Total Harmonic Distortion

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정의

입력 신호가 시스템을 통과하면서 생성된 모든 고조파 성분의 비율을 나타내는 왜곡 지표이다.

설명

THD는

Speaker,

Analog-to-Digital Converter - ADC,

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Digital-to-Analog Converter - DAC,

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Power - W (전력) 회로 등에서 입력 신호의 순도(Purity)를 평가하기 위한 핵심 척도다.

이상적인 선형 시스템은 입력

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Frequency - Hz (주파수) 하나만 출력해야 하지만, 실제 장비는 비선형성 때문에 2차, 3차, 4차 고조파가 발생한다.

이 고조파가 원 신호 대비 어느 정도의 비율을 차지하는지를 수치화한 것이 THD이며, 값이 낮을수록 장비의 충실도(

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Hi-Fi)가 높다.

음향뿐 아니라 통신, 전력전자, 정밀 계측 등 모든 아날로그, 혼합신호 시스템에서 품질 평가의 기본 기준으로 사용된다.

원리

THD의 원리는 비선형 요소가 입력 주파수의 정수배(

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Harmonics (배음))를 생성하며, 이 에너지의 합이 원 신호와 비교된다는 비율적 개념에 기반한다.

비선형성의 결과

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Transister, 스피커 진동판, 변압기, 회로 소자 등 실제 장비는 완만한 선형이 아니므로 고조파를 생성한다.

고조파 크기 평가

2차, 3차 등 각 고조파의 RMS 값을 합산해 원래

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Fundamental RMS와 비교한다.

순수도, 정확도 지표

THD가 크면 신호는 더 왜곡되고, 스펙트럼이 흐려지며 명확성이 감소하낟.

THD와 THD+N

THD는 고조파만 포함하고, THD+N은 고조파 +

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Noise (잡음)까지 포함한 보다 현실적인 종합 왜곡 지표다.

레벨 의존적 특성

입력 레벨이 높아질수록 비선형 구간에 진입해 THD가 증가하는 경향이 있다.

구조

THD 정의


THD = √(V₂² + V₃² + ... + V_n²) / V₁

데시벨 표현


THD_dB = 20 · log10(THD)

THD+N


THD+N = V_total_distortion / V₁

RMS 기반


V_total_distortion = √( Σ V_harmonic² )

조건


Fundamental = V₁

예시

오디오 장비

하이엔드 앰프: THD < 0.001%

일반 소비자용 앰프: 0.01 - 0.1%

스피커는 구조적 비선형이 많아 앰프보다 THD가 상대적으로 크다.

ADC / DAC

고품질 변환기: THD+N (-100 dB 수준)

비선형 왜곡이 크면 음향 처리에서
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Aliasing, 음색 변화가 증가한다.

통신 장비

RF, 무선 송신기에서 THD는 스펙트럼 확산, 인접 채널 간섭의 원인이 된다.

전력 전자

인버터, 모터 드라이버의 THD는 전력 효율, 발열, EMI 특성에 영향을 준다.

계측 시스템

THD가 낮을수록 센서, 분석기, 오실로스코프의 정확도가 향상된다.

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Total Harmonic Distortion - THD

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구조