关于数字处理器的功能和性能(下)

曾山

       上篇介绍了数字处理器的功能,下篇我们主要探讨处理器的性能。为了方便大家理解,笔者使用业界的工业标准级的音频测试仪AUDIO PRECISION APX515对手头的三台不同品牌处理器做测试来说明各项性能。

图1. 测试现场设备

表1. 测试环境与测试条件记录

那么数字处理器有哪些性能指标呢?

        具体来讲,一台数字处理器的性能指标包括:频率响应(Frequency Response)、总谐波失真+噪音(THD+N)、最大电平(Max Level)、信噪比(SNR)和动态范围(Dynamic Range)、串扰(Crosstalk)、共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio (CMRR))。

一、频率响应(Frequency Response)

        频率响应这个指标主要说明了设备的可用频宽以及平坦度,例如:20 Hz-20 kHz±0.5 dB, 说明该设备的可用频宽为20 Hz﹣20 kHz, 平坦度为±0.5 dB。常见的处理器频宽为20 Hz﹣20 kHz,也有一些处理器的频宽会做得更宽一些,例如XTA 4系列处理器频宽为10 Hz﹣32 kHz。下面是几台处理器的频率响应实测图。

 图2.  XTA DP448频率响应图 

图3.  DOLBY LAKE LP4D8 频率响应图

图4.  ZSOUND F44频率响应图

 二、总谐波失真+噪音(THD+N)

        THD+N 包括了总谐波失真和本底噪音两项关键指标,在AP测试仪上,可以测THD+N, 也可以单独测THD , 或者单独测 NOISE。THD+N 是最能体现处理器设计水平的一项关键性能,THD+N 能否在全频段都为-90 dBu以下,说明了该处理器的A/D, D/A和模拟电路的用料档次和设计水平。

        笔者曾经测试过不少国产低端的处理器,在0 dBu测试电平下,THD+N大部分在-80 dBu以上的水平,有些甚至在-70 dBu,已经到了无法接受的地步。我们来看看THD+N 为-70 dBu的处理器,为什么会不能接受。以系统中可闻的本底噪音为例,当处理器的本底噪音达到-70 dBu,经功放32-40 dB的放大,达到-38- -30 dBu的噪声,换算为0.01-0.025 V的噪声电压,专业音箱的高音压缩驱动器一般有110 dB的灵敏度(1 W的功率输入,在1 m处产生的声压级),1 W在8欧的单元上换算的电压为2.83 V,0.01 V和2.83 V比值为-49 dB,0.025 V和2.83 V比值为-41 dB,这样音箱的高音在一米处产生的噪声声压为110-49=61 dB SPL(32 dB增益的功放),到110-41=69 dB SPL (40 dB增益的功放)之间。这个声压的本底噪声是不可忍受的,因为环境噪音都没有那么高!如果这台处理器不是本地噪音有-70 dBu,而是谐波失真达到-70 dBu, 那就更加可怕了,失真比环境噪音还大声,这台处理器的声音怎么可能正常呢?如果处理器的THD+N能达到-90 dBu以下的THD+N,就意味着本底噪音或者谐波失真在1米处会降低为 41-49 dB SPL的水平,而环境噪声在大部分场合是在这个水平的,户外会更高,能达到50-60 dB SPL,这样就可以把音响系统的本底噪音掩盖掉。但在有些特别安静的场合,例如音乐厅和吸音好的会议室,环境噪声可以降到30-35 dBSPL的水平,这些场合就需要使用THD+N达到-95 dBu以下的处理器,功放增益在32 dB以下这种类型的系统,系统的本底噪音可以降低到36 dB SPL以下。

       在笔者测试过的处理器中,能达到THD+N 为-95 dBu的处理器只有少数的几个品牌。基本都是用到高级别,误差极小(0.5-1%)的电子元器件,数字和模拟电路板分开,顶级的A/D,D/A芯片再加上精心的设计才能实现。这些都意味着高成本! 笔者认为,在成本和性能之间作一个折衷的话,THD+N 达到-90 dBu左右是比较平衡的选择。5 dB的差异足以让处理器成本翻几倍!

        大部分数字调音台的THD+N也是在-88至-92 dBu之间,有些低端的数字调音台的THD+N在人耳敏感的3-7 kHz会达到-75 dBu,这些台子的声音就能明显听出声音不好,声音好的数字台子THD+N 在整个频段几乎都是-90dBu以下一条直线。

图5.  XTA DP448  THD+N 曲线图 

图6.  DOLBY LAKE LP4D8  THD+N 曲线图

图7.  ZSOUND F44 THD+N 曲线图 

图8.  ZSOUND M44 THD+N 曲线图 

图9. 市场某款常见入门级数字调音台 THD+N 曲线图 

图10.  XTA DP448内部线路板特写

三、最大电平(Max Level)

        在处理器输入是最大输入电平,在处理器输出是最大输出电平。最大电平指的是处理器在不产生明显削波失真前的最大输入或输出电压。受通用元器件的耐压限制(主要是运算放大器芯片),处理器模拟电路的电源电压一般为±12 V(直流电压),因此输入和输出的最大电平一般都为+20 dBu,即7.75 V(交流电压)。7.75 V是RMS值,峰值为 7.75 × 1.414=10.96 V, 加上运放内部的损耗,刚好在12 V电源范围内。有些处理器的最大电平达到+22 dBu, 即9.757 V,峰值为9.757 ×1.414=13.8 V,加上损耗,电源电压应该是±15 V。如果处理器的最大电平为+26 dBu, 即15.463 V,这个处理器的电源电压就必须达到±24 V才行,这已经不是一般的运放能工作的了,必须使用高电压的特殊运放才行,而成本也会急剧上升。笔者测过一些低端处理器,最大电平只有+10 dBu,这种处理器是不能用于演出的,因为处理器前面的数字调音台的最大输出一般都有+22 dBu,等于处理器余量比调音台小12 dB,很容易产生削波失真!

图11.  XTA DP448  Stepped Level Sweep图 

图12.  DOLBY LAKE LP4D8  Stepped Level Sweep图 

图13.  ZSOUND F44  Stepped Level Sweep图 

图14.  XTA DP448 直流电压 

图15.  DOLBY LAKELP4D8直流电压

图16.  ZSOUND F44直流电压 

四、信噪比(SNR)和动态范围(Dynamic Range)

        信噪比主要取决于测试时的驱动电平和设备的本底噪音之间的比值,驱动电平最大不能超过处理器的最大输入电平。而最大电平与设备本底噪音之间的差值,就是动态范围。所以知道处理器的最大电平和THD+N就可以推算处理器的动态范围。一般来说,演出级的处理器最大电平必须达到20 dBu以上,THD+N必须达到-90 dBu以下,也就是110 dB以上的动态范围才能满足各种演出的场合使用。

图17.  XTA  DP448  1kHz  0 dBu信噪比 

图18.  DOLBY LAKE  LP4D8  1kHz  0 dBu信噪比 

图19.  ZSOUND  F44  1kHz  0 dBu信噪比 

五、   串扰(Crosstalk)

        串扰是两条信号线或两个信号通道之间的耦合,信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。容性耦合引发耦合电流,而感性耦合引发耦合电压。PCB板层的参数、信号线间距、驱动端和接收端的电气特性及线端接方式对串扰都有一定的影响。

        串扰这项指标主要体现了通道间的隔离度,这个指标越低越好,但达到-90 dBu以下就已经是非常优秀了。 

图20.  XTA DP448  0 dBu 串扰

图21.  DOLBY LAKE  LP4D8 0 dBu串扰

图22.  ZSOUND F44  0 dBu串扰

 六、   共模抑制比(Common Mode Rejection Ratio (CMRR)
)

        共模抑制比是指差分放大器对同时加到两个输入端上的共模信号的抑制能力。更确切地说,CMRR是产生特定输出所需输入的共模电压与产生同样输出所需输入的差分电压的比值。

        共模抑制比代表了平衡式放大电路(由差分电路组成)的平衡度,当完全平衡时,信号传输过程中感应到的外界噪音(共模信号)可以得到最大的抑制,这个指标是越高越好,一般能达到60 dB以上已经是很优秀的了,当差动放大电路完全对称时,共模信号电压放大倍数=0,则共模抑制比CMRR→∞,这是理想情况,实际上电路完全对称是不存在的,共模抑制比也不可能趋于无穷大。

        模拟电路的平衡度取决于元器件的误差,而元件的误差越低,就代表成本越高,超低误差的元件往往需要高精度的仪器和大量的人工进行筛选,要把平衡输入和输出电路的平衡度做到误差极小是非常困难的。 

图23.  XTA DP448  0 dBu 共模抑制比 

图24.  DOLBY LAKE LP4D8 0 dBu共模抑制比

图25.  ZSOUND F44  0dBu共模抑制比

        后记:在写这篇文章之前,一直想把这些年对处理器的理解做一个总结,这篇文章完成了这个想法,笔者从小学习电子技术,爱好这个东西,没有对电子技术、音响技术以及测试技术知识的学习和互通,不能完成这篇文章。在过去的10年间,笔者讲了几十次的音响系统培训班,都偏重系统调试,一直没有机会把自己掌握的电子和测试的知识结合设备详细讲解出来,这篇文章也同时实现了自己的这个小小愿望。

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