嵌入式audio基礎（四）效能指標

audio作為一個重要的外設部分客觀分析一定是一個重要的知識，一般的音訊外設的分析基本依賴於主觀人耳去聽，這樣的結果一個是不客觀，另一個是不能夠標準化也不利於進行歸檔報告。
這裡歸納出幾個客觀可測的幾個引數，主要包括五項，即訊雜比、動態範圍、總諧波失真、立體聲分離度以及頻率範圍/頻率響應。
#訊雜比
　　 訊雜比是音響界公認的衡量音響器材質量水準的一個重要指標，幾乎所有的電聲器材都會標註這個指標，沒有這個指標的器材，要麼是一些特製的專用器材裝置，要麼就是不正規的產品。訊雜比、失真率、頻率響應這三個指標是音響器材的“基礎指標”或“基本特性”，我們在評價一件音響器材或者一個系統水準之前，必須先要考核這三項指標，這三項指標中的任何一項不合格，都說明該器材或者系統存在著比較重大的缺陷。訊雜比作為裝置、系統的基礎指標之一，必須得到應有的高度重視。
　　 所謂訊雜比，英文名稱叫做SNR或S/N（SIGNAL-NOICE RATE)，是指一個電子裝置或者電子系統中訊號與噪聲的比例。這裡面的訊號指的是來自裝置外部需要通過這臺裝置進行處理的電子訊號，噪聲是指經過該裝置後產生的原訊號中並不存在的無規則的額外訊號（或資訊），並且該種訊號並不隨原訊號的變化而變化。同樣是“原訊號不存在”還有一種東西叫“失真”，失真和噪聲實際上有一定關係，二者的不同是失真是有規律的，而噪聲則是無規律的，這個以後再講。
　　 訊雜比的計量單位是dB，其計算方法是10LOG(PS/PN)，其中Ps和Pn分別代表訊號和噪聲的有效功率，也可以換算成電壓幅值的比率關係：20LOG(VS/VN)，Vs和Vn分別代表訊號和噪聲電壓的“有效值”。在音訊放大器中，我們希望的是該放大器除了放大訊號外，不應該新增任何其它額外的東西。因此，訊雜比應該越高越好。

訊雜比的測量及計算

通過計算公式我們發現，訊雜比不是一個固定的數值，它應該隨著輸入訊號的變化而變化，如果噪聲固定的話，顯然輸入訊號的幅度越高訊雜比就越高。顯然，這種變化著的引數是不能用來作為一個衡量標準的，要想讓它成為一種衡量標準，就必須使它成為一個定值。於是，作為器材裝置的一個引數，訊雜比被定義為了“在裝置最大不失真輸出功率下訊號與噪聲的比率”，這樣，所有裝置的訊雜比指標的測量方式就被統一起來，大家可以在同一種測量條件下進行比較了。訊雜比通常不是直接進行測量的，而是通過測量噪聲訊號的幅度換算出來的，通常的方法是：給放大器一個標準訊號，通常是0.775Vrms或2Vp-p@1kHz，調整放大器的放大倍數使其達到最大不失真輸出功率或幅度（失真的範圍由廠家決定,通常是10％，也有1％），記下此時放大器的輸出幅Vs，然後撤除輸入訊號，測量此時出現在輸出端的噪聲電壓，記為Vn，再根據SNR=20LOG(Vn/Vs)就可以計算出訊雜比了。Ps和Pn分別是訊號和噪聲的有效功率，根據SNR=10LOG（Ps/Pn）也可以計算出訊號比。
　　這樣的測量方式完全可以體現裝置的效能了。但是，實踐中發現，這種測量方式很多時候會出現誤差，某些訊雜比測量指標高的放大器，實際聽起來噪聲比指標低的放大器還要大。經過研究發現，這不是測量方法本身的錯誤，而是這種測量方法沒有考慮到人的耳朵對於不同頻率的聲音敏感性是不同的，同樣多的噪聲，如果都是集中在幾百到幾千Hz，和集中在20KHz以上是完全不同的效果，後者我們可能根本就察覺不到。因此就引入了一個“權”的概念。這是一個統計學上的概念，它的核心思想是，在進行統計的時候，應該將有效的、有用的資料進行保留，而無效和無用的資料應該儘量排除，使得統計結果接近最準確，每個統計資料都由一個“權”，“權”越高越有用，“權”越低就越無用，毫無用處的資料的“權”為0。於是，經過一系列測試和研究，科學家們找到了一條“通用等響度曲線”，這個曲線代表的是人耳對於不同頻率的聲音的靈敏度的差異，將這個曲線引入訊雜比計算方法後，先兆比指標就和人耳感受的結果更為接近了。噪聲中對人耳影響最大的頻段“權”最高，而人耳根本聽不到的頻段的“權”為0。這種計算方式被稱為“A計權”，已經稱為音響行業中普遍採用的計算方式。
#動態範圍
　　 動態範圍是指音響系統重放時最大不失真輸出功率與靜態時系統噪聲輸出功率之比的對數值，又指一個多媒體硬碟播放器輸出影象的最亮和最暗部分之間的相對比值。 單位為分貝(dB)。一般效能較好的音響系統的動態範圍在100(dB)以上。
動態範圍最早是訊號系統的概念，一個訊號系統的動態範圍被定義成最大不失真電平和噪聲電平的差。而在實際用途中，多用對數和比值來表示一個訊號系統的動態範圍，比如在音訊工程中，一個放大器的動態範圍可以表示為：
　　D = log（Power_max / Power_min）×10；
　　對於一個底片掃描器，動態範圍是掃描器能記錄原稿的色調範圍。即原稿最暗點的密度（Dmax）和最亮處密度值(Dmin)的差值。
　　我們已經知道對於一個膠片的密度公式為D = Log（Io/I）。 那麼假設有一張膠片，掃描器向其投射了1000單位的光，最後在共有96%的光通過膠片的明亮（銀鹽較薄）部分，而在膠片的較厚的部分只通過了大約4%的光。
　　 那麼前者的密度為：
　　Dmin=log（1000/960）= 0.02；
　　後者的密度為：
　　Dmax=log（1000/40）= 1.40
　　那麼我們說動態範圍為：D=Dmax-Dmin=1.40-0.02=1.38。
　　只要是掃描器的動態範圍能夠大於膠片的動態範圍，就可以真實的表現原稿上的資訊，包括真實的反映出一些細微的暗部細節。
　　實際上掃描器和膠片不同，可以把掃描器看作一個完整的訊號系統，包含輸入、DSP、輸出多個部分。那麼最後的動態範圍大小由其中最小值的的單元來決定。這時就需要提位數概念。
#總諧波失真
總諧波失真是指用訊號源輸入時，輸出訊號比輸入訊號多出的額外諧波成分。諧波失真是由於系統不是完全線性造成的，它通常用百分數來表示。所有附加諧波電平之和稱為總諧波失真。一般說來，1000Hz頻率處的總諧波失真最小，因此不少產品均以該頻率的失真作為它的指標。但總諧波失真與頻率有關，必須在20-20000Hz的全音訊範圍內測出。也就是人耳所能聽到的範圍。

總諧波失真表明功放工作時，由於電路不可避免的振盪或其他諧振產生的二次，三次諧波與實際輸入訊號疊加，在輸出端輸出的訊號就不單純是與輸入訊號完全相同的成分，而是包括了諧波成分的訊號，這些多餘出來的諧波成分與實際輸入訊號的對比，用百分比來表示就稱為總諧波失真。一般來說，總諧波失真在1000赫茲附近最小，所以大部分功放表明總諧波失真是用1000赫茲訊號做測試，但有些更嚴格的廠家也提供20－20000赫茲範圍內的總諧波失真資料。總諧波失真在1％以下，一般耳朵分辨不出來，超過10％就可以明顯聽出失真的成分。這個總諧波失真的數值越小，音色就更加純淨。
　　 一般產品的總諧波失真都小於1%，但這個數值越小，表明產品的品質越高。而高質量裝置的THD值很低(低於0.002%)，但也有例外。比如很多電子管裝置的THD非常高，但電晶體裝置必須具有較低的THD，因為它們多餘的諧波會使聲音聽起來很不舒服。
#立體聲分離度
立體聲分離度表示立體聲音響系統中左、右兩個聲道之間的隔離度，它實際上反映了左、右兩個聲道相互串擾的程度。如果兩個聲道之間串擾較大，那麼重放聲音的立體感將減弱

立體聲分離度通常用一條通道內的訊號電平與洩漏到另一通道中去的電平之差表示。如果立體聲分離度差，則立體感將被削弱。國際電工委員會規定的立體聲分離度的最低指標， lKHz時大於等於40dB，實際以達到大幹60dB為好；歐洲廣播聯盟規定的調頻立體聲廣播的立體聲分離度為＞25dB，實際上能做到40dB以上。立體聲通道平衡指的是左、右通道增益的差別，一般以左、右通道輸出電平之間最大差值來表示。如果不平衡過大，立體聲聲像位置將產生偏離，該指標應小於1dB。
#頻率範圍/頻率響應
前者是指音響系統能夠回放的最低有效回放頻率與最高有效回放頻率之間的範圍；後者是指將一個以恆電壓輸出的音訊訊號與系統相連線時，音響產生的聲壓隨頻率的變化而發生增大或衰減、相位隨頻率而發生變化的現象，這種聲壓和相位與頻率的相關聯的變化關係(變化量)稱為頻率響應，單位分貝(dB)。
　　音響系統的頻率特性常用分貝刻度的縱座標表示功率和用對數刻度的橫座標表示頻率的頻率響應曲線來描述。當聲音功率比正常功率低3dB時，這個功率點稱為頻率響應的高頻截止點和低頻截止點。高頻截止點與低頻截止點之間的頻率，即為該裝置的頻率響應；聲壓與相位滯後隨頻率變化的曲線分別叫作“幅頻特性”和“相頻特性”，合稱“頻率特性”。這是考察音響效能優劣的一個重要指標，它與音響的效能和價位有著直接的關係，其分貝值越小說明音響的頻響曲線越平坦、失真越小、效能越高。如：一音響頻響為60Hz-18kHz（±3dB）。這兩個概念有時並不區分，就叫作頻響。
　　
　　從理論上講，20-20000Hz的頻率響應足夠了。低於20Hz的聲音，雖聽不到但人的其它感覺器官卻能覺察，也就是能感覺到所謂的低音力度，因此為了完美地播放各種樂器和語言訊號，放大器要實現高保真目標，才能將音調的各次諧波均重放出來。所以應將放大器的頻帶擴充套件，下限延伸到20Hz以下，上限應提高到20000Hz以上。對於訊號源(收音頭、錄音座和鐳射唱機等)頻率響應的表示方法有所不同。例如歐洲廣播聯盟規定的調頻立體聲廣播的頻率響應為40-15000Hz時±2dB，國際電工委員會對錄音座規定的頻率響應最低指標：40-12500Hz時±2．5、±4．5dB(普通帶)，實際能達到的指標都明顯高於此數值。CD機的頻率響應上限為20000Hz，低頻端可做到很低，只有幾個赫茲，這是CD機放音質量好的原因之一。
　　但是，構成聲音的諧波成分是非常複雜的，並非頻率範圍越寬聲音就好聽，不過這對於中低檔的多媒體音響來講還是基本正確的。在標註頻率響應中我們通常都會看到有“系統頻響”和“放大器頻響”這兩個名詞，要知道“系統頻響”總是要比“放大器頻響”的範圍小，所以只標註“放大器頻響”則沒有任何意義，這只是用來矇騙一些不知情的消費者的。現在的音響廠家對系統頻響普遍標註的範圍過大，高頻部分差的還不是很多，但在低音端標註的極為不真實，國外的名牌HiFi(高保真)音響也不過標註4、50Hz左右，而國內兩三百的木質普通音響居然也敢標註這個資料。所以，敬告大家低頻段聲音一定要耳聽為真，不要輕易相信宣傳單上的數值。