【導讀】如今，幾乎每種個人電子設備都已經集成了音頻功能。無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音樂邊做日常事務。最近五年來，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，用以觀看和播放內容的設備種類也更加多樣。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習以為常。音響系統中有靜電噪音和干擾失真的時代已經一去不復返。同時，音頻播放還有轉移到云端的趨勢。現在有許多流媒體服務都在競相爭奪聽眾，它們全都提供高保真音樂，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，技術發展的一般趨勢是基礎技術變化不大，但最終產品會不斷改進以實現更好的性能。這一趨勢同樣適用于音頻領域。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。更高質量的音響越來越受普通聽眾歡迎就是這種趨勢的表現。在應用領域，有望推動高質量音頻系統需求增長的一個例子是語音識別和語音指令。從智能設備的語音搜索到家庭自動化系統，都會應用這種技術。為了讓智能設備從嘈雜的環境中分辨出用戶指令，必須采用高質量硬件。此類系統的關鍵指標是可實現的動態范圍以及濾除噪聲和干擾的能力。視頻會議、虛擬臨場和虛擬現實等應用都要求將背景噪聲抑制到較低程度以改善用戶體驗。
設計挑戰
音頻模塊絕對生產數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備，同時確保其性能不打折扣？從設備制造商的角度來看，提高測試的執行速度顯然會降低成本。然而，最終產品的質量不能受到影響。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行測試。音頻測試平臺需要實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業演播室設備的需求之間的差距正越來越小。例如，消費者普遍青睞質量更高且更精密的耳機。有一個全方位適用的音頻測試平臺將非常有用。典型CD音質需要92 dB到96 dB的動態范圍，而模擬麥克風和專業級音響需要120 dB以上的動態范圍。要適應未來需求，音頻測試平臺需覆蓋更寬的動態范圍，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對當前消費級需求，又能適應未來向更高保真系統發展的趨勢。
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域的高保真音頻設備，因為其24位精度能實現更寬的動態范圍。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質的噪聲和THD性能，并且輸出數據速率可以根據音頻帶寬進行調整。這使其成為音頻領域的理想器件。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、小型化發展已成為當今趨勢。AD7768/AD7768-4集成了多個通道，使得系統可以縮小尺寸并提高通道密度。在同時測試多臺設備的同時，AD7768/AD7768-4有能力使通道間串擾保持較小，這是一個關鍵性的區分優勢。作為可配置測試平臺的基石，它解決了許多關鍵的設計難題，特別適合將功耗也視為一個重要考慮因素的模塊式系統。
其性能的一個例子如圖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或更多信號音混合作用下，是否會產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備的性能，以及如何利用AD7768/AD7768-4來測試各種設備。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、對數線性調頻、電平測試等。
選擇的兩種測試音如下：
1. –60 dBFS的1 kHz正弦波。此測試適用于動態范圍測試，即防止設備靜音（人工使輸出消音）。
2. 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物，其是多個信號音混頻的結果。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。考慮到功耗與帶寬的取舍，也可以使用其他組合。更多信息請參閱數據手冊第41頁上的 時鐘、采樣樹和功耗調節部分。
典型設置見圖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。八個通道一次最多可測試四路立體聲輸出，每個立體聲設備有左右兩個聲道。對此電路可做進一步優化以提高系統性能。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。特別值得關注的是，價格低廉的MP3播放器表現出良好的動態范圍，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量低下，可以測試的最大IMD水平受此設備的輸出驅動能力限制。因此，為了進行同等比較，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器和處理選項。它們根據人耳的響應而開發，以產生更令人愉悅的聲音，但會造成某些頻率被改變。因此，當關閉這些音效時，筆記本電腦的動態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MP3播放器（綠色）的各種設備的IMD范圍。對于MP3和手機，IMD產物在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，通過調整主時鐘 (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。對于其他需要高動態范圍和大帶寬的應用（如聲吶），它同樣極具價值。
很多現代測試平臺轉向模塊式系統，熱要求開始成為問題。
AD7768/AD7768-4允許用戶在信號帶寬（或動態范圍）與功耗之間進行取舍，從而實現更低的功耗，支持更廣泛的用途。圖4中的動態范圍與ODR的關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級省電方法。欲了解更多信息，請參閱數據手冊。
圖4. 動態范圍與ODR的關系（每通道）
高通道數也是AD7768的一個優勢，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備。因此，測試時間或測試成本現在要減少四倍，這對測試系統非常重要。我們周圍的音頻模塊數量在不斷增加，未來的音頻測試平臺將越來越關心測試成本。通道密度很重要的一個應用例子是采用7.1環繞聲的家庭影院系統。
性能優越
通過合并多個通道，可進一步提升終端系統可實現的性能。四個通道合并為一個通道時，圖4所示的動態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、廠房空間限制或轉向模塊化臺式儀器儀表。由于將八個ADC集成到一個封裝中，系統便能追隨儀器小型化的趨勢。
結語
音頻模塊數量日益增多，這些設備的質量要求也在提高。因此，業界對現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未來智能設備不斷增長的趨勢，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。家庭自動化、語音識別和語音轉文本應用不再是未來概念，而是現實。隨著語音控制和類似技術的進一步發展并擴大應用，測試平臺的負擔會越來越重。AD7768/AD7768-4可對此提供頗有助益的解決方案。測試結果表明，從低端設備到高保真系統，AD7768可用于測試當前市場上的各種音頻設備。
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