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Wissen Sie, wie sich die Phasenverzögerung auf die Tonqualität auswirkt?
In der Signalverarbeitung sind Gruppenverzögerung und Phasenverzögerung Funktionen, die die Verzögerungszeit jeder sinusförmigen Frequenzkomponente eines Signals beschreiben, wenn es durch ein lineares zeitinvariantes System (wie etwa ein Mikrofon, ein Koaxialkabel, einen Verstärker, einen Lautsprecher, ein Kommunikationssystem usw.) läuft. Leider sind diese Verzögerungen häufig frequenzabhängig, was bedeutet, dass unterschiedliche sinusförmige Frequenzkomponenten unterschiedliche Zeitverzögerungen erfahren. Dies hat eine Verzerrung der Signalwellenform beim Durchgang durch das System zur Folge, was zu einer geringen Wiedergabetreue bei analogen Video- und Audiosignalen oder zu hohen Bitfehlerraten im digitalen Bitstrom führen kann.
Hintergrund
Gemäß der Fourier-Analyse kann ein Signal durch die Summe sinusförmiger Frequenzkomponenten mit fester Amplitude und Phase dargestellt werden. Ein lineares zeitinvariantes System verarbeitet jede Sinuskomponente unabhängig und erfüllt aufgrund seiner linearen Natur das Superpositionsprinzip.
Einführung
Die Gruppenverzögerungs- und Phasenverzögerungseigenschaften eines linearen zeitinvarianten Systems sind Funktionen der Frequenz und beschreiben die Ausbreitungszeit von Frequenzkomponenten zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Systems. Solche unterschiedlichen Phasengänge kommen häufig bei verschiedenen Geräten vor, beispielsweise bei Mikrofonen, Verstärkern, Lautsprechern, Tonbandgeräten usw.
Phasenverzögerung
Die Phasenverzögerung misst direkt die Zeitverzögerung einzelner sinusförmiger Frequenzkomponenten eines Geräts oder Systems. Wenn die Phasenverzögerungsfunktion einer bestimmten Frequenz innerhalb des betrachteten Frequenzbereichs eine konstante proportionale Beziehung aufweist, verfügt das System über eine ideale flache Phasenverzögerungseigenschaft, d. h. eine lineare Phase.
Weicht ein Diagramm der Phasenverzögerung von der Flachheit ab, werden Unterschiede in den Zeitverzögerungen zwischen den einzelnen sinusförmigen Frequenzkomponenten des Signals sichtbar, was zu einer Signalverzerrung führt.
Gruppenverzögerung
Die Gruppenverzögerung ist ein praktisches Maß zur Bewertung der Linearität der Phase in Bezug auf die Frequenz in einem Modulationssystem. Bei modulierten Signalen werden die Signalinformationen vollständig von den Wellenpaketen getragen.
Dies liegt daran, dass die Gruppenverzögerung nur auf Frequenzkomponenten einwirkt, die aus der Hüllkurve stammen. Daher kann die genaue Berechnung der Gruppenverzögerung und der Phasenverzögerung die Zeitverzögerungseigenschaften bei der Signalübertragung widerspiegeln.
Amplitudenmodulation
Bei der Amplitudenmodulation werden die Frequenzanteile des Basisbandsignals in einen höheren Frequenzbereich verschoben. Im Idealfall ist das Ausgangssignal eine zeitverzögerte Version des Eingangssignals. Wenn die Gruppenverzögerung des internen Systems über den betreffenden Frequenzbereich vollkommen flach ist, ist auch die Phasenverzögerung des externen Systems flach, wodurch die durch die Phasenantwort verursachte Verzerrung eliminiert wird.
Winkelmodulation
Bei Winkelmodulationssystemen wie Frequenzmodulation oder Phasenmodulation wird das modulierte Signal als zwei unabhängige Kanäle mit jeweils einer eigenen Hüllkurve analysiert. Wenn die Gruppenverzögerung jedes Hüllkurvensignals flach ist, wird die Signalqualität nicht durch Verzerrungen beeinträchtigt.
Theorie
Gemäß der Theorie linearer zeitinvarianter Systeme kann das Ausgangssignal des Systems durch die Faltung des Eingangssignals und der Impulsantwort des Systems bestimmt werden. Diese mathematische Beziehung beschreibt deutlich die Reaktionseigenschaften des Systems bei verschiedenen Frequenzen.
LTI-Systemantwort auf Wellenpakete
Wenn ein System von einem Wellenpaket angetrieben wird, das aus einer Sinuswelle und einer Amplitudenhüllkurve besteht, zeigt das Ausgangssignal die Auswirkungen von Gruppenverzögerung und Phasenverzögerung. Das Vorhandensein dieser Verzögerungen kann dazu führen, dass sich die Signalwellenform während des Übertragungsvorgangs ändert und dadurch die endgültige Tonqualität beeinträchtigt wird.
Mathematische Definition von Gruppenverzögerung und Phasenverzögerung
Gruppenverzögerung und Phasenverzögerung sind frequenzabhängige Funktionen und die Phasenverschiebung aus der unverpackten Form kann berechnet werden. Die Gruppenverzögerung und Phasenverzögerung bei einer bestimmten Frequenz können die Gesamtverzögerung des Systems beeinflussen, die für die Signalübertragung entscheidend ist.
Wie wir wissen, sind Phasenverzögerung und Gruppenverzögerung sehr wichtige Indikatoren bei der Signalverarbeitung. Sie beeinflussen nicht nur die Qualität des Signals, sondern sorgen in praktischen Anwendungen auch für unterschiedliche Klangqualitätserlebnisse. Ist Ihnen schon einmal der Verzögerungseffekt hinter unterschiedlichen Klangqualitäten aufgefallen?
