無處不在的PC不再僅僅是一個復雜的詞匯處理器或電子郵件工具它正在遷移到個人自動點唱機甚至家庭的娛樂中心。新的以媒體為中心的軟件和操作系統，更復雜的音頻和視頻硬件，以及超越傳統立體聲設備的有吸引力的功能，使得PC成為新的音頻和視頻傳輸系統。

家庭娛樂硬件很久以前達到了技術成熟度，提供了高質量，可靠性和卓越的價值。但PC增加了新的源材料組織和可訪問性水平，遠遠超出CD或黑膠唱片集。 PC可以讓您在家中的任何地方欣賞他們的媒體，與幾個家庭成員分享獨立和同時的音樂收藏。可以快速調用選擇并創建播放列表以獲得前所未有的便利。

當然，我們很少有人愿意為這種額外的便利交換音頻質量。消費者對即使是低成本的傳統立體聲音響也能提供很高的期望。不幸的是，即使是低端立體聲系統也經常能夠超越基于PC的音頻系統的整體音質，當這些時候商店貨架上有如此多的聲卡宣布“24位，”這樣的令人印象深刻的數字時很難相信“”96 kHz“和”100 dB THD。“

但是今天的PC音頻系統實際上提供了什么級別的音頻性能？當然，數字 - 模擬轉換器不再是幾年前的限制因素;具有出色THD + N規格的24位轉換器現在成本低且易于使用。但是嘈雜的PC環境，轉換器使用的支持電路不足以及PC和外部音頻設備之間的互連都會降低整體系統性能。

在本文中，我們將介紹如何表征PC音頻系統的音頻性能，一些錯誤來源以及在PC環境中進行某些測量的困難。我們將討論常見的測量實踐，應該測量的內容以及如何報告結果。

解構PC音頻設備

首先，讓我們清楚一下PC音頻設備是什么。最明顯的形式是熟悉的“聲卡”，一種將PC音頻功能添加到PC的插卡。但它也可以是主板實現，基本上相同的插件聲卡組件直接安裝在主板上。 PC音頻設備也可以是通過USB或IEEE-1394接口連接到PC的外部盒。我們將所有這些設備視為相同，因為通常它們的功能類似。圖1顯示了典型PC音頻設備的框圖。

圖1.典型PC音頻設備的方框圖。

請注意，有幾條信號路徑。我們可以將它們組織成兩組：記錄或模擬到數字路徑以及播放或數字到模擬路徑。與這兩個路徑組相關聯的是兩個混合器面板，這些面板由設備驅動程序創建，并且可以在Microsoft Windows中顯示。典型的混音器面板，如圖2所示，為每個信號源提供推子或電平控制。它通常還包括一個靜音或選擇復選框，以啟用或禁用特定源。對于大多數設備，Play混音器是一個真正的混音器，可以完全自由地混合任何變化的音源。但是，Record混音器通常不是混音器，而是一個多路復用器，它一次只能選擇一個可用的源，盡管每個源都有單獨的推子。

每個音頻設備都有一組特定的功能，包括輸入和輸出的類型和數量。幾乎每個設備都有一個線路輸出;有些還包括環繞聲輸出：后置，前置中置和低音揚聲器聲道。大多數設備都有線路輸入，許多設備也有麥克風輸入。筆記本電腦可能只有麥克風輸入但沒有線路輸入。許多聲卡都有額外的線路電平輸入，如輔助輸入，CD輸入等。

圖2.典型的PC Mixer面板。此示例是播放控件。

此外對于這些模擬路徑，較新的設備還可以包括數字路徑。更常見的是數字輸出，盡管有些也可能有數字輸入。這些通常標記為索尼飛利浦數字接口的“SPDIF”。該數字格式遵循IEC60958，AES3和AES3id中描述的標準中描述的定義。通常包括數字輸出以將Dolby Digital或DTS編碼的環繞聲5.1或7.1數據提供給可能存在于接收器中的外部解碼器。

這些數字輸入和輸出也顯示在圖1的框圖中。許多設備可能在數字路徑中包含增益控制，該控制由Play或Record混音器面板上的推子控制。當然，這個推子不是以與其他模擬推子相同的方式混合這個音源，而是提供音量調節。

所有數字信號都具有特征采樣率，并且所有轉換器都以特定的采樣率運行。有時需要在不以相同采樣率運行的設備之間交換數據。在這種情況下，使用采樣率轉換器。通常，PC音頻設備將以固定的采樣率運行其內部轉換器，通常為44.1 kHz或48 kHz。但該設備可能能夠以各種采樣率（可能在8 kHz至192 kHz范圍內）接受外部信號，并在類似的速率范圍內提供輸出信號。這通常是通過將轉換器保持其原始速率但使用采樣率轉換器為外部接口提供這些額外速率來實現的。

采樣率轉換器可能是信號衰減的來源，這表明測試以不同的采樣率進行。

潛在的關注領域

由于性能預期很高，因此非常需要測試PC音頻設備并查看他們如何匹配。雖然PC音頻設備在很多方面都是普通的音頻設備，實際上很像錄音機，測試可能會帶來一些新的和不尋常的挑戰。 PC環境中存在可能使測試變得困難的獨特條件：音頻不友好和嘈雜的環境，設置級別和路由信號的困難，共享資源以及難以訪問的軟件界面。并且，考慮到所涉及的連接器類型和系統接地，實際測試設置甚至比傳統音頻設備更重要。

消費類PC音頻設備通常為所有模擬輸入和輸出提供3.5 mm尖端環套管連接器，為數字接口提供RCA或phono同軸連接器。這些模擬連接器不提供穩固的接地連接，通常會導致接地回路，噪聲和干擾拾取。為了最大限度地減少這個問題，請使用重型（＃12或更大）電纜將PC機箱牢固地連接到儀器接地，以補充被測設備和測試儀器之間的接地連接。 PC端的大鱷魚夾通常有幫助。我們的經驗表明，通過增加這種輔助接地，可以將測得的噪聲降低6到12 dB。有關接地電纜如何減少實際系統中電源嗡嗡聲分量的示例，請參見圖3。

圖3.在PC和測量儀器之間有和沒有補充接地連接的噪聲的低頻頻譜分析圖。

另一個值得關注的領域是噪音干擾和帶外噪音。這些可以來自各種來源。當然，PC機箱充滿了可能的噪聲源：時鐘，開關電源，硬盤驅動器，監視器水平和垂直掃描以及過采樣轉換器。根據我們的經驗，這最后一個來源是最棘手的問題之一。目前大多數轉換器采用delta-sigma設計，可將噪聲推出音頻頻段，從而提供更安靜的音頻頻段，以獲得超過20 kHz的顯著但不可聽見的噪聲。雖然這種技術提供了顯著的音頻性能優勢，但它可能會給測量帶來問題。雖然人類聽覺可能會忽略20 kHz以上的能量，但大多數音頻分析儀的響應都很平坦，通常超過100 kHz甚至500 kHz。這些分析儀會對帶外能量做出反應，偶爾會產生錯誤的讀數。音頻工程協會的標準AES17建議使用尖銳的20 kHz低通濾波器來測量帶有數模轉換器的設備。圖4顯示了具有和不具有此濾波器的設備的噪聲頻譜的示例。

圖4.過采樣D-to-A轉換器輸出的頻譜分析圖，顯示超過20 kHz（紅色曲線）的帶外噪聲上升，并且通過添加AES17低通濾波器。

表征PC音頻設備

要測量PC音頻設備性能，可能很容易將模擬音頻測試信號發送到線路輸入，將其記錄在硬盤驅動器上，然后播放通過線路輸出信號回到模擬音頻分析儀。這將表征A-to-D和D-to-A轉換器路徑，但不能導出轉換器路徑的單獨測量值，或者無法表征數字路徑或任何采樣率轉換器。要單獨測量這些路徑，必須將信號直接路由到PC數字總線或從PC數字總線路由。

簡單的模擬 - 模擬復合路徑的另一個問題是沒有絕對的方法來評估數字總線上的信號電平。信號操作水平會對性能產生重大影響，我們稍后會看到。記錄和播放混音器推子通常不經過校準，無法通過任何方式設置特定增益，這是表征的必要部分。

有許多方法可以訪問PC數字總線上的信號。一種方法是使用軟件工具在數字域中生成測試信號，并分析數字域中的信號。當此方法與外部模擬測試發生器和模擬分析儀一起使用時，可以獨立地表征D-to-A Play路徑和A-to-D記錄路徑。一些音頻測量系統可以產生發生器測試信號文件，可以通過D-to-A路徑在PC上“播放”，并且可以接受記錄的信號文件進行分析。一些系統提供與PC總線的直接連接，以實現實時信號生成和測量。 Audio Precision PC音頻測試應用程序提供了進出PC數字總線的直接路徑，允許實時進行測量，無需記錄和隨后回放測試信號。

我們在這里做的是什么是跨域測量。我們希望生成具有已定義特性和特定測試級別的數字測試信號，通過D-to-A轉換器流式（或“播放”）此測試信號，并使用模擬分析儀測量模擬結果。然后我們需要生成一個定義的模擬測試信號，將其發送到線路輸入并記錄信號，并在數字域中分析這個數字記錄的信號。這允許獨立分析兩個主要路徑，并使用適當的軟件準確控制測試級別。 Audio Precision 2722系列音頻測量儀器是真正的雙域架構，允許同時生成和測量模擬和數字信號。

參考水平

任何測試過模擬磁帶或錄音機的人都知道，在表征此類設備時，建立參考測試級別非常重要。每個音頻組件都具有最佳操作級別。太高，你接近或超過削波或過載;太低了，你進入了噪音區域。在削波或過載之前舒適地低于最大水平運行將獲得最佳性能。在進行任何測量之前，測量標準在設置參考電平時非常清楚。

參考電平通常通過將測試信號饋送到器件的輸入并逐漸增加該信號的電平來建立，同時監視器件輸出的電平和失真。各種標準和通用實踐設定了最大信號電平的定義。這可能只是削波的開始，通常定義為低于1％（-40 dB）總諧波失真點，或低于該點1或3 dB。

這是PC音頻聲卡測試最大的困難之一。使用簡單的模擬放大器，通常很容易確定削波的開始。 THD與水平的關系圖將顯示此時曲線中非常明顯的拐點以及超出此點的失真急劇上升。在數字系統中，最大級別不稱為削波，而實際上是數字字的滿量程值。在模擬系統中，削波點可能有些軟;在數字系統中，達到滿量程是非常突然的。雖然模擬系統中偶爾的輕微過載可能會聽起來令人反感，但數字系統中滿載的過載是完全無法容忍的。認識到這一點，許多A-to-D系統包括某種形式的壓縮或限制，將最大信號輕輕地約束到滿量程以下的某個點。這可能使最高水平的確定變得困難，因為當它永遠無法實現時，不可能尋找數字滿量程。圖5中的曲線圖示出了在PC音頻設備的線路輸入電路中可能發生的情況，其結合了A/D轉換器中的限制。

圖5. PC音頻設備中A/D轉換器路徑的典型傳輸曲線。注意非線性壓縮，因為輸入信號接近滿量程值但從未達到此值。紅色曲線是THD + N的曲線圖，當信號電平接近滿量程時顯示急劇上升。

音頻工程協會已經解決了這個問題，并建議在這些系統中遵循正確的做法來建立參考水平。標準AES17和AES6id推薦一種確定最大電平的方法，首先確定僅產生1％THD（-40 dB）的信號電平，然后從該點降低0.5 dB的電平。此級別定義為現在可以輕松低于數字滿量程的最高級別，但仍然足夠高以提供最佳噪聲性能。然后相對于該參考點進行特定測量。例如，應使用低于此參考電平1 dB或3 dB的信號測量失真。頻率響應在該參考點以下20 dB處測量。已建立這些測量級別，以便為特定測量提供最佳操作點。

控制卡

在設備上進行測量的過程中，必須控制設備的某些參數。必須為特定測量建立信號路由;也就是說，必須選中或取消選中相應的混音器復選框。必須設置和優化路徑增益，以便為每個特定測量提供最佳性能。這里的困難在于增益設定元件（混合器面板上的推子）未經校準。更復雜的是，他們的控制律通常在制造商之間不一致，并且可能在推子的不同位置發生變化。實際增益元件具有離散步驟，在某些器件中可能會粗略地達到1.5 dB或更高。這可能使精確設置變得困難。

某些測量可能需要迭代調整多個增益元素才能獲得最佳性能。例如，最佳噪聲和失真讀數可能需要仔細平衡發生器測試電平，推子電平線和主推子電平。這些中的每一個通常僅影響路徑的一部分中的信號電平，并且為了最佳整體系統性能而平衡整個系統中的信號電平，每個必須被最佳地設置。

進行測量

PC音頻設備上的實際音頻性能測量與傳統音頻設備上的測量非常相似。主要測量是頻率響應，噪聲和失真。在立體聲或環繞聲系統中特別相關的附加測量是聲道間相位和聲道間串擾。

頻率響應是最常見的，也許是最容易理解的測量。它表達了系統的平整度以及它如何為聲音著色。它通常以水平軸為20 Hz至20 kHz的對數頻率的圖形表示。頻率響應也可以以至少兩種方式之一以數字方式報告：作為特定帶寬上的幅度偏差，或者作為提供特定幅度方差的帶寬。以下是此表達式的兩個示例：

頻率響應（-20 dBr）：＆＃177; 1.5 dB相對于1 kHz，20 Hz至20 kHz

頻率響應（ - 20 dBr）：相對于1 kHz為+ 1，-3 dB，18 Hz至19.5 kHz

兩次測量均表明它們的執行速度低于參考電平的20 dB。第一個表示20 Hz至20 kHz音頻頻段的響應偏離1 kHz處的歸一化電平不超過1.5 dB。第二個表達式表明器件的“3 dB下行帶寬”為18 Hz至19.5 kHz，這意味著相對于1 kHz的歸一化0 dB電平的響應在該頻段內在+1 dB和-3 dB范圍內。/p》

一些建議還要求測量通帶紋波。這是一種專門的頻率響應測量，側重于轉換器重建和抗混疊濾波器可能產生的響應誤差。在轉換器的早期階段，這種紋波可能是響應平坦度的重要因素，但對于今天的轉換器來說，這個問題要小得多。改進的濾波器設計和過采樣轉換器將通帶紋波降低到微不足道的水平。

噪聲的測量更為復雜。這里嚴格建立參考水平很重要，因為這會直接影響結果。噪聲始終相對于參考表示。在表達“信噪比：-75dB”中，該比率的信號部分是參考電平。

對于模擬電路，通過建立參考電平來測量噪聲，以低阻抗（即無信號）終止輸入，測量噪聲并報告兩者之間的差異。該方法不能用于PC音頻設備中的數字路徑。簡單地終止模擬輸入將導致轉換器關閉電路，產生不切實際且不正確的結果。在測量噪聲時必須保持電路開路。在明顯的矛盾中，我們必須在信號存在的情況下測量噪聲。

有一個簡單的技巧可以做到這一點：我們使用非常低的刺激信號測量THD + N.該技術將使用設置為相同頻率的窄陷波濾波器小心地從測量中去除刺激信號。如果測試信號的電平足夠低，產生的失真分量將低于噪聲電平，分析儀將只能看到噪聲。也就是說，THD + N的N將是主要部分，而低級測試信號仍將保持路徑開放。標準建議使用-60 dBr的測試信號。由于使用的方法不同，這種噪聲測量稱為動態范圍而不是信噪比。它是參考電平和噪聲電平之間差異的度量，以分貝表示。

測量噪聲或動態范圍時，測量帶寬和頻率加權非常重要。測量帶寬應限制在20 Hz至20 kHz的音頻頻段，以排除音頻頻段以上的聽不見的帶外噪聲，以及任何低于20 Hz的所謂閃爍噪聲。還可以應用頻率加權，以產生與人類對噪聲的感知更緊密對齊的結果。例如，在低聲壓級下，人耳對高頻和低頻不太敏感。由于噪聲通常處于較低水平，因此在低水平下以類似于人耳的響應過濾噪聲測量是有意義的。

兩種頻率加權曲線是常用的：“A-加權“和”CCIR-468“或”ITU 468“。這些都顯著地消除了低頻和高頻，如圖6中的響應曲線所示.A-Weighting曲線常用于北美，而CCIR-468曲線在其他地方很受歡迎。

圖6.常用的噪聲加權曲線。兩條曲線都接近低音量時人耳的響應。

報告噪聲或動態范圍時，重要的是要包括測量帶寬以及使用了哪些加權濾波器（如果有）。以下是報告動態范圍的正確方法示例：

動態范圍：85 dB，A加權

這表示建立的參考電平與噪聲之間的差異A加權波段為85 dB。

測量失真

最常見的失真測量方法是THD + N（總諧波失真加噪聲）。這使用單個純正弦波作為刺激。分析儀通過模擬或數字帶阻或“陷波”濾波器消除此基波，并測量剩余的所有內容，包括器件產生的諧波和測量帶寬內的噪聲。這種類型的測量是質量的良好指標，但是應該考慮一些問題。

應以多個頻率測量失真。設備中的不同元素可能導致失真。這些元素中的每一個可以在光譜的不同部分表現出不同的非線性行為;例如，一些可能僅在較低頻率或僅在較高頻率下顯示增加的失真。為了完整起見，在很寬的頻率范圍內測量THD很有用。

這帶來了帶限設備中THD + N測量的固有問題。實際上，所有使用轉換器的設備都是帶限的，因為它們必須包括抗混疊和重建低通濾波器。為了使THD測量有效，必須至少測量二次諧波，優選三次諧波。如果設備的帶寬為20 kHz，則表明可測量的最高有效測試頻率約為6或10 kHz。較高頻率的測量沒有意義，因為它們的諧波落在有限的通帶之外。當然，這并不意味著在較高頻率下沒有感知失真;實際上，許多設備在較高頻率下會有增加的失真。那么如何衡量呢？

互調失真或IMD方法測量由兩個或多個信號的相互作用產生的失真產物。有幾種測量IMD的技術，但最有用的是使用兩個相等幅度的高頻。失真分量將是兩個測試信號的和頻和差頻以及測試信號的諧波的和頻和差頻。這里的關鍵點是差異分量將落在音頻帶內。例如，使用18 kHz和20 kHz的測試信號，二階差分乘積將降至2 kHz。這是可用于表征帶限設備的高頻失真性能的技術。同時測試信號可以靠近器件的高頻帶邊緣，并產生帶內失真分量。

失真測量，無論是THD + N還是IMD，都不應該使用頻率加權。對失真分量進行加權會導致讀數不切實際。但是，在測量THD + N以減少帶外噪聲的影響時，頻帶限制很有用。

與立體相關的測量

上述三個主要測量結果可以很好地描述設備的性能。兩種額外的測量雖然不太常見，但在立體聲和環繞聲系統中特別有用的是聲道間串擾和聲道間相位差。這些類別中的任何一個都表現不佳會影響空間成像，這是立體聲和多聲道環繞聲體驗的重要特征。模擬分量匹配，數字樣本排序和數字時鐘可以影響這些參數。

通過用純正弦波激勵所有通道并測量所有通道相對于參考通道的相位差來測量通道間相位。重要的是在音頻頻段的幾個頻率上進行此測量，因為大多數相位衰減將發生在極端頻率。

通過刺激一個或多個通道并測量泄漏到未驅動通道中來測量通道間串擾。為了獲得準確的結果，應使用調諧到刺激信號的跟蹤帶通濾波器進行測量。該方法將排除噪聲和其他信號，僅提供串擾讀數。

特殊測量

到目前為止討論的五種類型的測量都與音頻性能有關。除此之外，還有一些專門針對PC環境的測試。

PC的主要功能不是以音頻為中心，因此通常不會針對音頻性能進行優化。這是一個電噪聲環境，它共享資源以提高效率。大多數非音頻應用程序都能容忍這種現實的后果。如果文件傳輸中斷半秒，則甚至沒有注意到。但是中斷音頻節目傳輸幾毫秒，大多數聽眾會認為這是不可接受的。通常，開關電源和硬盤驅動器產生的電噪聲不會影響程序操作，但會給音頻程序帶來不可接受的噪音。

這些條件中的許多都是音頻世界的新功能，所以測試不常用來量化它們。然而，有一些測試可用于評估整體性能。

動態范圍（針對數字音頻電路優化的信噪比測試）可在執行PC的各種功能的同時執行干擾。長時間測量的THD + N可能會暴露由資源過載情況引起的偶然“故障”。幾乎所有THD + N分析儀上使用的陷波濾波器都是一款出色的信號放大器，對振幅或相位隨時間的變化非常敏感。信號丟失，重復，瞬態尖峰或其他干擾將顯示為失真的突然增加。在激發系統刺激這種干擾的同時監測失真殘差可能是一種有效的測試。

將所有這些結合在一起

隨著對期望的提高在多媒體PC的音質，需要測試增加。使用基于傳統方法的測試技術并適應PC的特殊要求可以成為表征質量的明智工具。

對于有效的PC音頻設備測試，請密切關注測試設置并執行一系列全面的測試。通過對結果的仔細詮釋，PC音頻設備設計人員或制造商可以通過提供高質量家用立體聲系統的音頻質量來滿足要求苛刻的客戶，但具有PC帶來的附加功能和便利性。

Audio Precision PC音頻測試應用程序與2722系列測量儀器配合使用，可以執行各種國際測量標準中規定的所有測量。它在模擬和PC總線數字點提供直接信號連接，以允許對每條路徑進行獨立和全面的表征。它控制被測設備，并且可以使用復雜的多階段迭代算法自動建立如上所述的參考水平。圖7是此應用程序生成的測試報告的示例。

圖7. Audio Precision的PC音頻測試應用程序生成的D到A路徑的樣本測試報告。

圖8. Audio Precision的PC生成的PC音頻測試應用程序音頻測試應用程序。