歪み (電子機器)

歪みについて

概要

歪み（ひずみ）とは、非線形な応答により、入力と出力の波形が相似でなくなる現象を指します。この現象は主に、増幅回路を含むシステムにおける性能指標として利用され、特に電気音響工学や通信工学、無線工学など、アナログ信号を扱う分野で重要視されます。歪みは、往々にして品質に悪影響を及ぼす要因とされてきましたが、特に音楽のジャンルでは意図的に利用されることもあります。

電気音響工学における歪み

音響工学の分野では、極端な音量が増幅回路の限界値を超えると、波形の頂点が圧縮され、ヒステリシス現象が見られます。これにより、歪みが生じることがあります。増幅回路の限界を超えなくても、スピーカーの振動や人間の発声など、他の要因でも歪みが発生することがあります。これまで歪みは雑音として捉えられることが多かったですが、特にロック音楽では、表現の一部として積極的に利用されるようになりました。そのため、多くのギターアンプなどは、歪みの度合いを調整できる設計となっています。

オーディオアンプなどでは、全高調波歪（THD）やTHD+N、信号対雑音＋歪み比（SINAD）などの指標が使用され、電子機器の性能を測る基準となります。

無線通信における歪み

無線通信回路における歪みは、その品質に直接の影響を与える重要な要素です。オーディオ回路の歪みとは異なり、聴感上は直ちに感じにくいものですが、無線通信には不可欠な技術です。

送信系における歪み

送信に用いる回路は、高い線形性を要求されるケースが多く、送信信号が歪むと特に帯域幅が広がり、隣接チャネルに混信を引き起こす恐れがあります。この歪みは回路素子の非線形性によるものです。一方で、周波数変調やアナログ位相変調などの定振幅変調の場合、非線形性があっても受信性能に大きな影響を与えることは少なく、逆に省エネルギーや低コスト化に寄与する場合があります。

送信回路の非線形性により高調波が発生し、他の通信を妨げることもありますが、周波数が離れているためフィルタを通じて除去可能です。

受信系における歪み

受信システムでは、非常に微弱な信号を増幅するため、高い線形性が必要とされます。受信信号に歪みが生じると、近隣チャネルの強力な電波が、自チャネルにまで影響を及ぼすことがあります。ここでも、周波数変調などの場合は非線形であっても問題ないことがあります。

相互変調歪

異なる周波数の信号が同時に存在する場合、受信信号が歪むと、必要な信号の周波数に対して不要な成分が生成され、干渉を引き起こすことがあります。この影響は特に業務用無線や、複数の通信規格を持つ携帯電話において重要な問題です。

高調波の影響

受信システムでも高調波が発生し、他の通信に影響を与えることがあります。特に複数規格に対応する受信系では、問題がより複雑化する場合があります。

まとめ

歪みは、電気音響工学や無線通信の両分野において重要な要素で、システムの性能を評価する際には欠かせません。特に、意図的に歪みを活用するケースもあるため、その理解はさまざまな分野での技術的発展に寄与すると思われます。

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