音頻測試平臺的設(shè)計挑戰(zhàn)與解決方案

如今，幾乎每種個人電子設(shè)備都已經(jīng)集成了音頻功能。無論在繁忙的城市街道還是鄉(xiāng)村地區(qū)，都可以看到不同年紀(jì)的人們邊聽音樂邊做日常事務(wù)。最近五年來，音頻設(shè)備的絕對數(shù)量已躍升為天文數(shù)字。一般消費者能接觸到的媒體源比以前要廣泛得多，用以觀看和播放內(nèi)容的設(shè)備種類也更加多樣。這種數(shù)字媒體大爆炸是全球范圍內(nèi)手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦和藍(lán)牙揚聲器的使用日益增長的結(jié)果。很多人家里都有這些設(shè)備，或至少其中的幾種。

當(dāng)今消費者對高保真音頻傳輸已經(jīng)習(xí)以為常。音響系統(tǒng)中有靜電噪音和干擾失真的時代已經(jīng)一去不復(fù)返。同時，音頻播放還有轉(zhuǎn)移到云端的趨勢?，F(xiàn)在有許多流媒體服務(wù)都在競相爭奪聽眾，它們?nèi)继峁└弑Ｕ嬉魳?，而價格只是收藏CD的一個零頭。這就意味著，我們每個人都會通過多種播放媒介來聆聽各種在線音樂、有聲讀物和播客。音頻模塊的絕對數(shù)量之多也導(dǎo)致對音頻測試平臺的需求增加;音頻測試平臺不僅要能靈活提供多種功能，而且應(yīng)具有高保真性能。

展望未來，技術(shù)發(fā)展的一般趨勢是基礎(chǔ)技術(shù)變化不大，但最終產(chǎn)品會不斷改進(jìn)以實現(xiàn)更好的性能。這一趨勢同樣適用于音頻領(lǐng)域。更大的存儲空間，更高的處理能力、精度、清晰度，以及更小的尺寸，都將成為普遍需求。更高質(zhì)量的音響越來越受普通聽眾歡迎就是這種趨勢的表現(xiàn)。在應(yīng)用領(lǐng)域，有望推動高質(zhì)量音頻系統(tǒng)需求增長的一個例子是語音識別和語音指令。從智能設(shè)備的語音搜索到家庭自動化系統(tǒng)，都會應(yīng)用這種技術(shù)。為了讓智能設(shè)備從嘈雜的環(huán)境中分辨出用戶指令，必須采用高質(zhì)量硬件。此類系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)是可實現(xiàn)的動態(tài)范圍以及濾除噪聲和干擾的能力。視頻會議、虛擬臨場和虛擬現(xiàn)實等應(yīng)用都要求將背景噪聲抑制到較低程度以改善用戶體驗。

設(shè)計挑戰(zhàn)

音頻模塊絕對生產(chǎn)數(shù)量的增多也給廠家造成了一個"痛點"：如何快速高效地測試每臺設(shè)備，同時確保其性能不打折扣?從設(shè)備制造商的角度來看，提高測試的執(zhí)行速度顯然會降低成本。然而，最終產(chǎn)品的質(zhì)量不能受到影響。了解這些要求之后，為現(xiàn)代音頻設(shè)備設(shè)計音頻測試平臺的關(guān)鍵就在于以下兩點：一方面希望提高性能，另一方面希望以罕有的速度執(zhí)行測試。音頻測試平臺需要實現(xiàn)更低水平的噪聲和失真，以便快速精確地測量被測設(shè)備。

普通消費者的需求與專業(yè)演播室設(shè)備的需求之間的差距正越來越小。例如，消費者普遍青睞質(zhì)量更高且更精密的耳機(jī)。有一個全方位適用的音頻測試平臺將非常有用。典型CD音質(zhì)需要92 dB到96 dB的動態(tài)范圍，而模擬麥克風(fēng)和專業(yè)級音響需要120 dB以上的動態(tài)范圍。要適應(yīng)未來需求，音頻測試平臺需覆蓋更寬的動態(tài)范圍，并且具有更快的測試時間和更高的測試吞吐量。這種音頻測試平臺的理想定位是既能應(yīng)對當(dāng)前消費級需求，又能適應(yīng)未來向更高保真系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。

尋找解決方案

要找到一種通用型解決方案，可能會遇到許多設(shè)計難題。為將這些需求納入現(xiàn)代音頻測試平臺，測試系統(tǒng)設(shè)計師需要克服很多制約因素。其中一些制約因素包括系統(tǒng)成本、設(shè)計尺寸和功耗。許多情況下，決定系統(tǒng)性能的是與資金預(yù)算或熱預(yù)算相關(guān)的器件性能限制。ADI公司的多通道24位Σ-?型ADC— AD7768，能夠幫助克服上述常見限制。該器件提供4通道和8通道兩個版本，具有出色的信納比 (SINAD) 性能和許多其他特性，非常適合音頻測試領(lǐng)域。

AD7768/AD7768-4 24位ADC的適用性

24位(及以上)ADC一般用于音頻測試領(lǐng)域的高保真音頻設(shè)備，因為其24位精度能實現(xiàn)更寬的動態(tài)范圍。為確保信號完整性，低失真和出色的抗噪性是必要條件。ADI公司的新型24位Σ-?型ADC，即AD7768，其八個通道均能提供優(yōu)質(zhì)的噪聲和THD性能，并且輸出數(shù)據(jù)速率可以根據(jù)音頻帶寬進(jìn)行調(diào)整。這使其成為音頻領(lǐng)域的理想器件。THD性能典型值為–120 dB。

AD7768/AD7768-4的寬帶、低紋波數(shù)字濾波器也適合音頻應(yīng)用。它支持六種不同的抽取率，用戶可以根據(jù)目標(biāo)帶寬靈活選用。AD7768的阻帶衰減為105 dB，可提供陡峭的磚墻式頻率響應(yīng)，同時保持目標(biāo)信號不變，而將噪聲降至較低。

AD7768/AD7768-4適應(yīng)音頻測試平臺的能力，使其成為突出的音頻測試平臺支柱。儀器儀表向模塊化、小型化發(fā)展已成為當(dāng)今趨勢。AD7768/AD7768-4集成了多個通道，使得系統(tǒng)可以縮小尺寸并提高通道密度。在同時測試多臺設(shè)備的同時，AD7768/AD7768-4有能力使通道間串?dāng)_保持較小，這是一個關(guān)鍵性的區(qū)分優(yōu)勢。作為可配置測試平臺的基石，它解決了許多關(guān)鍵的設(shè)計難題，特別適合將功耗也視為一個重要考慮因素的模塊式系統(tǒng)。

其性能的一個例子如圖1中的AD7768/AD7768-4 IMD結(jié)果所示。此圖顯示二階IMD結(jié)果為–135.2 dB，三階IMD為–129.3 dB，非常出色。AD7768/ AD7768-4 IMD測試遵循CCIF標(biāo)準(zhǔn)，即把兩個同幅度的輸入頻率施加于器件。由此所得的FFT顯示這兩個頻率是否發(fā)生交調(diào);交調(diào)出現(xiàn)在相應(yīng)的和頻和差頻中。本例中，中心頻率為10kHz，頻率偏移為600 Hz。IMD測試常用于測試音頻器件在兩個或更多信號音混合作用下，是否會產(chǎn)生不需要的拍頻信號。播放音樂流時，如果存在這種信號音，會引起干擾性失真。與原始高保真音頻文件相比，這種失真會產(chǎn)生令人不舒服的噪音。

圖1. AD7768/AD7768-4 IMD，輸入信號為9.7 kHz和10.3 kHz

測試案例

為了探究AD7768/AD7768-4在音頻測試領(lǐng)域的適用性，我們開展了典型音頻測試實驗來展示不同消費音頻設(shè)備的性能，以及如何利用AD7768/AD7768-4來測試各種設(shè)備。此測試運用AD7768評估板 EVAL-AD7768FMCZ和SDP-H1平臺。

此測試案例測量了不同質(zhì)量的多種音頻源并比較其性能。測試案例考慮了許多可能的測試音，如IMD信號音、對數(shù)線性調(diào)頻、電平測試等。

選擇的兩種測試音如下：

–60 dBFS的1 kHz正弦波。此測試適用于動態(tài)范圍測試，即防止設(shè)備靜音(人工使輸出消音)。

IMD SMPTE測試，60 Hz/7 kHz，4:1(12 dB比率)，–20 dBFS。該IMD測試顯示非線性失真產(chǎn)物，其是多個信號音混頻的結(jié)果。本例中，7 kHz信號被60 Hz信號音調(diào)制(7 kHz ± 60 Hz)。

配置

為將AD7768調(diào)諧到所需帶寬，首先必須做一些計算，算出所需的主時鐘 (MCLK)。利用此MCLK與特定抽取率的組合，我們便可調(diào)整AD7768/AD7768-4的輸出數(shù)據(jù)速率。本例中使用的MCLK為12.288 MHz，抽取率為×64，得到ODR為48 kSPS。考慮到功耗與帶寬的取舍，也可以使用其他組合。更多信息請參閱數(shù)據(jù)手冊第41頁上的 時鐘、采樣樹和功耗調(diào)節(jié)部分。

典型設(shè)置見圖2。此設(shè)置使用EVAL-AD7768FMCZ板，其板載SMB連接器交流耦合到音頻設(shè)備。八個通道一次最多可測試四路立體聲輸出，每個立體聲設(shè)備有左右兩個聲道。對此電路可做進(jìn)一步優(yōu)化以提高系統(tǒng)性能。例如，增加一個高通濾波器以消除20 Hz以下的噪聲。

圖2. 連接圖

結(jié)果

表1. 測試音結(jié)果

從表1可看出，對于不同設(shè)備，低幅度輸入信號和IMD測試的結(jié)果范圍有很大出入。特別值得關(guān)注的是，價格低廉的MP3播放器表現(xiàn)出良好的動態(tài)范圍，但在IMD測試中，很明顯引入的失真相當(dāng)大。此設(shè)備的頻率輸出表明其質(zhì)量低下，可以測試的最大IMD水平受此設(shè)備的輸出驅(qū)動能力限制。因此，為了進(jìn)行同等比較，所有設(shè)備的測試音都以–20 dBFS為限。

筆記本電腦的音頻輸出具有許多不同的驅(qū)動器和處理選項。它們根據(jù)人耳的響應(yīng)而開發(fā)，以產(chǎn)生更令人愉悅的聲音，但會造成某些頻率被改變。因此，當(dāng)關(guān)閉這些音效時，筆記本電腦的動態(tài)范圍性能實際上是最差的，但開啟后則與其他音源一樣好。

圖3顯示了從已知良好源(橙色)到劣質(zhì)MP3播放器(綠色)的各種設(shè)備的IMD范圍。對于MP3和手機(jī)，IMD產(chǎn)物在7 kHz和±60 Hz時明顯可見。

圖3. IMD SMPTE測試樣本，7 kHz輸入

AD7768/AD7768-4解決方案的區(qū)別因素

AD7768/AD7768-4的最大輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)為256 kSPS。根據(jù)應(yīng)用需要，通過調(diào)整主時鐘 (MCLK) 和/或抽取率，可以將此ODR調(diào)諧到48 kSPS、96 kSPS或192 kSPS的典型音頻帶寬。這在功耗敏感應(yīng)用中特別有用，因為與其他音頻ADC相比，AD7768/AD7768-4的每通道功耗相對較低。對于其他需要高動態(tài)范圍和大帶寬的應(yīng)用(如聲吶)，它同樣極具價值。

很多現(xiàn)代測試平臺轉(zhuǎn)向模塊式系統(tǒng)，熱要求開始成為問題。

AD7768/AD7768-4允許用戶在信號帶寬(或動態(tài)范圍)與功耗之間進(jìn)行取舍，從而實現(xiàn)更低的功耗，支持更廣泛的用途。圖4中的動態(tài)范圍與ODR的關(guān)系曲線顯示了這種靈活性。除了靈活性以外，AD7768/AD7768-4還有多種器件級和系統(tǒng)級省電方法。欲了解更多信息，請參閱數(shù)據(jù)手冊。

圖4. 動態(tài)范圍與ODR的關(guān)系(每通道)

高通道數(shù)也是AD7768的一個優(yōu)勢，原因如下：

快速測試

可以同時并行測試八個通道或四臺立體聲設(shè)備。因此，測試時間或測試成本現(xiàn)在要減少四倍，這對測試系統(tǒng)非常重要。我們周圍的音頻模塊數(shù)量在不斷增加，未來的音頻測試平臺將越來越關(guān)心測試成本。通道密度很重要的一個應(yīng)用例子是采用7.1環(huán)繞聲的家庭影院系統(tǒng)。

性能優(yōu)越

通過合并多個通道，可進(jìn)一步提升終端系統(tǒng)可實現(xiàn)的性能。四個通道合并為一個通道時，圖4所示的動態(tài)范圍數(shù)值最多可提高6 dB。

尺寸更小

多通道音頻平臺可能對尺寸有限制，原因可能是通道密度提高、系統(tǒng)限制、廠房空間限制或轉(zhuǎn)向模塊化臺式儀器儀表。由于將八個ADC集成到一個封裝中，系統(tǒng)便能追隨儀器小型化的趨勢。

結(jié)語

音頻模塊數(shù)量日益增多，這些設(shè)備的質(zhì)量要求也在提高。因此，業(yè)界對現(xiàn)代音頻測試平臺的需求越來越高。為了超越這些需求并適應(yīng)未來智能設(shè)備不斷增長的趨勢，現(xiàn)代音頻測試平臺必須具備高性能、可調(diào)整、可配置、運行快等條件。家庭自動化、語音識別和語音轉(zhuǎn)文本應(yīng)用不再是未來概念，而是現(xiàn)實。隨著語音控制和類似技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展并擴(kuò)大應(yīng)用，測試平臺的負(fù)擔(dān)會越來越重。AD7768/AD7768-4可對此提供頗有助益的解決方案。測試結(jié)果表明，從低端設(shè)備到高保真系統(tǒng)，AD7768可用于測試當(dāng)前市場上的各種音頻設(shè)備。