评定PC音频系统(一)
——了解PC音频的电气和声学参数
作者：夏松
现今，音频系统在整个PC中的比重已相当大。也正因为如此，在使用声卡和音箱的过程中我们也会遇到众多问题，如何去了解自己的音箱和声卡的性能？用耳朵听？但人耳能够感知的声音范围毕竟有限。那么你是否想了解如何用专业的方法评定音频系统呢？
本专题主要涉及PC环境下的音频质量测定方法，无论是电气标准还是声学标准都有特别的测量方法和步骤。文中某些测量标准参考了微软PC'97、PC'98、PC'99以及Intel AC'97还有MPC3的相关标准。目的是为了建立一套完整和科学的PC音频系统测量方法。或许您难以接触到文中提到的某些测试设备，但阅读完本专题之后，您至少能明白音频系统应该从哪些方面去评定、评定的项目说明了什么。如果有兴趣，还可以利用一些软件测试自己的音频系统。这时您会发现，全面地测试和评定一套音频系统并非想像中那么困难。评定PC音频系统主要从电气性能和声学性能两方面进行测试，所以本篇的重点是让大家了解这两部分的基础知识。
一、PC音频电气性能相关的参数
与PC音频质量相关的电气性能参数如下：
－满幅输入电压(Full Scale Input Voltage，A-D-PC)
－满幅输出电压(Full Scale Output Voltage，PC-D-A)
－频率响应(Frequency Response，FR)
－总谐波失真加噪声(Total Harmonic Distortion plus Noise，THD＋N)
－动态范围(Dynamic Range，DR)
－持续功率(Continuous Power)
－信道间干扰(Crosstalk Between Signal Channels)
－系统运转时的噪音(Noise Level during System Activity)
－采样频率精度(Frequency Accuracy)
－输入阻抗(Input Impedance)
对于上述各种评定项目，所有测试成绩都在终端用户可接收的信号点测得，比如Line In和Line Out接口。如果未特别说明，测量的带宽为20Hz～20kHz，测试信号频率是997Hz，系统采样率为44.1kHz或更高。混音器(Mixer)的设定为所有音量控制信道中无衰减或增益(0dB)，只有测试信道的信号通过。
当然，在动态范围(Dynamic Range)测试中必须过滤掉噪音以补偿人耳对频率的敏感度，以便将极高或极低频率对最终测试结果带来的影响降至最小。你可以使用CCIR-486或者是A-weighting权重过滤器。如果在测试过程中需要用到额外的设备，那么这些设备必须要有自己额定的性能标准，以便和最终测试成绩相比较。所有测试方法均来自Audio Precision's Audio Measurement Handbook、AES17-1991测试标准以及EIAJ CP-307 CD测试标准。
● 满幅输入电压
满幅(也叫做满载)输入电压是指能够使得A-D(模拟/数字)转换器的输出刚好达到最大时的电压输入，通常用于线性输入或是麦克风输入。此时波形的正负波峰皆无限幅(Clipping)产生。输入电压产生任何的偏移都会减少微量的满幅输入电压。另外，模拟电路也会在数字满幅输出编码达到之前因饱和而限制满幅值。这时混频器应控制在0dB的水平，因为所有基于PC音频的测量都是16bits，在THD＋N小于－40dB的时候满幅值为±32767，所以只要涉及模拟输入的测试值都参考其满幅值而得。
在一些设备中，模拟混频器(A-A)的满幅值可能和最高信道满幅值不一样，这种情况下应该设定为模拟混频器的满幅值而不是最高满幅值，而其他的测试仪器则需要使用最高信道满幅值(A-D-PC)。当模拟混频器和最高信道满幅值不一样而只能选择其一作为测试参考时，通常是使用较小的那个。
● 满幅输出电压
输出满幅值和输入满幅值很相似，不同的是输出的负载(Load)。通常，PC音频输出的计用于驱动三种负载：线性电平、耳机以及音箱。线性电平设计通常在驱动能力上是最小的，对其测试的负载一般应设定在40kΩ以上。而对于驱动耳机以及音箱的输出设计，用于性能测试的负载就重要得多，而且需要考虑最终用户的具体需求。耳机的阻抗一般在16Ω到92Ω之间，32Ω是最常用的。音箱测试负载应该设定在8Ω。和线性电平不同的是这些负载必须还得和最终测试结果相匹配。而对于设计为多功能输出的设备，就应当分别以相应的负载予以测试。某些解码器能够让输出信号以波形振幅的形式予以扫描，这样我们就能从图中直观地看出限幅点。图3描述了设计用于线性和耳机输出的某设备在相应负载下测试的THD＋N的情况。当输出开始负载的时候，满幅输出值就开始变化，这也说明了适当的负载对于模拟输出测试的重要性。
输出的满幅值被定义为输出设备在相关信号电平中THD＋N小于－40dB、输出997Hz的满幅数字正弦波时的电压。如果THD＋N达不到低于－40dB的水平，则该满幅值就被定义为比输出数据中产生－40dB THD＋N的点低0.5dB的输出电平值。如果数字满幅值不是完整的16位，那么在相关说明中必须清楚地标识出实际的满幅位数。
● 频率响应
频率响应(FR)反映了信号频率变化时的信号电平值，通常描述这一参数时需要用到振幅限度(Amplitude Limites)或是Ac(Amplitude corners)作参考，一般设定振幅限度Ac为±1dB或是±3dB。FR通常在带宽20Hz到20kHz的范围内测试，如果要用到点频率(Spot Frequency)测试，就应该选择等于或小于一个8度音阶间隔的频率。设置绝对电平大小为低于标准频率
－20dB的值，这个电平值设置可以将因为测试元件给FR测试带来的失真降低到最小的程度。在997Hz的位置测定电平值并将其设定为0dB，并使其他的频率测定设备都以997Hz为标准。若以图4为例，FR就应该表示为：
FR(Ac＝1dB)＝40Hz到19kHz
而更准确的表示方法就是：
FR＝＋0.5，-1dB From 40Hz to 19kHz
频率响应的测定共有五个项目，分别是：模拟混频器的FR测定(A-A)、录音的FR测定(A-D-PC)、回放(Playback)的FR测定(PC-D-A)、模拟录音和回放路径的FR测定(A-D-PC-D-A)，以及数字回放与录音的FR测定(PC-D-A-D-PC)。测试时都会用到一个(20Hz到20kHz)－20dB FS的正弦波信号，前三项最终会绘制信号电平对频率的变化曲线图(和图4类似)；后两项则需要设定系统自动录音并回放。
●总谐波失真加噪声(THD＋N)
THD是信号中谐波的振幅对测试信号本身振幅的比率，而我们使用得最多的则是THD＋N，它被来表述输出信号中的谐波以及噪音信号的大小
在失真度很小的系统中，THD＋N的值几乎和设备动态范围(DR)值相近；而在失真较大的系统中，THD＋N值。就超过了DR，也说明了系统存在严重失真。我们通常用－3dB FS的信号电平为基准来测试THD＋N，在这种状态下能监测到大范围的失真度。人耳对极强信号的频率敏感度是比较无力的，因此当使用较强信号作为测试基准时，就无需额外的滤波器了。某些分析器还能根据信号电平变化持续地测定THD＋N(图5)。当然，结果都应该是对应满幅值的测试。许多分析器都用dB表示THD＋N值的大小，我们可以使用关于“分贝”的知识中的公式将其转换为百分比。
下面是一个线性输入录音的THD＋N测试结果的表示方法。
THD＋N(997Hz，－3dB FS)＝－85dB FS
上述例子指出了测试信号为－3dB FS、977Hz的满幅正弦波线性输入，对应于数字满幅值时的THD＋N为－85dB。
THD＋N的测定项目共有四个，分别为：录音的THD＋N测定、回放的THD＋N测定、模拟录音和回放路径的THD＋N测定(A-D-PC-D-A)，以及数字回放和录音路径的THD＋N测定(PC-D-A-D-PC)。
以上几个项目的测试都需要用到-3dB FS的正弦波，其中第二和第四项的测定值较容易获得。必须指出的是，录音的THD＋N测定会记录一块数据到文件或是内存并对其实施FFT分析，再将噪音的RMS总和加上失真成分(并非测试信号)与OdB FS的值作比率，得到THD＋N并产生A-D输出数据的频谱图(图6)。而模拟录音回放路径的THD＋N测定(A-D-PC-D-A)则需要设定系统同步录音并回放，通过增强输入信号直到模拟输出信号产生限幅来建立0dB FS电平，并将电平位设置到刚好低于限幅点的位置。然后将输入信号降低到－3dB FS，在模拟输出信号中过滤掉基波并测定残留的信号电平，与最初测定的0dB FS电平作比较可得到THD＋N的值。
如果只有模拟音频分析器，这种方法就非常有用。一些测试仪器能够对残留波形信号分析出频谱图，分析出残留信号的频率特性而不仅仅是振幅值(图7)，显然拥有频谱图能对解决问题有更好的帮助。比如后文中的一个频谱图中就清楚地指出了电力线(Power Line)谐波对最终测定结果的影响。如果没有频谱图，就很难判断出混合在最终测试结果中的电力线谐波影响。
●动态范围
动态范围(Dynamic Range)是最大不失真信号(也就是满幅信号)和纯噪音信号电平值的比率，此处的噪音是指没有信号输出时的噪音值，通常用dB FS表示。该参数通常作为绝对数值给出而不是一个范围，在非正式场合也被称作SNR(Signal-to-Noise Ratio)。
我们可以使用测试THD＋N的仪器来测量DR值，习惯用-60dB来检测这一个数值，因为输出音量接近满载时，THD(总谐波失真)的表现会比较差，而此时产生的谐波会盖掉原本就存在的噪音，影响测试成绩，所以采用-60dB的测试信号。当然，只要不产生失真，其他振幅的测试信号也可以使用。回放路径的DR测定结果可以表示为：DR＝85 dB FS A这个例子指出了在满幅线性输出下，相关的回放路径其动态范围为85dB FS，后缀“A”表示在路径中使用了一个权重滤波器。
●持续功率
该参数是包括线性输出(耳机和音箱等)在内的各种负载所需要的参数，它能为使用997Hz正弦波形工作在满幅电压下的相应负载提供工作功率。当然这也应该是正常情况下可达到的最大功率，因为它是基于满幅输出的一个参数。典型的负载对耳机来说是30Ω，而对音箱而言则是8Ω，这些参数在相关测试数据中都必须给出来。
举例来说，如果实现满幅输出到耳机(负载状况:30Ω/通道)时电压为1.2VRMS，那么持续功率就应该为：
Continuous Power＝U2/R＝1.2×1.2/30＝48mW
最终结果可以表示如下：
Headphone Continuous Power(30Ω)＝48mW/Channel
●信道间的干扰
需要特别说明的是，此处的干扰(Crosstalk)是指从一个信道到另一个信道所产生的信号泄漏。这是在很多情况下都有可能产生的，比如：在立体声输入或输出(成对的)中从左信道到右信道或者是从右信道到左信道的干扰；输入对输出的干扰；以及输出对输入的干扰等等。对上述情况的测试几乎都是大同小异的，只要采取恰当的信道连接方法就能达到目的。
●系统运转时的噪音状况
目的是测量在系统设备运转时对声音的回放或是录音带来的噪声影响，这些设备运转包括：鼠标、键盘移动/工作，显示器、硬盘或CR-ROM工作等。要进行这些测试的一个方法就是重复DR的测量方法，在过程中故意强制性的运转相关外设，如果在DR结果中看到明显的削弱信号，那么我们就能从听音测试中监测到这种噪音。
●频率精度
当玩家们将PC系统用于录制或是回放音乐时，采样率(Sample Rate)的精度就显得非常重要了。对录制而言，如果采样率不正确，那么录制在电脑中的文件在不同系统中回放时就会相对原声产生各种偏移；同样，回放预先正确录制的文件也会产生各种偏移导致声音失真甚至不堪入耳。
那么，怎样才能正确测定频率精度呢？请看表2。
●输入阻抗
阻抗(Impedance)反映了电路或设备对交流电流的阻力。它是在入口处测得的阻抗，表示一个输入放在一个驱动它的信号源的负载数量。高输入阻抗能够减小电路连接时信号的变化，因而也是最理想的。在给定电压下最小的阻抗就是最小输入阻抗。作为输入电流的替代或补充，它确定输入功率要求。常见的输入阻抗有线性输入阻抗和麦克风输入阻抗两种，我们需要具体测试的也主要是这两种。
线性输入阻抗(Line-Level Input Impedance)
1.线性输入阻抗(Line-Level Input Impedance)
线性输入阻抗的设计应该高于10kΩ，而最佳设计应该是在47kΩ左右(这也是典型的消费性音频产品的负载等级)。对此的负载应在997Hz的状况下予以测定。
2.麦克风输入阻抗
麦克风的输入阻抗根据声卡级别以及品牌的不同而各有差异，图8显示的是最常见和通用的麦克风以及设备输入电路图。其中MIC插座电路图是最常见的，该插座可以支持2针或3针(图8左图示意)的麦克风输入。在MIC插座中存在两个阻抗的联合工作，即是图中的标准输入阻抗Zi以及偏阻抗(Bias Impedance)Rb。输入阻抗Zi对麦克风的电压敏感性有直接的影响，所以应该是越大越好，典型的设计是在20kΩ以上(以便在量级上超过Rb)而且最小不能低于10kΩ。
偏阻Rb有两个元件—一个AC(直流)阻抗以及一个DC(交流)阻抗。如果Rb是直接连接在偏压Vb上的电阻器，那么AC及DC阻抗就是一样的。DC阻抗以及偏压Vb将决定麦克风的工作电压，AC阻抗则是对麦克风的敏感度有影响而且在977Hz下测试不能低于2kΩ。
