在2015年時(shí)，對(duì)于音頻儲(chǔ)存、音頻傳輸以及音頻流的應(yīng)用技術(shù)尚未有太大的爭(zhēng)議，這些均為數(shù)字音頻。除了在精品或發(fā)燒友店出售少見的盤式磁帶，其余均為數(shù)字音頻。使用得當(dāng)?shù)脑?，?shù)字音頻十分靈活耐用且音頻品質(zhì)高。PCM（脈沖編碼調(diào)制）錄音、無(wú)損環(huán)繞格式，以至有損壓縮都可以為我們的日常唱片播放原聲音樂。當(dāng)然，在空氣中傳播的聲音并非數(shù)字化的。人的聲音或樂器產(chǎn)生的壓力波通過某種傳感器后被記錄下來(lái)。這些傳感器將壓力波模擬量以相對(duì)應(yīng)的電壓做出響應(yīng)。同樣地，在數(shù)字感應(yīng)鏈末端，數(shù)字音頻信號(hào)最終將震動(dòng)空氣，使原聲波模擬量的電壓驅(qū)動(dòng)傳感器產(chǎn)生壓力波。

在靠近數(shù)字鏈?zhǔn)级颂?，須使?a href="http://www.asorrir.com/tags/模數(shù)轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)為相應(yīng)的數(shù)字音頻信號(hào)。在靠近數(shù)字鏈末端處，須使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）將數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)回模擬電信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器及其內(nèi)部數(shù)字鏈的鏈接品質(zhì)是決定呈現(xiàn)給聽眾的整體音質(zhì)的關(guān)鍵所在。

音頻轉(zhuǎn)換器測(cè)試

音頻測(cè)試的傳統(tǒng)方法也可用于模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的評(píng)估測(cè)量方法包括：頻率響應(yīng)、信噪比、通道間相位、串音、失真、群延遲、極性等。但在連續(xù)取樣域間的轉(zhuǎn)換帶來(lái)一系列（尤其針對(duì)低電平信號(hào)的）新非線性機(jī)制。本文針對(duì)的是在模數(shù)/數(shù)模音頻轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)的問題以及就這些問題制定的一些解決辦法。

當(dāng)然，模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器還被廣泛應(yīng)用于非音頻用途中，比音頻轉(zhuǎn)換器的取樣率更高。性能卓越的示波器帶寬可達(dá)到33GHz，取樣率高達(dá)100 GS/s，其售價(jià)和蘭博基尼差不多。雖然音頻轉(zhuǎn)換器的取樣率并未接近此值，但是要求它們覆蓋更大的動(dòng)態(tài)范圍，其高性能24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信噪比超過120 dB。即使是高端的示波器通常也只使用8 位數(shù)字轉(zhuǎn)換器。24位轉(zhuǎn)換器將噪音及其他小信號(hào)性能特征的測(cè)量推進(jìn)到最前沿。因此，這種轉(zhuǎn)換器的測(cè)量需要杰出的模擬性能分析儀。

測(cè)試裝置

常用的試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單易懂。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)試要求分析儀必須能在適用于轉(zhuǎn)換器輸入的驅(qū)動(dòng)級(jí)提供純粹刺激信號(hào)。對(duì)于轉(zhuǎn)換器集成電路，要求分析儀必須具有與集成電路輸出相匹配的數(shù)字輸入格式及協(xié)議，如I2S、DSP或自定義格式。商用轉(zhuǎn)換器設(shè)備的數(shù)字格式通常為AES3-S/PDIF——兼容主流設(shè)備。對(duì)于可以與外部時(shí)鐘同步的設(shè)備，要求分析儀提供時(shí)鐘同步輸出。

圖 1. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)試模塊框圖

對(duì)于數(shù)模轉(zhuǎn)換器測(cè)試，要求分析儀必須具有合適格式的數(shù)字輸出以及極高性能的模擬輸入。

圖 2. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器測(cè)試模塊框圖

本文圖表采用AES3數(shù)字傳輸格式來(lái)測(cè)試商用轉(zhuǎn)換器音頻分析儀型號(hào)為Audio Precision APx555

如上所述，模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器所示為轉(zhuǎn)化器的特殊功能。音頻工程協(xié)會(huì)已經(jīng)推薦了根據(jù)ASE17標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量多種轉(zhuǎn)換器性能表現(xiàn)的方法。以下例子證明并比較了大量有特色的轉(zhuǎn)換器問題。

空閑音

普通的音頻轉(zhuǎn)化器構(gòu)架（如delta-sigma設(shè)備）易產(chǎn)生低電平信號(hào)，從而形成空閑音。這些“空閑音”可通過使用低電平信號(hào)以及直流偏置以調(diào)整頻率，這就意味著，如果有信號(hào)產(chǎn)生，空閑音將很難辨別。空閑通道測(cè)試輸出的快速傅立葉變換可以用于辨別空閑音。

圖 3. 快速傅立葉變換空閑通道噪音，數(shù)模轉(zhuǎn)換器“A”

圖 4. 快速傅立葉變換空閑通道噪音，數(shù)模轉(zhuǎn)換器“B”

圖3中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器所示為大量的空閑音，其中一些空閑音的噪音級(jí)別高達(dá)-130 dB。圖4中的空閑音和本底噪音低很多。

信噪比（動(dòng)態(tài)范圍）

模擬音頻設(shè)備的信噪比測(cè)量涉及設(shè)備的最大輸出值以及帶寬限制均方根噪音電平，并記錄二者分貝值差異。

音頻轉(zhuǎn)換器的最大電平值通常定義為正弦波波峰剛剛碰到最大和最小采樣值時(shí)的電平。這就稱為“滿刻度” （1FS），用對(duì)數(shù)表示為0 dBFS。因?yàn)橛锌臻e音的存在以及在一些轉(zhuǎn)換器中當(dāng)信號(hào)輸入為零的靜音狀態(tài)，使得低電平信號(hào)空閑音均方根本底噪音的測(cè)量稍微有些棘手，AES17標(biāo)準(zhǔn)建議使用-60 dB信號(hào)來(lái)避免靜音狀態(tài)，使得轉(zhuǎn)換器可以線性運(yùn)行。正弦信號(hào)的失真積很低，低于本底噪音，在噪音測(cè)量過程中信號(hào)本身應(yīng)刻有刻度。IEC61606標(biāo)準(zhǔn)推薦了一種類似的測(cè)量方法，但將這種測(cè)量值叫做動(dòng)態(tài)范圍。

下圖是使用動(dòng)態(tài)范圍法測(cè)量?jī)膳_(tái)24位數(shù)模轉(zhuǎn)換器在96 KS/s工作時(shí)的信噪比測(cè)量值的比較。如圖所示，一些轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)比其他轉(zhuǎn)化器更有效。

圖 5. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器“B” 的信噪比

圖 6. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器“C” 的信噪比

抖動(dòng)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘抖動(dòng)可發(fā)生在轉(zhuǎn)換器內(nèi)部，同步抖動(dòng)也可由外部時(shí)鐘同步輸入產(chǎn)生。如數(shù)模轉(zhuǎn)換器以內(nèi)置時(shí)鐘（如：AES3 和S/PDIF）接收信號(hào)，則接收信號(hào)接口抖動(dòng)必須減弱。

正弦抖動(dòng)主要通過生成調(diào)制邊帶、使其頻率高于和低于原聲音信號(hào)來(lái)影響音頻信號(hào)。更為復(fù)雜的抖動(dòng)和寬頻抖動(dòng)都會(huì)使轉(zhuǎn)換器的本底噪音增加。證明了抖動(dòng)敏感性的常用測(cè)量方法是使用一個(gè)高頻正弦刺激并檢驗(yàn)抖動(dòng)邊帶的轉(zhuǎn)換器輸出的快速傅立葉變換，其頻譜以空閑音為對(duì)稱中心。數(shù)模轉(zhuǎn)換器C顯示出強(qiáng)烈的邊帶振幅，但數(shù)模轉(zhuǎn)換器B無(wú)邊帶振幅。注意：20 kHz和30 kHz的強(qiáng)空閑音是諧波失真的積，而非抖動(dòng)邊帶。

圖 7. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器“B” 10KHZ的抖動(dòng)邊帶

圖 8. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器“C” 10KHZ的抖動(dòng)邊帶

抖動(dòng)容差模板

AES3所示為一次抖動(dòng)容差測(cè)試，檢驗(yàn)了在其輸入端的接收器達(dá)到端口抖動(dòng)容差限定水平的能力。輸入中使用的是數(shù)字音頻信號(hào)。該信號(hào)用正弦抖動(dòng)方式抖動(dòng)，掃描頻率為100 Hz到100 kHz。由于抖動(dòng)被掃描，其電平也隨AES3抖動(dòng)容差模板變化。抖動(dòng)頻率設(shè)置為200 Hz的高電平，隨后減少8 kHz降至稍低電平，保持該頻直到掃描結(jié)束。

接口數(shù)據(jù)接收器應(yīng)當(dāng)正確解碼如圖9抖動(dòng)容差模板所確定的任何正弦抖動(dòng)信號(hào)的輸入數(shù)據(jù)流。該模板要求在高頻時(shí)峰峰抖動(dòng)容差為0.25UI（單位間隔），從頻率低于8kHz時(shí)開始反轉(zhuǎn)，到低于200Hz時(shí)升高至峰峰容差10UI并持平。

圖 9. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器“B”抖動(dòng)容差期間THD+N掃描

在這種情況下，將低頻抖動(dòng)的抖動(dòng)時(shí)間間隔設(shè)置為9.775 UI，在高頻抖動(dòng)下降低至0.25 UI。藍(lán)色軌跡線為THD+N比（3 kHz音頻音的失真積），在抖動(dòng)掃描期間保持不變，說明被測(cè)設(shè)備良好的抖動(dòng)容差。隨抖動(dòng)電平增加，較差的容差會(huì)導(dǎo)致接收器無(wú)法正確解碼信號(hào)，接著無(wú)法解碼信號(hào)，偶爾還會(huì)出現(xiàn)靜音，有時(shí)完全失鎖。

濾波器影響

圖 10. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器“C”抗混疊濾波器的帶外抑制

圖 11. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器“B”抗鏡像濾波器的帶外抑制

圖10所示為模數(shù)轉(zhuǎn)換器“C”里的抗混疊濾波器的響應(yīng)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入音頻在帶外范圍內(nèi)掃描（此情況下為從40 kHz到200 kHz），反射在通帶的信號(hào)電平根據(jù)刺激頻率繪制成圖。第二條軌跡所示為作為基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換器本底噪音。

圖11所示為數(shù)模轉(zhuǎn)換器展現(xiàn)的平坦隨機(jī)噪音。模擬輸出是用許多平均值繪制而成的，顯示的是數(shù)模轉(zhuǎn)換器抗鏡像濾波器的響應(yīng)。在該情況下，繪制顯示1kHz的第二條軌跡和數(shù)模轉(zhuǎn)換器本底噪音，并標(biāo)刻度，使正弦波峰對(duì)應(yīng)于噪音波峰。

極性

音頻電路（包括轉(zhuǎn)換器）通常使用不同的（平衡式）構(gòu)造。這增加了極性錯(cuò)誤的可能。

圖 12. 使用脈沖響應(yīng)檢查極性。

如圖12所示，脈沖響應(yīng)刺激為觀察極性正接、反接提供有效幫助。

總結(jié)

對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高電平、非線性行為的測(cè)試，與使用諧波失真和互調(diào)失真的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試法，對(duì)模擬電子設(shè)備的非線性的測(cè)試情況相似。對(duì)于非線性，特別是低電平信號(hào)的非線性來(lái)說，音頻轉(zhuǎn)換器帶來(lái)新的機(jī)制。AES17標(biāo)準(zhǔn)和Audio Precision公司的124技術(shù)簡(jiǎn)報(bào)中描述了音頻轉(zhuǎn)換器測(cè)試的有效方法。