всему остальному человеческий слух очень быстро адаптируется и привыкает.
Подавляющее большинство современной акустики имеет провал АЧХ в верхней области средних частот (2-5 кГц) и ничего, все привыкли и считают это за должное. Зато ухает и цыкает. Некоторые модели акустики, особенно популярной у американской молодёжи со специфичными музыкальными вкусами (Cerwin-Vega), до кучи к этому имеет ещё и подъём на НЧ практически на 20 дБ. Ценители, конечно, возмущаются столь вопиющему отношению к линейности АЧХ, но сами владельцы данных АС как правило пребывают в восхищении. М - маркетинг!
С фазовыми искажениями ситуация ещё интереснее. Хотя именно ФЧХ акустики отвечает за естественность и натуральность звучания, её не публикует практически никто, за исключением редких производителей студийных мониторов. Причём у тех, которые её публикуют, более-менее линейная ФЧХ получена за счёт цифровой обработки с использованием уже упомянутых выше FIR-фильтров, а не конструктивно (акустически), то есть ценой переходных искажений — которые, конечно, вам тоже не покажут.
Важно: никакая цифровая обработка не спасёт акустику, конструкция которой изначально плоха. Все “достижения” цифровой обработки имеют свою цену, выраженную в том или ином аспекте ухудшения звучания, что можно наблюдать на массе примеров.
Суть проблемы очень проста. Получение хороших характеристик, отвечающих собственно за качество звучания (фазо-частотная, импульсная и переходная характеристики, кумулятивное затухание спектра, интермодуляционные искажения и т.п.) акустическими и механическими методами дорого и сложно, поэтому проще поставить DSP-процессор и рассказать про его прелести, умолчав про обратную сторону вопроса.
По этой причине действительно честная минимально-фазовая акустика до сих пор остаётся уделом редких фанатиков вопроса и не представлена на рынке как серийная продукция даже в секторе High End (за редким исключением).
[To be continued]