Total Harmonic Distortion (THD)

 

 

전고주파 왜곡(Total Harmonic Distortion; THD)은 기기의 비선형성에 의해서 입력에 가하지
않은 신호가 출력에 나타내는 것을 말하고, 기기의 선형성을 평가하는 척도이다. 순음을 음향
기기에 입력하였을 때에, 이 순음의 2배, 3배, 4배....의 배음(고조파)이 출력에 나타나는 것을
고조파 왜곡이라고 한다(그림 1). 즉, 그림 2와 같이 입력되지 않은 주파수가 출력에 나타나는 것을
말한다.

 

 

 

그림 1 왜곡 그림 2 전체 고조파 왜곡 측정 원리
그러나, 비 정수배인 2.6x, 3.2x와 같은 신호는 나타나지 않는다. 출력에 나타나는 모든
고조파 성분의 레벨의 합계와 입력 신호 레벨의 비를 표시한 것이 전체 고조파 왜곡률이다.
THD 측정은 기기에 특정 주파수 사인파를 입력하고 출력 신호를 관측한다. 이 신호를
스펙트럼 분석기로 관측하면, 하모닉 성분을 볼 수 있다. THD는 하모닉의 rms 성분과 입력
신호의 전압 비로 정의된다. 출력에서 기본파(입력의 정현파)의 진폭을 1 I , 고주파의 진폭을 각각
I , I , ⋅⋅⋅ 2 3 이라고 하면 THD(%)는 (1)식으로 계산한다.
1
2 3
I
I I
THD
+ + ⋅ ⋅
= (%) (1)
측정은 각 하모닉 진폭을 측정하므로 테스트 신호 주파수, 레벨, 이득 조건 등을 명기해야
한다. 또, 몇 차 하모닉 까지 측정했는지도 명확하게 기재하여야 한다. 20dBu 의 최대 이득에서
10kHz의 THD는 -10dBV 레벨에서 1kHz에 대한 THD와는 다르다.
왜곡의 표시를 왜곡률이 아니고, 기본파의 레벨을 0dB로 하고 데시벨로 나타내는 경우도 많다.
예를 들어, 왜곡률 1%는 -40dB(=20log0.01), 0.5%는 -46dB(=20log0.005), 0.1%는 -60dB
(=20log0.001)가 된다. THD은 1% 이하이면 보통 사람에게는 감지되지 않으며, 대부분의 음향
기기(스피커 제외)는 모두 이 검지 한계 이내이므로, 이 수치의 크기 자체는 크게 문제가 되지
않는다. 또, THD의 값이 같아도 그 왜곡 성분이 짝수 고조파인지 홀수 고조파인가에 따라 실제의
음질에 주는 영향은 달라지므로, 이 수치의 대소만으로는 기기 성능의 실제적인 비교가 되지
않으며, 어디까지나 설계의 목표치 정도라고 생각하면 된다. 인간의 청각은 짝수 고조파(2, 4, 6차
등)보다 홀수 고조파에 더 불쾌감을 느끼고, 저차 고조파 (2, 3차)보다 6, 7차 등의 고차 고조파에
더 불쾌감을 느끼는 경향이 있다. 표 1에는 음향 기기의 전형적인 THD 값을 나타낸다. 그림 3은
왜곡의 측정 데이터의 일례를 나타낸다.
표 1 음향 기기의 전형적인 THD
장치 % THD
좋은 파워 앰프(@정격 출력) <0.05% (20~20,000Hz)
디지털 레코더 <0.05% (-15dB 입력 레벨)
스피커 >1% (25W, 200Hz)
프로용 아날로그 테이프 레코더 <0.1% (1kHz 기준 레벨)
프로용 콘덴서 마이크 <0.5% (1kHz, 94dBSPL)
그림 3 왜곡의 정도
THD 데이터를 완전하게 표현하기 위해서는 표준 레벨 +4dBu에서 20~20,000Hz 전대역에
걸쳐서 측정해야 한다. 마이크를 제외한 모든 신호처리 기기는 측정시 이득은 단일 이득에서
측정하는 것이 바람직하다. 주파수를 언급하지 않고 1kHz에서 THD의 데이터만을 제시하면
아무런 의미가 없다.
제시 방법: THD(5-order) less than 0.01%, +4dBu, 20~20,000Hz, unity gain