音頻IC測試面臨新挑戰(zhàn)

關(guān)鍵字：音頻IC

HDTV（高清電視）正在通過下一代 SoC（單片系統(tǒng)）平臺呈現(xiàn)強勁的勢頭，這是一個眾所周知的趨勢。用于機頂盒、電視監(jiān)視器、硬盤播放機，以及（不久將來的）移動媒體播放機都將具備 HD 能力。但這一變革的另一個方面卻未被公眾注意到，這就是音頻質(zhì)量。

高清晰音頻的問題不僅存在于電路設(shè)計中。事實上，模擬 IC 設(shè)計者一直在提供一些DAC 和放大器，它們的性能顯然優(yōu)于分立元件黃金時代的任何產(chǎn)品。問題是特性描述與測試。正像很多模擬設(shè)計師以及音響玩家們所說的那樣，即使在特性描述平臺上，高端音頻的質(zhì)量也非常難于量化，并且?guī)缀醪豢赡茉谥圃?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/測試">測試環(huán)境中作驗證。SoC 設(shè)計者現(xiàn)在正在與有經(jīng)驗的模擬 IC 設(shè)計者一起評估這種新挑戰(zhàn)。

問題何在？

新的測試與測量挑戰(zhàn)來自于兩種勢力的融合。一個是前面提到過的，數(shù)字碼流提供高質(zhì)量音頻的能力越來越強。更準(zhǔn)確地說，質(zhì)量逐漸提高的聲源素材已不是問題。人們總可以將一個好的碼流轉(zhuǎn)換為中等的音頻信號。另一個是消費者的期望在提高。當(dāng)數(shù)字音頻還只是 MP3 碼流，或類似有損音源的音頻時，編解碼器是根本問題所在，而通常不需要關(guān)注模擬電路。用戶會與便攜式磁帶播放機和 CD 播放機做對比以評判 MP3 播放器的效果，多數(shù)情況下后者音質(zhì)會更差。

美國國家半導(dǎo)體音頻產(chǎn)品營銷總監(jiān) Gary Adrig 認(rèn)為：“對 MP3 播放機輸出質(zhì)量的要求實際上是高性能耳機的興起而推動的，而不是音源。隨著耳機的進步，我們看到一些過去要求不高的客戶現(xiàn)在需要 100dB

當(dāng)內(nèi)容供應(yīng)商開始轉(zhuǎn)向更低壓縮率（因而有更高的碼率）時，芯片設(shè)計者就不得不轉(zhuǎn)向更寬的數(shù)據(jù)路徑和更好的 DAC，才能使硬件的噪聲本底低于解碼音源的固有噪聲電平。除了 MP3 的限制以外，市場競爭也表明消費者正在提高對聲音質(zhì)量的鑒別能力。

隨著聲道從過去的 16 b、44.1k 采樣/秒的 CD 質(zhì)量上升到高于 24 b、192k 采樣/秒的 DVD Audio，新型 HD 媒體也已經(jīng)邁出了步伐。這種性能無疑會使高端設(shè)備的購買者置疑他們聽到的聲音質(zhì)量。德州儀器公司營銷經(jīng)理 Kevin Belnap 說：“我們已經(jīng)身處家庭影院市場。一旦我們達到了最低的噪聲與諧波失真水平時，就會遇到一大堆聆聽者偏好問題，如音場和全電子管情況等。”

但愛挑剔的耳朵還不止如此。機頂盒和轉(zhuǎn)換盒、高清電視機，甚至便攜設(shè)備的用戶都要求聲音要遠(yuǎn)好于原來的聽感。一位專業(yè)音頻開發(fā)人員的經(jīng)驗可以為這種進展的原因作出說明。Morten Lave 是一家錄音室監(jiān)聽音箱開發(fā)商 TC Applied Technologies 的首席執(zhí)行官，他談到自己對 MP3 的體驗：“我有一臺 iPod，于是我決定把一些音樂放進去。我全用默認(rèn)方式，結(jié)果卻很糟糕，打擊樂器的聲音很可怕。于是我把碼率提高到 192 kHz。現(xiàn)在聲音質(zhì)量接近了 iPod 上用廉價耳機的效果，但是，如果我把它接到家中的音響系統(tǒng)上，我仍然能清楚地聽到壓縮的人為現(xiàn)象。”有了新型的無損數(shù)據(jù)類型后，電子設(shè)備不再受制于 MP3 壓縮的限制。它們本身就成為了問題。

我全用默認(rèn)方式，結(jié)果卻很糟糕，打擊樂器的聲音很可怕。于是我把碼率提高到192kHz?，F(xiàn)在聲音質(zhì)量接近了iPod上用廉價耳機的效果，但是，如果我把它接到家中的音響系統(tǒng)上，我仍然能清楚地聽到壓縮的人為現(xiàn)象。”有了新型的無損數(shù)據(jù)類型后，電子設(shè)備不再受制于MP3壓縮的限制。它們本身就成為了問題。

這種對音頻質(zhì)量增長的需求本身是可以控制的。機頂盒和電視市場（其中的空間和成本還不是主要因素）上的大多數(shù)SoC供應(yīng)商現(xiàn)在只為外部模擬芯片或芯片組提供一個數(shù)字輸出。這樣就將特性描述與測試問題轉(zhuǎn)嫁給了從事模擬領(lǐng)域的公司，它們更熟悉這些問題。但是兩個融合力量中的第二種力量正在堵塞這個SoC設(shè)計小組的漏洞。這個力量就是集成化。

正如一家SoC供應(yīng)商所說，市場上對更高集成度存在著普遍的需求，迫使SoC供應(yīng)商將DAC（以后還有小型功放）置入主核內(nèi)。這種方案不但又提出了曾廣泛討論的有噪聲的低電壓數(shù)字CMOS環(huán)境中的精密模擬設(shè)計問題，而且還把特性描述與測試問題扔給了SoC小組。

Bel nap稱：“我們已經(jīng)看到了集成會帶來的問題。早期MP3播放器的制造商們試圖在自己的芯片中集成一個脈寬調(diào)制處理器和DAC，但質(zhì)量達不到那個程度。現(xiàn)在，隨著HD DVD或Blu-Ray逐步整合到家用接收機中，我們正在討論更富挑戰(zhàn)性的集成，以及一個全新水平的聲音質(zhì)量。”

高質(zhì)量音頻輸出

可以用下列方法估計下一代SoC特性描述的問題，即將SoC設(shè)計者通常用于描述模擬輸出特性的方式與高端音頻市場上的新興技術(shù)作比較。這種比較將相當(dāng)程度上影響SoC設(shè)計者的工作。迄今為止，SoC 特性描述一直集中在音頻問題的數(shù)字一邊。對此，標(biāo)準(zhǔn)化組織很愿意介入提供幫助，為激勵數(shù)字輸入和用于比較結(jié)果的基準(zhǔn)提供源碼流。在有損壓縮系統(tǒng)情況下，這些基準(zhǔn)被包絡(luò)用于定義一個可接受的輸出范圍。

德州儀器公司（TI）軟件基礎(chǔ)架構(gòu)經(jīng)理 Matthew Watson說：“這開始于10年前為ATSC（先進電視系統(tǒng)委員會）的 Dolby Digital和DVD視頻標(biāo)準(zhǔn)。它們?yōu)锳udio Precision測試設(shè)備提供了結(jié)果圖，因此你可以運行THD、SNR和頻譜圖，看是否符合標(biāo)準(zhǔn)。”

提供這種特性支持最為自信的就是Dolby（杜比），當(dāng)然這是因為它自己的編解碼IP（智識產(chǎn)權(quán)），但Watson認(rèn)為，像THX這種第三方組織也很積極。對于CD這類無損音頻格式，不需要提供包絡(luò)線，特性描述工程師就可以將輸出碼流與一個基準(zhǔn)碼流作比較，而標(biāo)準(zhǔn)化組織可以堅持碼流精確的輸出。Watson說：“數(shù)字輸出的質(zhì)量現(xiàn)在高于模擬輸出的質(zhì)量，當(dāng)我們滿足了外部標(biāo)準(zhǔn)時，我們的工作就基本上完成了。客戶理解測試步驟的嚴(yán)格性，他們接受這些結(jié)果。”

但在DAC另一邊，情況卻有很大不同。多數(shù)芯片的架構(gòu)都避免來自 SoC 的模擬輸出，大部分是因為電路設(shè)計和硅片面積問題，而不是測試問題。當(dāng)芯片架構(gòu)集成了模擬音頻時，質(zhì)量預(yù)期通常會降低，特性描述也有點馬虎，例如，僅檢查在零和滿量程數(shù)字輸入時的模擬輸出，以驗證偏移和電壓擺幅，也許還查看一個輸出波形。

但情況正在變化。隨著音頻逐步進入數(shù)量稀少的高檔玩家空間，特性描述也在變化，不僅更加嚴(yán)格，并且也更加與客戶相關(guān)。高端音頻芯片供應(yīng)商Wolfson Microelectronics的營銷副總裁Julian Hayes認(rèn)為：“在高端，每個人對于質(zhì)量的重要性都存在不同觀點。這使得特性描述的步驟劇增。”特性描述也變得更加困難。

模擬輸出

有經(jīng)驗的精密模擬電路供應(yīng)商將特性描述問題分解成一系列相關(guān)的問題。我們應(yīng)測量什么？我們?nèi)绾芜M行測量以及在怎樣的環(huán)境下測量？我們要走多遠(yuǎn)？而且，對于高端音頻，在過程的結(jié)尾還隱約會出現(xiàn)另一個問題：多少次測量可以給我們正確的答案？這些問題都不一般，因為特性描述的目標(biāo)不是確定輸出的電氣性能，而是預(yù)測聆聽體驗。這是一個極其嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

僅如何測量的問題就已經(jīng)導(dǎo)致了很多爭論。對不計較質(zhì)量的音頻，功能性測量就已足夠。對于使用廉價耳機的普通聽眾，頻率響應(yīng)、THD和某種噪聲測量就足以確定一個音頻部分的聲音好壞。這些測試從高保真度的早期歲月流傳至今，現(xiàn)在仍然是測試的出發(fā)點。而且工程師們相當(dāng)幸運，這些測試都很好地組合在一個單獨的自動化工具箱內(nèi)。

PortalPlayer剛被Nvidia收歸門下，它的營銷與業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Philippe Mora說：“現(xiàn)在每個人都有一個Audio Precision盒。”這些年來，Audio Precision已經(jīng)將信號發(fā)生、采集和分析與PC控制組合在一起，成為音頻特性描述的一個事實標(biāo)準(zhǔn)。通過硬件與預(yù)編碼的測量序列原程序結(jié)合，Audio Precision不僅能夠自動完成傳統(tǒng)音頻測量，而且還可以實現(xiàn)很多第三方標(biāo)準(zhǔn)化組織要求的步驟。

沒有人置疑Audio Precision系統(tǒng)提供精確測量的能力，即使是對24 位數(shù)據(jù)和 192 kHz 采樣速率的極端情況。但有些設(shè)計者也警告說，Audio Precision 設(shè)備只是答案的一部分。美國國家半導(dǎo)體公司音頻應(yīng)用總監(jiān)Jeff Bridges 說：“AP是我們用于音頻輸出的主要特性描述工具。但對特殊測試，我們也采用其它測量設(shè)備，通常是現(xiàn)成的工具，如網(wǎng)絡(luò)分析儀或頻譜分析儀。”這種方案有種使特性描述平臺像一個滿足的瘋科學(xué)家神態(tài)的趨勢（圖1）。但也意味著在特性描述過程中要采用很多手動步驟。

Wolfson首席技術(shù)官 Peter Frith 暗示說：“我們看到，業(yè)界特性描述步驟的范圍現(xiàn)在已相當(dāng)令人吃驚。你看到有些人將輸入設(shè)為零，然后在輸出端接一個伏特計測量噪聲，然后用一臺示波器察看滿量程正弦波以便測量動態(tài)范圍。其它參數(shù)：THD、SNR 和動態(tài)范圍更傳統(tǒng)。但對我們的市場，這只是開始。”特性描述還必須包括與系統(tǒng)相關(guān)的問題，其中特別是電源噪聲抑制，當(dāng)模擬輸出來自一塊有相當(dāng)數(shù)字成份的芯片，并且有很多運行模式時，甚至難于確定電源本身的噪聲抑制，但它對聲音質(zhì)量至關(guān)重要。 SoC是帶有模擬輸出的數(shù)字器件，這一事實還帶來了其它類型的特性描述問題。Wolfson的Hayes 說：“早年對模擬輸出的卡嗒聲和爆音不存在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。同樣，當(dāng)系統(tǒng)通過數(shù)字增益的各個電平時也會產(chǎn)生所謂拉鏈聲，這對音頻世界也是種新鮮東西。由于這些噪聲的來源都與特定的用戶動作有關(guān)，因此決不會出現(xiàn)在傳統(tǒng)的特性描述中。但如果你用高性能耳機，這些噪聲就很令人厭煩，甚至是有害的。所以，我們必須為它開發(fā)特性描述測試。”

無法識別

還有一個嚴(yán)重問題。TI 的 Belnap 承認(rèn)：“可能有這樣的事，即放大器測量正常，但聲音很糟。”這點與很多工程師的想法并不相同，他們想的是高端音響玩家們的妄想型行為，如為黑膠唱片去磁，以及尋求手工編織的鍍金音箱電纜。我們得承認(rèn)人類的耳朵十分靈敏，沒有一種測試方式能夠預(yù)測有經(jīng)驗聽眾聆聽某個 DAC、放大器和揚聲器組合時會有怎樣的感受。
這種現(xiàn)實情況也沖擊到高端音頻 IC供應(yīng)商。美國國家半導(dǎo)體公司的 Bridges稱：“在我們市場上高性能一端，過去一般是提供樣品和規(guī)格單，告知客戶數(shù)據(jù)。但最近，越來越多的客戶開始不要規(guī)格單，而是要求我們給出一個可用的參考設(shè)計。他們直接拿到自己的音響室，開始聆聽。在今天的高端市場，質(zhì)量是芯片好壞的決定因素。”

這種情況也帶來了一些明顯的問題。首先，設(shè)計者用于特性描述的設(shè)備經(jīng)常不足以代表一個真實的聆聽環(huán)境。Bridges 注意到：“幾乎所有人都在阻性負(fù)載上做自己的數(shù)據(jù)表。”但是，只有非常穩(wěn)定的放大器，其阻性負(fù)載的性能才接近于一個動態(tài)、反應(yīng)性的負(fù)載（如音箱）。事實上，TC Applied Technologies 的 Lave 就建議，至少對 D 類和全數(shù)字放大器，控制揚聲器紙盆的問題（或紙盆表面的聲壓級）是與揚聲器充分相關(guān)的，有源揚聲器（帶有內(nèi)置放大器）將在業(yè)內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。簡直很難制作一種能夠控制所有動態(tài)狀況的放大器，而任何可想象的揚聲器網(wǎng)絡(luò)都能在輸出級呈現(xiàn)這類動態(tài)狀況。

問題還不止如此。如果你知道要尋找的是什么目標(biāo)的話，與有經(jīng)驗聽眾的互動經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)無法完美測量聽音問題（見附文“可以測量嗎？”）。對于那些持聲音完全無理性觀點的聽眾，他們不僅認(rèn)為盲測的可再現(xiàn)性，而且認(rèn)為測量中實際揭示內(nèi)容的可回溯性。這些經(jīng)驗都更增加了特性描述過程的復(fù)雜性。

結(jié)果，特性描述過程趨向于提供一種聽者開始將其與某個制造商關(guān)聯(lián)的“聲音”。在有些情況下，供應(yīng)商努力使聲音發(fā)干，或更中性。TI 的高級應(yīng)用工程師 Fred Shipley 說：“我們尋求干聲，盡可能地與價格點一致。這樣，我們的客戶就可以使用自己的數(shù)字信號處理和板級模擬設(shè)計，創(chuàng)造出有他們自己特性的聲音，而不必用我們的。”Shipley 補充說，為這種 TI 干聲作芯片特性描述的過程中，相當(dāng)一部分時間花在聽音室中，即由公司的金耳朵們評判 TI 參考設(shè)計中的芯片。

當(dāng) SoC 是板級設(shè)計時，最后聲音的責(zé)任就落在了芯片設(shè)計者身上。并且聲音可能更多地考慮市場因素，而不是規(guī)格因素。PortalPlayer 的 Mora 觀察到：“你還需要經(jīng)驗性測試。對聽眾來說，‘正確’的聲音還有依賴于他們的文化和聆聽習(xí)慣。例如，總體來說，亞洲市場傾向于偏好強調(diào)頻譜中的高頻部分。歐洲則認(rèn)為平坦的頻響和較高的音量更加自然。”

因此，特性描述究竟是定量還是定性？Audio Precision 主席兼共同創(chuàng)始人 Bruce Hofer 說：“我兩邊都支持。一方面，可以有能聽到但普通特性描述過程無法表示的事情。例如，PC 聲卡。傳統(tǒng)測量可能表明一塊聲卡的性能出眾，但當(dāng) PC 很忙時，軟件會跟不上，造成非常明顯的一次中斷。另一方面，我確實相信，如果能聽到什么東西，我們就應(yīng)能測量它。”

制造測試

如果特性描述是一個復(fù)雜的問題，SoC 領(lǐng)域制造測試就可能是一場惡夢。LSI Logic 工程人員 Marcel Tromp 解釋說：“這里主要的問題是你要試圖保證一個部件的質(zhì)量，而你總共只有 5.5 秒的測試時間。”總時間預(yù)算尚不足以完成特性描述平臺上例行的幾項獨立測試，更不用說對模擬輸出的徹底測試了。一片家庭影院 SoC 可能有十幾個輸出。還有個問題是現(xiàn)實的制造測試環(huán)境，以及客戶測試要求的變動。Wolfson 的 Frith 感嘆道：“有些客戶幾乎忽視了芯片提供出色聲音質(zhì)量的能力，只要輸出正常就行。也有其它人，如日本的系統(tǒng)制造商和汽車行業(yè)，他們什么都測。”Hayes 補充說：“我們有些客戶只在生產(chǎn)線末端放一臺示波器，還有些客戶則用 Audio Precision 箱把進廠的芯片全測一遍。”
完成制造測試正在成為一種挑戰(zhàn)（圖 2）。Frith 稱，測試一個 24 b、192k 采樣音源的模擬信號就要用最好的 Teradyne 混合信號測試儀，涉及能測的所有動態(tài)范圍（更有挑戰(zhàn)性的是所有噪聲裕度）。少量大動態(tài)范圍信號卡意味著工程師將順序地測試模擬輸出，而不是采用并行方式。但即使這樣，這也可能不是最嚴(yán)重的問題。Hofer 說：“在這一等級上，研發(fā)部門傾向于規(guī)定整體測試環(huán)境。但這在今天第三方測試室中變得很困難，因為距離和文化都是障礙。在中國，我看到很多設(shè)備上都找不到用于測試系統(tǒng)實際接地的第三根線。”這對于在最佳情況下也有很高電氣噪聲的環(huán)境無疑非?？膳隆?/p>

于是可測試設(shè)計成為一門藝術(shù)。特性描述工程師必須與測試工程師一起尋找最少測試數(shù)量（實際的測試設(shè)備有在預(yù)定時間內(nèi)完成工作的能力），這樣才存在芯片滿足客戶期望的最大可能性。只有經(jīng)驗，對于音頻的深厚知識，以及好運才能實現(xiàn)這個目標(biāo)。LSI 的 Tromp 說：“確定一組量化測試本身正在成為一個技術(shù)性的工作。你怎么樣把好的和壞的非量化概念帶入工程領(lǐng)域？對視頻也有相同的問題，那時的終極裁判是觀眾。但至少在視頻情況下，如果什么東西看著不對頭，你就可以停在該幀作檢查。”

不過，還是有一些來自專家的提示。Hofer 聲稱：“測試問題主要來自路由選擇和可取性?？扇⌒允顷P(guān)鍵。例如，如果你有一個片上 DAC，你需要能夠接近它的兩側(cè)。否則，你只是測量了端至端的子系統(tǒng)，而不知道里面發(fā)生了什么。”

這個問題使得可取性成為高端音頻的一個關(guān)鍵技巧。工程師需要引出 SoC 的測試點。但這些測試信號路由就如同路由實際模擬輸出一樣關(guān)鍵，否則數(shù)據(jù)也幾乎是無用的。當(dāng)你用110dB動態(tài)范圍作測量時，串?dāng)_、有高噪聲本底的模擬復(fù)用器，以及其它看似不重要的事情都可以摧毀一個模擬節(jié)點的可視性。

有意思的是，數(shù)字自測的概念在這里可能也很重要：即與功能測試相對的結(jié)構(gòu)測試。假定沒有足夠的時間完整測試一個精密音頻輸出的功能，設(shè)計者必須知道可能的失效方式，在設(shè)計芯片時幫助檢查之。TI 公司從事 D 類放大器的 Shipley 說：“我們很幸運，自己的員工在第二階濾波器前一直是用數(shù)字信號”（圖3）。“但即使如此，我們也要根據(jù)對電路的理解，掌握模擬信號返回數(shù)字架構(gòu)時發(fā)生的事情。測試儀測出芯片上的開關(guān)波形，你必須能夠知道它如何影響客戶的聽覺。”

最后，可測性制造過程成為 SoC設(shè)計者和測試系統(tǒng)之間的一個協(xié)同工作。用測試系統(tǒng)完成一些特定測試，并且找到該芯片驅(qū)動一對耳機或Brand X的D類放大器的方法。這不是一個小的挑戰(zhàn)，但聽音室里有高端音頻質(zhì)量的終極裁判，SoC設(shè)計和測試工程師都必須直面這一挑戰(zhàn)。

附文：可以測量嗎？

一個訓(xùn)練有素的聆聽者可以聽出很多種人造聲，它對傳統(tǒng)的音頻特性描述過程是完全透明的，這是音頻工程師的不幸。也許有些例子可以解釋這些微妙之處，設(shè)計者必須在聽音室和特性描述平臺之間做出公斷。

一個例子是 Wolfson 的進展。平臺測試表示一款器件很出色，它有很寬的動態(tài)范圍和低失真。但聆聽者卻說音場不精確。進一步研究表明，問題的原因來自于 FIR（有限脈沖響應(yīng)）濾波的數(shù)字濾波器算法。最常用的算法可在頻率域中完成精準(zhǔn)的工作，工程師在頻域中檢查濾波器的響應(yīng)。然而，時域中對脈沖響應(yīng)的觀測表明，響應(yīng)定位于脈沖的中心（而不是軌上）。換句話說，發(fā)生了預(yù)先振鈴。這種結(jié)果干擾了人類耳朵跟蹤來自揚聲器的聲音之間的空間關(guān)系 ,需要一種新的 FIR 算法。

在另一個例子中，高精密 DAC 的加擾算法在循環(huán)中出現(xiàn)了問題，造成隨機（聽不見的）尖峰，組成可聽得見的重復(fù)序列。傳統(tǒng)特性描述不能揭示這種問題，但對一個長數(shù)據(jù)序列的精心線性測試則能做到。

你甚至還必須尊重那些難以置信的聽音室結(jié)果。這一方面特別敏感，因為很多工程師認(rèn)為，一些聆聽者聲稱聽到的東西要么無法重復(fù)，要么不存在。但是，只因為看似怪異而否定一個聽音結(jié)果也是輕率的做法。

TC Applied Technologies的首席執(zhí)行官Morten Lave提供了下面這個例子：一個聆聽測試比較了使用一臺CD播放機、放大器和揚聲器組合的音頻質(zhì)量，它們分別使用RCA插頭模擬互連方式，和一個通過光纖的S/PDIF（索尼/飛利浦?jǐn)?shù)字接口）接口。聆聽者報告說，模擬連接的聲音質(zhì)量較好。測試報告推論，這一發(fā)現(xiàn)是模擬聲優(yōu)于數(shù)字聲的又一證據(jù)。Lave開始忽略了這個結(jié)果。

但經(jīng)過仔細(xì)查看，他發(fā)現(xiàn)研究者進行了一次盲測，此時聆聽者并不知道他們正在聽的是什么系統(tǒng)，而結(jié)果還是一樣。因此，工程師進一步研究發(fā)現(xiàn)，在 S/PDIF 光鏈接的光換能器上升和下降時間上存在著可測的差異。這種差異造成了與數(shù)據(jù)有關(guān)的抖動，而在 DAC 的另一端就成了可聽的成份。Lave 說：“我信任盲測，但它并不總能說明問題。”