表征PC音频系统的音频性能介绍

beoplay

表征PC音频系统的音频性能介绍


无处不在的PC不再仅仅是一个复杂的词汇处理器或电子邮件工具它正在迁移到个人自动点唱机甚至家庭的娱乐中心。新的以媒体为中心的软件和操作系统，更复杂的音频和视频硬件，以及超越传统立体声设备的有吸引力的功能，使得PC成为新的音频和视频传输系统。

家庭娱乐硬件很久以前达到了技术成熟度，提供了高质量，可靠性和卓越的价值。但PC增加了新的源材料组织和可访问性水平，远远超出CD或黑胶唱片集。PC可以让您在家中的任何地方欣赏他们的媒体，与几个家庭成员分享独立和同时的音乐收藏。可以快速调用选择并创建播放列表以获得前所未有的便利。



当然，我们很少有人愿意为这种额外的便利交换音频质量。消费者对即使是低成本的传统立体声音响也能提供很高的期望。不幸的是，即使是低端立体声系统也经常能够超越基于PC的音频系统的整体音质，当这些时候商店货架上有如此多的声卡宣布“24位，”这样的令人印象深刻的数字时很难相信“”96kHz“和”100dBTHD。“

但是今天的PC音频系统实际上提供了什么级别的音频性能？当然，数字-模拟转换器不再是几年前的限制因素;具有出色THD+N规格的24位转换器现在成本低且易于使用。但是嘈杂的PC环境，转换器使用的支持电路不足以及PC和外部音频设备之间的互连都会降低整体系统性能。

在本文中，我们将介绍如何表征PC音频系统的音频性能，一些错误来源以及在PC环境中进行某些测量的困难。我们将讨论常见的测量实践，应该测量的内容以及如何报告结果。

解构PC音频设备

首先，让我们清楚一下PC音频设备是什么。最明显的形式是熟悉的“声卡”，一种将PC音频功能添加到PC的插卡。但它也可以是主板实现，基本上相同的插件声卡组件直接安装在主板上。PC音频设备也可以是通过USB或IEEE-1394接口连接到PC的外部盒。我们将所有这些设备视为相同，因为通常它们的功能类似。图1显示了典型PC音频设备的框图。

图1.典型PC音频设备的方框图。



请注意，有几条信号路径。我们可以将它们组织成两组：记录或模拟到数字路径以及播放或数字到模拟路径。与这两个路径组相关联的是两个混合器面板，这些面板由设备驱动程序创建，并且可以在MicrosoftWindows中显示。典型的混音器面板，如图2所示，为每个信号源提供推子或电平控制。它通常还包括一个静音或选择复选框，以启用或禁用特定源。对于大多数设备，Play混音器是一个真正的混音器，可以完全自由地混合任何变化的音源。但是，Record混音器通常不是混音器，而是一个多路复用器，它一次只能选择一个可用的源，尽管每个源都有单独的推子。

每个音频设备都有一组特定的功能，包括输入和输出的类型和数量。几乎每个设备都有一个线路输出;有些还包括环绕声输出：后置，前置中置和低音扬声器声道。大多数设备都有线路输入，许多设备也有麦克风输入。笔记本电脑可能只有麦克风输入但没有线路输入。许多声卡都有额外的线路电平输入，如辅助输入，CD输入等。

图2.典型的PCMixer面板。此示例是播放控件。



此外对于这些模拟路径，较新的设备还可以包括数字路径。更常见的是数字输出，尽管有些也可能有数字输入。这些通常标记为索尼飞利浦数字接口的“SPDIF”。该数字格式遵循IEC60958，AES3和AES3id中描述的标准中描述的定义。通常包括数字输出以将DolbyDigital或DTS编码的环绕声5.1或7.1数据提供给可能存在于接收器中的外部解码器。

这些数字输入和输出也显示在图1的框图中。许多设备可能在数字路径中包含增益控制，该控制由Play或Record混音器面板上的推子控制。当然，这个推子不是以与其他模拟推子相同的方式混合这个音源，而是提供音量调节。

所有数字信号都具有特征采样率，并且所有转换器都以特定的采样率运行。有时需要在不以相同采样率运行的设备之间交换数据。在这种情况下，使用采样率转换器。通常，PC音频设备将以固定的采样率运行其内部转换器，通常为44.1kHz或48kHz。但该设备可能能够以各种采样率（可能在8kHz至192kHz范围内）接受外部信号，并在类似的速率范围内提供输出信号。这通常是通过将转换器保持其原始速率但使用采样率转换器为外部接口提供这些额外速率来实现的。

采样率转换器可能是信号衰减的来源，这表明测试以不同的采样率进行。

潜在的关注领域

由于性能预期很高，因此非常需要测试PC音频设备并查看他们如何匹配。虽然PC音频设备在很多方面都是普通的音频设备，实际上很像录音机，测试可能会带来一些新的和不寻常的挑战。PC环境中存在可能使测试变得困难的独特条件：音频不友好和嘈杂的环境，设置级别和路由信号的困难，共享资源以及难以访问的软件界面。并且，考虑到所涉及的连接器类型和系统接地，实际测试设置甚至比传统音频设备更重要。

消费类PC音频设备通常为所有模拟输入和输出提供3.5mm尖端环套管连接器，为数字接口提供RCA或phono同轴连接器。这些模拟连接器不提供稳固的接地连接，通常会导致接地回路，噪声和干扰拾取。为了最大限度地减少这个问题，请使用重型（＃12或更大）电缆将PC机箱牢固地连接到仪器接地，以补充被测设备和测试仪器之间的接地连接。PC端的大鳄鱼夹通常有帮助。我们的经验表明，通过增加这种辅助接地，可以将测得的噪声降低6到12dB。有关接地电缆如何减少实际系统中电源嗡嗡声分量的示例，请参见图3。

图3.在PC和测量仪器之间有和没有补充接地连接的噪声的低频频谱分析图。



另一个值得关注的领域是噪音干扰和带外噪音。这些可以来自各种来源。当然，PC机箱充满了可能的噪声源：时钟，开关电源，硬盘驱动器，监视器水平和垂直扫描以及过采样转换器。根据我们的经验，这最后一个来源是最棘手的问题之一。目前大多数转换器采用delta-sigma设计，可将噪声推出音频频段，从而提供更安静的音频频段，以获得超过20kHz的显着但不可听见的噪声。虽然这种技术提供了显着的音频性能优势，但它可能会给测量带来问题。虽然人类听觉可能会忽略20kHz以上的能量，但大多数音频分析仪的响应都很平坦，通常超过100kHz甚至500kHz。这些分析仪会对带外能量做出反应，偶尔会产生错误的读数。音频工程协会的标准AES17建议使用尖锐的20kHz低通滤波器来测量带有数模转换器的设备。图4显示了具有和不具有此滤波器的设备的噪声频谱的示例。

图4.过采样D-to-A转换器输出的频谱分析图，显示超过20kHz（红色曲线）的带外噪声上升，并且通过添加AES17低通滤波器。

beoplay

表征PC音频设备

要测量PC音频设备性能，可能很容易将模拟音频测试信号发送到线路输入，将其记录在硬盘驱动器上，然后播放通过线路输出信号回到模拟音频分析仪。这将表征A-to-D和D-to-A转换器路径，但不能导出转换器路径的单独测量值，或者无法表征数字路径或任何采样率转换器。要单独测量这些路径，必须将信号直接路由到PC数字总线或从PC数字总线路由。

简单的模拟-模拟复合路径的另一个问题是没有绝对的方法来评估数字总线上的信号电平。信号操作水平会对性能产生重大影响，我们稍后会看到。记录和播放混音器推子通常不经过校准，无法通过任何方式设置特定增益，这是表征的必要部分。

有许多方法可以访问PC数字总线上的信号。一种方法是使用软件工具在数字域中生成测试信号，并分析数字域中的信号。当此方法与外部模拟测试发生器和模拟分析仪一起使用时，可以独立地表征D-to-APlay路径和A-to-D记录路径。一些音频测量系统可以产生发生器测试信号文件，可以通过D-to-A路径在PC上“播放”，并且可以接受记录的信号文件进行分析。一些系统提供与PC总线的直接连接，以实现实时信号生成和测量。AudioPrecisionPC音频测试应用程序提供了进出PC数字总线的直接路径，允许实时进行测量，无需记录和随后回放测试信号。

我们在这里做的是什么是跨域测量。我们希望生成具有已定义特性和特定测试级别的数字测试信号，通过D-to-A转换器流式（或“播放”）此测试信号，并使用模拟分析仪测量模拟结果。然后我们需要生成一个定义的模拟测试信号，将其发送到线路输入并记录信号，并在数字域中分析这个数字记录的信号。这允许独立分析两个主要路径，并使用适当的软件准确控制测试级别。AudioPrecision2722系列音频测量仪器是真正的双域架构，允许同时生成和测量模拟和数字信号。

参考水平

任何测试过模拟磁带或录音机的人都知道，在表征此类设备时，建立参考测试级别非常重要。每个音频组件都具有最佳操作级别。太高，你接近或超过削波或过载;太低了，你进入了噪音区域。在削波或过载之前舒适地低于最大水平运行将获得最佳性能。在进行任何测量之前，测量标准在设置参考电平时非常清楚。

参考电平通常通过将测试信号馈送到器件的输入并逐渐增加该信号的电平来建立，同时监视器件输出的电平和失真。各种标准和通用实践设定了最大信号电平的定义。这可能只是削波的开始，通常定义为低于1％（-40dB）总谐波失真点，或低于该点1或3dB。

这是PC音频声卡测试最大的困难之一。使用简单的模拟放大器，通常很容易确定削波的开始。THD与水平的关系图将显示此时曲线中非常明显的拐点以及超出此点的失真急剧上升。在数字系统中，最大级别不称为削波，而实际上是数字字的满量程值。在模拟系统中，削波点可能有些软;在数字系统中，达到满量程是非常突然的。虽然模拟系统中偶尔的轻微过载可能会听起来令人反感，但数字系统中满载的过载是完全无法容忍的。认识到这一点，许多A-to-D系统包括某种形式的压缩或限制，将最大信号轻轻地约束到满量程以下的某个点。这可能使最高水平的确定变得困难，因为当它永远无法实现时，不可能寻找数字满量程。图5中的曲线图示出了在PC音频设备的线路输入电路中可能发生的情况，其结合了A/D转换器中的限制。

图5.PC音频设备中A/D转换器路径的典型传输曲线。注意非线性压缩，因为输入信号接近满量程值但从未达到此值。红色曲线是THD+N的曲线图，当信号电平接近满量程时显示急剧上升。

  

音频工程协会已经解决了这个问题，并建议在这些系统中遵循正确的做法来建立参考水平。标准AES17和AES6id推荐一种确定最大电平的方法，首先确定仅产生1％THD（-40dB）的信号电平，然后从该点降低0.5dB的电平。此级别定义为现在可以轻松低于数字满量程的最高级别，但仍然足够高以提供最佳噪声性能。然后相对于该参考点进行特定测量。例如，应使用低于此参考电平1dB或3dB的信号测量失真。频率响应在该参考点以下20dB处测量。已建立这些测量级别，以便为特定测量提供最佳操作点。

控制卡

在设备上进行测量的过程中，必须控制设备的某些参数。必须为特定测量建立信号路由;也就是说，必须选中或取消选中相应的混音器复选框。必须设置和优化路径增益，以便为每个特定测量提供最佳性能。这里的困难在于增益设定元件（混合器面板上的推子）未经校准。更复杂的是，他们的控制律通常在制造商之间不一致，并且可能在推子的不同位置发生变化。实际增益元件具有离散步骤，在某些器件中可能会粗略地达到1.5dB或更高。这可能使精确设置变得困难。

某些测量可能需要迭代调整多个增益元素才能获得最佳性能。例如，最佳噪声和失真读数可能需要仔细平衡发生器测试电平，推子电平线和主推子电平。这些中的每一个通常仅影响路径的一部分中的信号电平，并且为了最佳整体系统性能而平衡整个系统中的信号电平，每个必须被最佳地设置。

进行测量

PC音频设备上的实际音频性能测量与传统音频设备上的测量非常相似。主要测量是频率响应，噪声和失真。在立体声或环绕声系统中特别相关的附加测量是声道间相位和声道间串扰。

频率响应是最常见的，也许是最容易理解的测量。它表达了系统的平整度以及它如何为声音着色。它通常以水平轴为20Hz至20kHz的对数频率的图形表示。频率响应也可以以至少两种方式之一以数字方式报告：作为特定带宽上的幅度偏差，或者作为提供特定幅度方差的带宽。以下是此表达式的两个示例：

频率响应（-20dBr）：＆＃177;1.5dB相对于1kHz，20Hz至20kHz

频率响应（-20dBr）：相对于1kHz为+1，-3dB，18Hz至19.5kHz

两次测量均表明它们的执行速度低于参考电平的20dB。第一个表示20Hz至20kHz音频频段的响应偏离1kHz处的归一化电平不超过1.5dB。第二个表达式表明器件的“3dB下行带宽”为18Hz至19.5kHz，这意味着相对于1kHz的归一化0dB电平的响应在该频段内在+1dB和-3dB范围内。/p》

一些建议还要求测量通带纹波。这是一种专门的频率响应测量，侧重于转换器重建和抗混叠滤波器可能产生的响应误差。在转换器的早期阶段，这种纹波可能是响应平坦度的重要因素，但对于今天的转换器来说，这个问题要小得多。改进的滤波器设计和过采样转换器将通带纹波降低到微不足道的水平。

噪声的测量更为复杂。这里严格建立参考水平很重要，因为这会直接影响结果。噪声始终相对于参考表示。在表达“信噪比：-75dB”中，该比率的信号部分是参考电平。

对于模拟电路，通过建立参考电平来测量噪声，以低阻抗（即无信号）终止输入，测量噪声并报告两者之间的差异。该方法不能用于PC音频设备中的数字路径。简单地终止模拟输入将导致转换器关闭电路，产生不切实际且不正确的结果。在测量噪声时必须保持电路开路。在明显的矛盾中，我们必须在信号存在的情况下测量噪声。

有一个简单的技巧可以做到这一点：我们使用非常低的刺激信号测量THD+N.该技术将使用设置为相同频率的窄陷波滤波器小心地从测量中去除刺激信号。如果测试信号的电平足够低，产生的失真分量将低于噪声电平，分析仪将只能看到噪声。也就是说，THD+N的N将是主要部分，而低级测试信号仍将保持路径开放。标准建议使用-60dBr的测试信号。由于使用的方法不同，这种噪声测量称为动态范围而不是信噪比。它是参考电平和噪声电平之间差异的度量，以分贝表示。

测量噪声或动态范围时，测量带宽和频率加权非常重要。测量带宽应限制在20Hz至20kHz的音频频段，以排除音频频段以上的听不见的带外噪声，以及任何低于20Hz的所谓闪烁噪声。还可以应用频率加权，以产生与人类对噪声的感知更紧密对齐的结果。例如，在低声压级下，人耳对高频和低频不太敏感。由于噪声通常处于较低水平，因此在低水平下以类似于人耳的响应过滤噪声测量是有意义的。

两种频率加权曲线是常用的：“A-加权“和”CCIR-468“或”ITU468“。这些都显着地消除了低频和高频，如图6中的响应曲线所示.A-Weighting曲线常用于北美，而CCIR-468曲线在其他地方很受欢迎。

图6.常用的噪声加权曲线。两条曲线都接近低音量时人耳的响应。

   

报告噪声或动态范围时，重要的是要包括测量带宽以及使用了哪些加权滤波器（如果有）。以下是报告动态范围的正确方法示例：

动态范围：85dB，A加权

这表示建立的参考电平与噪声之间的差异A加权波段为85dB。

测量失真

最常见的失真测量方法是THD+N（总谐波失真加噪声）。这使用单个纯正弦波作为刺激。分析仪通过模拟或数字带阻或“陷波”滤波器消除此基波，并测量剩余的所有内容，包括器件产生的谐波和测量带宽内的噪声。这种类型的测量是质量的良好指标，但是应该考虑一些问题。

应以多个频率测量失真。设备中的不同元素可能导致失真。这些元素中的每一个可以在光谱的不同部分表现出不同的非线性行为;例如，一些可能仅在较低频率或仅在较高频率下显示增加的失真。为了完整起见，在很宽的频率范围内测量THD很有用。

这带来了带限设备中THD+N测量的固有问题。实际上，所有使用转换器的设备都是带限的，因为它们必须包括抗混叠和重建低通滤波器。为了使THD测量有效，必须至少测量二次谐波，优选三次谐波。如果设备的带宽为20kHz，则表明可测量的最高有效测试频率约为6或10kHz。较高频率的测量没有意义，因为它们的谐波落在有限的通带之外。当然，这并不意味着在较高频率下没有感知失真;实际上，许多设备在较高频率下会有增加的失真。那么如何衡量呢？

互调失真或IMD方法测量由两个或多个信号的相互作用产生的失真产物。有几种测量IMD的技术，但最有用的是使用两个相等幅度的高频。失真分量将是两个测试信号的和频和差频以及测试信号的谐波的和频和差频。这里的关键点是差异分量将落在音频带内。例如，使用18kHz和20kHz的测试信号，二阶差分乘积将降至2kHz。这是可用于表征带限设备的高频失真性能的技术。同时测试信号可以靠近器件的高频带边缘，并产生带内失真分量。

失真测量，无论是THD+N还是IMD，都不应该使用频率加权。对失真分量进行加权会导致读数不切实际。但是，在测量THD+N以减少带外噪声的影响时，频带限制很有用。

与立体相关的测量

上述三个主要测量结果可以很好地描述设备的性能。两种额外的测量虽然不太常见，但在立体声和环绕声系统中特别有用的是声道间串扰和声道间相位差。这些类别中的任何一个都表现不佳会影响空间成像，这是立体声和多声道环绕声体验的重要特征。模拟分量匹配，数字样本排序和数字时钟可以影响这些参数。

通过用纯正弦波激励所有通道并测量所有通道相对于参考通道的相位差来测量通道间相位。重要的是在音频频段的几个频率上进行此测量，因为大多数相位衰减将发生在极端频率。

通过刺激一个或多个通道并测量泄漏到未驱动通道中来测量通道间串扰。为了获得准确的结果，应使用调谐到刺激信号的跟踪带通滤波器进行测量。该方法将排除噪声和其他信号，仅提供串扰读数。

特殊测量

到目前为止讨论的五种类型的测量都与音频性能有关。除此之外，还有一些专门针对PC环境的测试。

PC的主要功能不是以音频为中心，因此通常不会针对音频性能进行优化。这是一个电噪声环境，它共享资源以提高效率。大多数非音频应用程序都能容忍这种现实的后果。如果文件传输中断半秒，则甚至没有注意到。但是中断音频节目传输几毫秒，大多数听众会认为这是不可接受的。通常，开关电源和硬盘驱动器产生的电噪声不会影响程序操作，但会给音频程序带来不可接受的噪音。

这些条件中的许多都是音频世界的新功能，所以测试不常用来量化它们。然而，有一些测试可用于评估整体性能。

动态范围（针对数字音频电路优化的信噪比测试）可在执行PC的各种功能的同时执行干扰。长时间测量的THD+N可能会暴露由资源过载情况引起的偶然“故障”。几乎所有THD+N分析仪上使用的陷波滤波器都是一款出色的信号放大器，对振幅或相位随时间的变化非常敏感。信号丢失，重复，瞬态尖峰或其他干扰将显示为失真的突然增加。在激发系统刺激这种干扰的同时监测失真残差可能是一种有效的测试。

将所有这些结合在一起

随着对期望的提高在多媒体PC的音质，需要测试增加。使用基于传统方法的测试技术并适应PC的特殊要求可以成为表征质量的明智工具。

对于有效的PC音频设备测试，请密切关注测试设置并执行一系列全面的测试。通过对结果的仔细诠释，PC音频设备设计人员或制造商可以通过提供高质量家用立体声系统的音频质量来满足要求苛刻的客户，但具有PC带来的附加功能和便利性。

AudioPrecisionPC音频测试应用程序与2722系列测量仪器配合使用，可以执行各种国际测量标准中规定的所有测量。它在模拟和PC总线数字点提供直接信号连接，以允许对每条路径进行独立和全面的表征。它控制被测设备，并且可以使用复杂的多阶段迭代算法自动建立如上所述的参考水平。图7是此应用程序生成的测试报告的示例。

图7.AudioPrecision的PC音频测试应用程序生成的D到A路径的样本测试报告。



图8.AudioPrecision的PC生成的PC音频测试应用程序音频测试应用程序。

Alesis

表征PC音频系统的音频性能介绍