原创高保真测试规范

 2008-6-26 20:11  2878 8 8 分类: 测试测量

高保真测试规范

作者：周彦光
技术部副理
百佳泰股份有限公司

Microsoft 于2007年6月1日开始强制要求系统厂商如果想要拿到Vista 的Logo，就必须通过Windows Logo Program（WLP3.0X）中针对声音质量的规范SYSFUND-0118(Premium)，SYSFUND-0127(Basic)。

因此业界首次有了针对电子/计算机产品订下声音质量的标准规范，也因为Microsoft在产业的领导地位使其能成为厂商愿意配合和改进产品质量的声音规范。

图1：Microsoft规范的八项标准内容

Audio Precision

        Microsoft 在Policy中指定使用Audio Precision的SYS-2722 Audio Analyzer做为Program的测试仪器，连Test Kits 也针对SYS-2722开发撰写，使得这家公司一下子有名了起来。

        这家位于美国奥勒冈州的专业声音测试仪器公司是在1984年时一群原本任职于泰克的工程师所创立，其开发的仪器也是首先使用计算机图型界面来取代传统老式表头型式的仪器，其产品不只多年来广受各家消费性电子厂商指定使用，同时也是美国杜比实验室的长期合作厂商，目前杜比所推出的各项认证测试也大多指定其仪器做为讯号测量的专用设备，其在专业声音讯号测量的领域的地位可以说是全世界公认的首席公司。

        SYS-2722是一台二声道的多功能的声音测量仪器，本身除了声音的分析之外还支持最高达192KHz的声音产生器以及俱备了大部份数字模拟的输出和输入界面。仪器本身无任何控制功能，必需连接至计算机透过专有的软件来做控制，目前大部份的消费性娱乐产品厂商都会利用此来测试产品声音输出的失真度，信噪比，分离度…..等大家所熟悉的基本测试。

图2：SYS-2722连结方式和AP2700控制界面

WLP规定了八项声音输出质量的测试以及声音输入、麦克风输入和耳机输出的测试。而目前Microsoft 提供的自动测试使用之Test Kits (DTM)，提供了其中五项测试支持声音输出的测试。

倘若开发人员想要了解自己的产品是否能符合Windows Logo Program里所订定的所有的规范，除了利用Test Kits控制仪器来自动完成某些项目外，还需利用AP SYS-2722仪器来手动测量其它目前Test Kits未支持的项目。

图3：DTM目前支持的测试项目

什么是Audio Performance?

本文章的目的，就是带着大家一项一项的去了解每一个测试，虽然无法见文就上手，最起码能够有一个基本的认识。所谓的Fidelity Test 或是Audio Performance 在PC上而言，简而言之就是测试他的D/A，A/D 转换的质量，牵渋到板子上电容引起的失真和其它任何引起噪声的原因。整体来说通过了任何可能性的不良影响后，被转换的声音讯号输出的质量，便称乎这个输出的质量为该产品的Audio Performance，也就是Microsoft 所称的Fidelity。

认识测试项目

Full Scale

Full Scale 又叫最大输出电压，整个图表会呈现一个连续的曲线，在声音讯号的领域里我们通常会定义0dB 为最大音量的定义，而通常0dB也等于1V电压，因此在规范当中则定义了产品最大的输出要超过0dB / 1V。虽然是说最大输出电压，但严格说起来应该是最大不失真的输出电压，因为根据经验，许多的产品到了最大输出时，他的波型上缘和下缘会有被砍掉的情形，也就是所谓的截波，产生了非线性失真的情形。这时他的最大输出是不被认可的，反而要调低音量到无截波情形时才能决定他的最大不失真的能力。

图4：连续波型上不能有任何截波，不然上下看起来是方型的。

        在此项测试时，我们会从待测物输出一个0dB 48KHz Sample Rate 1KHz 的声音然后输入到仪器去分析。之后调整计算机的音量到最大，看是否有谐波失真（有关谐波失真后述），接着放低音量到谐波失真率低于0.2后，显示在屏幕上的电压值即为此产品的Full Scale，此值必须记录下来，后续的测试都会用到。

        另外一个测试项目〔Sampling frequency accuracy〕通常也会在此时同时测到，测试信号的Sample Rate 在进入D/A前后的精准度并比较信号原本的Sample Rate和实际测量到的比值，通常会用第一个测试的信号一起测试，Microsoft 规范为0.02%。

THD+n

        Total Harmonic Distortion with Noise也就是总谐波失真加上噪音值。

        其原理在于当信号转换输出时，在原信号会有非线性的失真也就是会额外加上非原始的信号成份。
简单来说，当我们输入1KHz的讯号时，就有可能在其倍数如2K,4K 会额外多出非原本讯号的不正常信号。

图5：只有1K部份是原始的讯号，其它倍数部份都是谐波。

        此不正常的谐波当然也就会影响原始信号的重现，此项测试为检测谐波的增益对比上原始讯号的差异值，假设原始讯号为0dB，谐波最大为-60dB，则谐波相对于原始讯号的距离为60dB。

        在做此测试时，我们在Full Scale测到的值就会在此被采用为参考值也就是当做最大输出信号。

        而此项测试采用的信号一般来说习惯采用-3dB 1KHz 的信号来做为实际测量信号，然后量出的谐波值再和之前的Full Scale值做差异比较。

        Microsoft所要求的测试比原始厂商要求的还要严格，他要求的不是只有1KHz的讯号量测而是在全频的信号下做量测，也就是20Hz – 20KHz 分成31个频段，所得到的值会有31个，再取最差的值，所以称为THD+N VS Frequency。

        此测试的规范为相对于Full Scale 必须大于或等于80dB。

图6：全频的THD+n测试结果

Dynamic Range

        动态范围是指最大的输出信号相对最小信号（噪声）的差异值，也可以用来量测信号噪音的大小跟正常信讯的差异值，所以一般也可以用来测量信噪比（Signal to Noise Ratio）。

        这个测试的量测是以输入-60dB 1KHz 的信号，原则上-60dB的值是用来确认信号是存在的情况之下来量测他的噪声，而且-60dB也可以避免谐波失真的不确定因素。

        这项测试目前是使用1KHz 单频来做测试讯号，而不做全频的原因在于讯号过小无法被仪器锁定，所以必须固定在1KHz 来做测试。全频测试便需要做31个不同频段的声音档，然后固定住每一个频段来做测试。

        本规范在此项测试的要求为大于或等于90dB。

        此项和另一个测试项目「Noise Level during system activity」可以合并讨论，和Dynamic Range最大的不同是「Noise Level during system activity」输入的信号虽然同样也是-60dB但是在信号中的LSB Bit 0 当中会存放数据使得Codec会一直处于工作的状态。

Interchannel Phase Delay

        测试在二声道左和右彼此之间在全频之下的相位延迟。

        相位是描述讯号波型变化的位置，以度为单位，二个Channel在信号进入和输出时是否会彼此产生不同步是此测试的重点。

        此量测是以-20dB Multitone 做为输入讯号（Multition为全频同时发声而非阶梯式发声）
直接使用仪器的Phase Meter取得角度，再经由公式可换算成时间。

图7：取得角度值后可换算成时间

        Microsoft 在此项测试定义的规范则较为弹性，在全频之下30度或是12.5 microseconds 那一个单位下的值比较好就采用那一个值。

Cross-talk

        这是在测试串音，串音的意思就是测试声道的分离度，例如左声道的声音不应该跑到右声道，右声道也不该跑到左声道，但在计算机声音输出习惯使用的端子上似乎要完全不彼此干扰是不太可能。

        为了此项测试，我们应该准备二个不同的Mono档案，一个是全频31阶-20dB但只有左声道，另一个则只有右声道，当在测量时，仪器本身的Cross-talk测试功能会去检查有声音的那个声道，和另一个没声音的声道彼此之间的差异，而取得的比值就是我们要的Cross-talk值。因此本测试需要跑二次，一次是左声道对比上右声道，另一次则相反。

图8：Cross-talk 的结果图表

Microsoft在此项测试订的规范为大于或等于60dB。

Magnitude Response

这项测试就是以前大家所熟知的频率响应，测试信号在各频段的增益差别。

图9：Magnitude Response 结果图表示意图

        从上图中我们可以看到整个测试结果的频段分成二个部份，一个是Transition band，另一个是Outside Transition band，天蓝色的线条代表是信号的曲线，红色的部份则是限制范围，用来表示曲线值正确与否，我们可以看到信号在高低频部份开始变的不穏定而且跑出红线范围之外，我们称那是一个转态带(Transition band)的开始，在这项测试有三个点要观察，(1)在Pass band（Outside transition band）内是否平顺，其涟波值（Ripple）是否在红线范围之内；(2)在Transition band的结束点是否合乎规范；(3)信号进入Transition band后是否合乎单一方向性的持续向外延伸，不能又回到红线曲域里，业界称此为「Monotonic」。

        Microsoft 在这项测试的规范为Ripple值要在正负0.25dB也就是在红线范围内，最高频处不能差异大于1dB, 低频处差异不能大于3dB。

第三方测试实验室

        以上介绍就是目前最主要的八项测试，这八项测试可以看出您的产品的Fidelity，即大陆所说的保真度和我们谈的高传真，意指和原始讯号的还原度。

        整体来说测试所花费的时间虽不多，但在测试环境的建构以及所需投入的资金与人力却不少，开发厂商还需面对错误的修正所耗费的时间成本。

        现在大环境已准备就绪，国际大厂也准备好了，不知你的产品准备好了吗?若还没准备好，不妨参考Microsoft网页上所提供的可支持Audio Fidelity 测试的Third-Party信息，以选择最事半功倍的测试方式。