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

當今消費者對高保真音頻傳輸已經(jīng)習以為常。音響系統中有靜電噪音和干擾失真的時(shí)代已經(jīng)一去不復返。同時(shí)，音頻播放還有轉移到云端的趨勢�，F在有許多流媒體服務(wù)都在競相爭奪聽(tīng)眾，它們全都提供高保真音樂(lè )，而價(jià)格只是收藏CD的一個(gè)零頭。這就意味著(zhù)，我們每個(gè)人都會(huì )通過(guò)多種播放媒介來(lái)聆聽(tīng)各種在線(xiàn)音樂(lè )、有聲讀物和播客。音頻模塊的絕對數量之多也導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，而且應具有高保真性能。

展望未來(lái)，技術(shù)發(fā)展的一般趨勢是基礎技術(shù)變化不大，但最終產(chǎn)品會(huì )不斷改進(jìn)以實(shí)現更好的性能。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(lái)越受普通聽(tīng)眾歡迎就是這種趨勢的表現。在應用領(lǐng)域，有望推動(dòng)高質(zhì)量音頻系統需求增長(cháng)的一個(gè)例子是語(yǔ)音識別和語(yǔ)音指令。從智能設備的語(yǔ)音搜索到家庭自動(dòng)化系統，都會(huì )應用這種技術(shù)。為了讓智能設備從嘈雜的環(huán)境中分辨出用戶(hù)指令，必須采用高質(zhì)量硬件。此類(lèi)系統的關(guān)鍵指標是可實(shí)現的動(dòng)態(tài)范圍以及濾除噪聲和干擾的能力。視頻會(huì )議、虛擬臨場(chǎng)和虛擬現實(shí)等應用都要求將背景噪聲抑制到較低程度以改善用戶(hù)體驗。

設計挑戰

音頻模塊絕對生產(chǎn)數量的增多也給廠(chǎng)家造成了一個(gè)"痛點(diǎn)"：如何快速高效地測試每臺設備，同時(shí)確保其性能不打折扣？從設備制造商的角度來(lái)看，提高測試的執行速度顯然會(huì )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，為現代音頻設備設計音頻測試平臺的關(guān)鍵就在于以下兩點(diǎn)：一方面希望提高性能，另一方面希望以罕有的速度執行測試。音頻測試平臺需要實(shí)現更低水平的噪聲和失真，以便快速精確地測量被測設備。

普通消費者的需求與專(zhuān)業(yè)演播室設備的需求之間的差距正越來(lái)越小。例如，消費者普遍青睞質(zhì)量更高且更精密的耳機。有一個(gè)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(dòng)態(tài)范圍，而模擬麥克風(fēng)和專(zhuān)業(yè)級音響需要120 dB以上的動(dòng)態(tài)范圍。要適應未來(lái)需求，音頻測試平臺需覆蓋更寬的動(dòng)態(tài)范圍，并且具有更快的測試時(shí)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對當前消費級需求，又能適應未來(lái)向更高保真系統發(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(huì )遇到許多設計難題。為將這些需求納入現代音頻測試平臺，測試系統設計師需要克服很多制約因素。其中一些制約因素包括系統成本、設計尺寸和功耗。許多情況下，決定系統性能的是與資金預算或熱預算相關(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(jiàn)限制。該器件提供4通道和8通道兩個(gè)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)域的高保真音頻設備，因為其24位精度能實(shí)現更寬的動(dòng)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(gè)通道均能提供優(yōu)質(zhì)的噪聲和THD性能，并且輸出數據速率可以根據音頻帶寬進(jìn)行調整。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、低紋波數字濾波器也適合音頻應用。它支持六種不同的抽取率，用戶(hù)可以根據目標帶寬靈活選用。AD7768的阻帶衰減為105 dB，可提供陡峭的磚墻式頻率響應，同時(shí)保持目標信號不變，而將噪聲降至較低。

AD7768/AD7768-4適應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)展已成為當今趨勢。AD7768/AD7768-4集成了多個(gè)通道，使得系統可以縮小尺寸并提高通道密度。在同時(shí)測試多臺設備的同時(shí)，AD7768/AD7768-4有能力使通道間串擾保持較小，這是一個(gè)關(guān)鍵性的區分優(yōu)勢。作為可配置測試平臺的基石，它解決了許多關(guān)鍵的設計難題，特別適合將功耗也視為一個(gè)重要考慮因素的模塊式系統。

其性能的一個(gè)例子如圖1中的AD7768/AD7768-4 IMD結果所示。此圖顯示二階IMD結果為–135.2 dB，三階IMD為–129.3 dB，非常出色。AD7768/ AD7768-4 IMD測試遵循CCIF標準，即把兩個(gè)同幅度的輸入頻率施加于器件。由此所得的FFT顯示這兩個(gè)頻率是否發(fā)生交調；交調出現在相應的和頻和差頻中。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(gè)或更多信號音混合作用下，是否會(huì )產(chǎn)生不需要的拍頻信號。播放音樂(lè )流時(shí)，如果存在這種信號音，會(huì )引起干擾性失真。與原始高保真音頻文件相比，這種失真會(huì )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(kāi)展了典型音頻測試實(shí)驗來(lái)展示不同消費音頻設備的性能，以及如何利用AD7768/AD7768-4來(lái)測試各種設備。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、對數線(xiàn)性調頻、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(dòng)態(tài)范圍測試，即防止設備靜音（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(xiàn)性失真產(chǎn)物，其是多個(gè)信號音混頻的結果。本例中，7 kHz信號被60 Hz信號音調制（7 kHz ± 60 Hz）。

配置

為將AD7768調諧到所需帶寬，首先必須做一些計算，算出所需的主時(shí)鐘 (MCLK)。利用此MCLK與特定抽取率的組合，我們便可調整AD7768/AD7768-4的輸出數據速率。本例中使用的MCLK為12.288 MHz，抽取率為×64，得到ODR為48 kSPS�？紤]到功耗與帶寬的取舍，也可以使用其他組合。更多信息請參閱數據手冊第41頁(yè)上的 時(shí)鐘、采樣樹(shù)和功耗調節部分。

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

圖2. 連接圖

結果

表1. 測試音結果

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

筆記本電腦的音頻輸出具有許多不同的驅動(dòng)器和處理選項。它們根據人耳的響應而開(kāi)發(fā)，以產(chǎn)生更令人愉悅的聲音，但會(huì )造成某些頻率被改變。因此，當關(guān)閉這些音效時(shí)，筆記本電腦的動(dòng)態(tài)范圍性能實(shí)際上是最差的，但開(kāi)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）的各種設備的IMD范圍。對于MP3和手機，IMD產(chǎn)物在7 kHz和±60 Hz時(shí)明顯可見(jiàn)。

圖3. IMD SMPTE測試樣本，7 kHz輸入

AD7768/AD7768-4解決方案的區別因素

AD7768/AD7768-4的最大輸出數據速率(ODR)為256 kSPS。根據應用需要，通過(guò)調整主時(shí)鐘 (MCLK) 和/或抽取率，可以將此ODR調諧到48 kSPS、96 kSPS或192 kSPS的典型音頻帶寬。這在功耗敏感應用中特別有用，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(dòng)態(tài)范圍和大帶寬的應用（如聲吶），它同樣極具價(jià)值。

很多現代測試平臺轉向模塊式系統，熱要求開(kāi)始成為問(wèn)題。

AD7768/AD7768-4允許用戶(hù)在信號帶寬（或動(dòng)態(tài)范圍）與功耗之間進(jìn)行取舍，從而實(shí)現更低的功耗，支持更廣泛的用途。圖4中的動(dòng)態(tài)范圍與ODR的關(guān)系曲線(xiàn)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級省電方法。欲了解更多信息，請參閱數據手冊。

圖4. 動(dòng)態(tài)范圍與ODR的關(guān)系（每通道）

高通道數也是AD7768的一個(gè)優(yōu)勢，原因如下：

快速測試

可以同時(shí)并行測試八個(gè)通道或四臺立體聲設備。因此，測試時(shí)間或測試成本現在要減少四倍，這對測試系統非常重要。我們周?chē)�的音頻模塊數量在不斷增加，未來(lái)的音頻測試平臺將越來(lái)越關(guān)心測試成本。通道密度很重要的一個(gè)應用例子是采用7.1環(huán)繞聲的家庭影院系統。

性能優(yōu)越

通過(guò)合并多個(gè)通道，可進(jìn)一步提升終端系統可實(shí)現的性能。四個(gè)通道合并為一個(gè)通道時(shí)，圖4所示的動(dòng)態(tài)范圍數值最多可提高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、系統限制、廠(chǎng)房空間限制或轉向模塊化臺式儀器儀表。由于將八個(gè)ADC集成到一個(gè)封裝中，系統便能追隨儀器小型化的趨勢。

結語(yǔ)

音頻模塊數量日益增多，這些設備的質(zhì)量要求也在提高。因此，業(yè)界對現代音頻測試平臺的需求越來(lái)越高。為了超越這些需求并適應未來(lái)智能設備不斷增長(cháng)的趨勢，現代音頻測試平臺必須具備高性能、可調整、可配置、運行快等條件。家庭自動(dòng)化、語(yǔ)音識別和語(yǔ)音轉文本應用不再是未來(lái)概念，而是現實(shí)。隨著(zhù)語(yǔ)音控制和類(lèi)似技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展并擴大應用，測試平臺的負擔會(huì )越來(lái)越重。AD7768/AD7768-4可對此提供頗有助益的解決方案。測試結果表明，從低端設備到高保真系統，AD7768可用于測試當前市場(chǎng)上的各種音頻設備。