ねじれ

信号処理において、歪みとは信号の元の形状（またはその他の特性）が変化することです。通信や電子工学においては、電子機器や通信チャネルにおいて、音を表すオーディオ信号や画像を表すビデオ信号など、情報伝達信号の波形が変化することを意味します。

歪みは通常は望ましくないため、エンジニアは歪みを排除または最小限に抑えようとします。ただし、状況によっては歪みが望ましい場合もあります。たとえば、ドルビー システムなどのノイズ低減システムでは、オーディオ信号は、電気ノイズの影響を受ける信号の側面を強調するように意図的に歪められ、その後、ノイズの多い通信チャネルを通過した後、対称的に「歪みが解消」され、受信信号のノイズが低減されます。歪みは、特にエレキギターで音楽効果としても使用されます。

ノイズやその他の外部信号 (ハム、干渉)の追加は歪みとはみなされませんが、量子化歪みの影響がノイズに含まれる場合があります。ノイズと歪みの両方を反映する品質測定には、信号対ノイズおよび歪み(SINAD) 比と全高調波歪みプラスノイズ(THD+N) があります。

電気通信や信号処理では、ノイズのないシステムは伝達関数によって特徴付けられ、出力は入力の関数として次の ように表すことができます。${\displaystyle y(t)}$${\displaystyle x}$

${\displaystyle y(t)=F(x(t))}$

伝達関数が完全なゲイン定数Aと完全な遅延 Tのみで構成される場合

${\displaystyle y(t)=A\cdot x(tT)}$

出力は歪みません。伝達関数Fがこれよりも複雑な場合、歪みが発生します。Fが線形関数(たとえば、ゲインや遅延が周波数によって変化するフィルタ) の場合、信号は線形歪みを被ります。線形歪みは信号に新しい周波数成分を導入しませんが、既存の周波数成分のバランスを変えます。

この図は、信号（方形波とそれに続く正弦波で構成）がさまざまな歪み関数を通過するときの動作を示しています。

1. 最初のトレース (黒) は入力を示しています。また、歪みのない伝達関数からの出力 (直線) も示しています。
2. ハイパス フィルタ(緑のトレース) は、低周波成分を減らすことで方形波の形状を歪ませます。これが、パルスの上部に見られる「垂下」の原因です。この「パルス歪み」は、パルス列が AC 結合 (ハイパス フィルタ) アンプを通過する必要があるときに非常に顕著になります。正弦波には 1 つの周波数しか含まれていないため、その形状は変更されません。
3. ローパス フィルター(青いトレース) は、高周波成分を除去してパルスを丸めます。すべてのシステムは、ある程度ローパスです。フィルターの位相歪みにより、ローパスとハイパスの場合では正弦波の位相が異なることに注意してください。
4. わずかに非線形な伝達関数 (紫) は、真空管オーディオ アンプに典型的な、正弦波のピークを緩やかに圧縮します。これにより、少量の低次高調波が生成されます。
5. ハードクリッピング伝達関数 (赤) は高次高調波を生成します。伝達関数の一部は平坦で、この領域では入力信号に関するすべての情報が失われていることを示しています。

理想的な増幅器の伝達関数は、ゲインと遅延が完璧ですが、近似値にすぎません。システムの実際の動作は通常異なります。能動デバイス(真空管、トランジスタ、オペアンプなど)の伝達関数の非線形性は、非線形歪みの一般的な原因です。受動コンポーネント(同軸ケーブルや光ファイバーなど) では、伝搬経路の不均一性、反射などによって線形歪みが発生する可能性があります。

振幅歪みは、指定された条件下で出力振幅が入力振幅の線形関数ではない場合に、システム、サブシステム、またはデバイスで発生する歪みです。

高調波歪みは、音波の周波数の整数倍である倍音を追加します。[ 1 ]^{オーディオ}システムで振幅歪みを引き起こす非線形性は、ほとんどの場合、システムに供給される純粋な正弦波に追加される高調波（倍音）で測定されます。高調波歪みは、個々の成分の相対的な強度（デシベル）、またはすべての高調波成分の二乗平均平方根：全高調波歪み（THD）（パーセント）で表されます。高調波歪みが聞こえるレベルは、歪みの正確な性質によって異なります。THD測定値が同じであっても、異なるタイプの歪み（クロスオーバー歪みなど）は、他の歪み（ソフトクリッピングなど）よりも聞こえやすくなります。無線周波数アプリケーションでの高調波歪みは、THDとして表されることはほとんどありません。

非平坦な周波数応答は、フィルターで異なる周波数が異なる量だけ増幅されたときに発生する歪みの一種です。たとえば、AC 結合カスケード アンプの非均一な周波数応答曲線は、周波数歪みの一例です。オーディオの場合、これは主に室内音響、質の悪いスピーカーとマイク、長いスピーカー ケーブルと周波数に依存するスピーカーインピーダンスの組み合わせなど によって発生します。

この形式の歪みは、主に電気リアクタンスによって発生します。この場合、入力信号のすべてのコンポーネントが同じ位相シフトで増幅されるわけではないため、出力信号の一部が出力の残りの部分と位相がずれてしまいます。

分散媒体でのみ見られます。導波管では、位相速度は周波数によって変化します。フィルタでは、グループ遅延はカットオフ周波数の近くでピークになる傾向があり、パルス歪みが生じます。たとえば12 チャネル キャリアなどのアナログ長距離トランクが一般的だったときは、リピータでグループ遅延歪みを補正する必要がありました。

システム出力はy(t) = F(x(t))で与えられるため、逆関数F ⁻¹を見つけて、それを意図的にシステムの入力または出力を歪ませることができれば、歪みは修正されます。

同様の補正の例として、LP/ビニール録音またはFMオーディオ送信が線形フィルターによって意図的にプリエンファシスされている場合、再生システムは逆フィルターを適用してシステム全体の歪みを除去します。

逆関数が存在しない場合、たとえば伝達関数に平坦な部分がある場合 (逆関数は複数の入力ポイントを 1 つの出力ポイントにマッピングします)、修正は不可能です。これにより、修正不可能な情報損失が発生します。このような状況は、アンプがオーバードライブされたときに発生する可能性があります。つまり、一瞬、入力信号ではなくアンプの特性だけで出力が決まるときに、 クリッピングまたはスルー レートの歪みが発生します。

多くの対称電子回路は、歪み成分がほぼ同じ大きさだが位相がずれている回路の反対側の半分からの 2 つの信号を組み合わせることで、増幅器のコンポーネントの非線形性によって生成される偶数次高調波の大きさを減らします。例としては、プッシュプル増幅器やロングテールペア増幅器などがあります。

FSKなどのバイナリ信号方式では、歪みとは、信号パルスの重要な瞬間が、開始パルスの開始に対する適切な位置からずれることです。歪みの大きさは、理想的な単位パルス長のパーセントで表されます。これは、バイアス歪みと呼ばれることもあります。

電信歪みも同様の、より古い問題であり、マークとスペース間隔の比率を歪ませる。^[2]

歪んだ波形

短いサンプルのオーディオサンプルと、それに続くさまざまな歪んだバージョン。

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オーディオに関して、歪みとは、入力と比較した出力波形のあらゆる種類の変形を指し、通常は電子部品の非線形動作と電源制限によって引き起こされるクリッピング、高調波歪み、または相互変調歪み（ミキシング現象）です。 ^{[3]特定の種類の非線形オーディオ歪みの用語には、}クロスオーバー歪みとスルー誘導歪み（SID） があります。

その他のオーディオ歪みの形態としては、非平坦な周波数応答、圧縮、変調、エイリアシング、量子化ノイズ、ビニールレコードや磁気テープなどのアナログメディアからのワウフラッターなどがあります。人間の耳には位相歪みは聞こえませんが、ステレオイメージングに影響を与える可能性があります。

ほとんどの分野では、歪みは信号への望ましくない変化として特徴付けられます。音楽における歪みは、ヘビーメタルやパンクロックなどのロック音楽のスタイルでエレキギターの信号に適用され、エフェクトとして意図的に使用されることがよくあります。

視覚芸術における歪みとは、アイデアを表現したり、感情を伝えたり、視覚的なインパクトを高めたりするために、芸術家がフォームのサイズ、形状、または視覚的特徴に加える変更のことです。このような歪みまたは「抽象化」は、主に写真のように写実的な遠近法または現実的な比例関係からの意図的な逸脱を指します。例としては、ピカソの「泣く女」やエル グレコの「羊飼いの礼拝」が挙げられます。これらの作品の人物の主題は、標準的な遠近法では不可能な不規則で非対称な比例関係になっています (物理的な歪みではよくあることですが) 。

光学において、画像/光学歪みは、光学系の 光軸からの距離が増加するにつれて倍率が変化することによって生じる直線投影からの逸脱です。

地図作成において、歪みとは、地物の面積や形状を誤って表現することです。たとえば、メルカトル図法では、高緯度の地域の大きさを誇張して歪ませます。

 この記事には、連邦規格 1037Cのパブリック ドメイン マテリアルが組み込まれています。一般調達局。2022 年 1 月 22 日にオリジナルからアーカイブされました。( MIL-STD-188 をサポート)。

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