音频IC测试面临新挑战

      HDTV（高清电视）正在通过下一代 SoC（单片系统）平台呈现强劲的势头，这是一个众所周知的趋势。用于机顶盒、电视监视器、硬盘播放机，以及（不久将来的）移动媒体播放机都将具备 HD 能力。但这一变革的另一个方面却未被公众注意到，这就是音频质量。

　　高清晰音频的问题不仅存在于电路设计中。事实上，模拟 IC 设计者一直在提供一些DAC 和放大器，它们的性能显然优于分立元件黄金时代的任何产品。问题是特性描述与测试。正像很多模拟设计师以及音响玩家们所说的那样，即使在特性描述平台上，高端音频的质量也非常难于量化，并且几乎不可能在制造测试环境中作验证。SoC 设计者现在正在与有经验的模拟 IC 设计者一起评估这种新挑战。

　　问题何在？

　　新的测试与测量挑战来自于两种势力的融合。一个是前面提到过的，数字码流提供高质量音频的能力越来越强。更准确地说，质量逐渐提高的声源素材已不是问题。人们总可以将一个好的码流转换为中等的音频信号。另一个是消费者的期望在提高。当数字音频还只是 MP3 码流，或类似有损音源的音频时，编解码器是根本问题所在，而通常不需要关注模拟电路。用户会与便携式磁带播放机和 CD 播放机做对比以评判 MP3 播放器的效果，多数情况下后者音质会更差。

　　美国国家半导体音频产品营销总监 Gary Adrig 认为：“对 MP3 播放机输出质量的要求实际上是高性能耳机的兴起而推动的，而不是音源。随着耳机的进步，我们看到一些过去要求不高的客户现在需要 100dB

　　当内容供应商开始转向更低压缩率（因而有更高的码率）时，芯片设计者就不得不转向更宽的数据路径和更好的 DAC，才能使硬件的噪声本底低于解码音源的固有噪声电平。除了 MP3 的限制以外，市场竞争也表明消费者正在提高对声音质量的鉴别能力。

　　随着声道从过去的 16 b、44.1k 采样/秒的 CD 质量上升到高于 24 b、192k 采样/秒的 DVD Audio，新型 HD 媒体也已经迈出了步伐。这种性能无疑会使高端设备的购买者置疑他们听到的声音质量。德州仪器公司营销经理 Kevin Belnap 说：“我们已经身处家庭影院市场。一旦我们达到了最低的噪声与谐波失真水平时，就会遇到一大堆聆听者偏好问题，如音场和全电子管情况等。”

　　但爱挑剔的耳朵还不止如此。机顶盒和转换盒、高清电视机，甚至便携设备的用户都要求声音要远好于原来的听感。一位专业音频开发人员的经验可以为这种进展的原因作出说明。Morten Lave 是一家录音室监听音箱开发商 TC Applied Technologies 的首席执行官，他谈到自己对 MP3 的体验：“我有一台 iPod，于是我决定把一些音乐放进去。我全用默认方式，结果却很糟糕，打击乐器的声音很可怕。于是我把码率提高到 192 kHz。现在声音质量接近了 iPod 上用廉价耳机的效果，但是，如果我把它接到家中的音响系统上，我仍然能清楚地听到压缩的人为现象。”有了新型的无损数据类型后，电子设备不再受制于 MP3 压缩的限制。它们本身就成为了问题。

　　我全用默认方式，结果却很糟糕，打击乐器的声音很可怕。于是我把码率提高到192kHz。现在声音质量接近了iPod上用廉价耳机的效果，但是，如果我把它接到家中的音响系统上，我仍然能清楚地听到压缩的人为现象。”有了新型的无损数据类型后，电子设备不再受制于MP3压缩的限制。它们本身就成为了问题。

　　这种对音频质量增长的需求本身是可以控制的。机顶盒和电视市场（其中的空间和成本还不是主要因素）上的大多数SoC供应商现在只为外部模拟芯片或芯片组提供一个数字输出。这样就将特性描述与测试问题转嫁给了从事模拟领域的公司，它们更熟悉这些问题。但是两个融合力量中的第二种力量正在堵塞这个SoC设计小组的漏洞。这个力量就是集成化。

　　正如一家SoC供应商所说，市场上对更高集成度存在着普遍的需求，迫使SoC供应商将DAC（以后还有小型功放）置入主核内。这种方案不但又提出了曾广泛讨论的有噪声的低电压数字CMOS环境中的精密模拟设计问题，而且还把特性描述与测试问题扔给了SoC小组。

Bel nap称：“我们已经看到了集成会带来的问题。早期MP3播放器的制造商们试图在自己的芯片中集成一个脉宽调制处理器和DAC，但质量达不到那个程度。现在，随着HD DVD或Blu-Ray逐步整合到家用接收机中，我们正在讨论更富挑战性的集成，以及一个全新水平的声音质量。”

　　高质量音频输出

　　可以用下列方法估计下一代SoC特性描述的问题，即将SoC设计者通常用于描述模拟输出特性的方式与高端音频市场上的新兴技术作比较。这种比较将相当程度上影响SoC设计者的工作。迄今为止，SoC 特性描述一直集中在音频问题的数字一边。对此，标准化组织很愿意介入提供帮助，为激励数字输入和用于比较结果的基准提供源码流。在有损压缩系统情况下，这些基准被包络用于定义一个可接受的输出范围。

　　德州仪器公司（TI）软件基础架构经理 Matthew Watson说：“这开始于10年前为ATSC（先进电视系统委员会）的 Dolby Digital和DVD视频标准。它们为Audio Precision测试设备提供了结果图，因此你可以运行THD、SNR和频谱图，看是否符合标准。”

　　提供这种特性支持最为自信的就是Dolby（杜比），当然这是因为它自己的编解码IP（智识产权），但Watson认为，像THX这种第三方组织也很积极。对于CD这类无损音频格式，不需要提供包络线，特性描述工程师就可以将输出码流与一个基准码流作比较，而标准化组织可以坚持码流精确的输出。Watson说：“数字输出的质量现在高于模拟输出的质量，当我们满足了外部标准时，我们的工作就基本上完成了。客户理解测试步骤的严格性，他们接受这些结果。”

　　但在DAC另一边，情况却有很大不同。多数芯片的架构都避免来自 SoC 的模拟输出，大部分是因为电路设计和硅片面积问题，而不是测试问题。当芯片架构集成了模拟音频时，质量预期通常会降低，特性描述也有点马虎，例如，仅检查在零和满量程数字输入时的模拟输出，以验证偏移和电压摆幅，也许还查看一个输出波形。

　　但情况正在变化。随着音频逐步进入数量稀少的高档玩家空间，特性描述也在变化，不仅更加严格，并且也更加与客户相关。高端音频芯片供应商Wolfson Microelectronics的营销副总裁Julian Hayes认为：“在高端，每个人对于质量的重要性都存在不同观点。这使得特性描述的步骤剧增。”特性描述也变得更加困难。

　　模拟输出

　　有经验的精密模拟电路供应商将特性描述问题分解成一系列相关的问题。我们应测量什么？我们如何进行测量以及在怎样的环境下测量？我们要走多远？而且，对于高端音频，在过程的结尾还隐约会出现另一个问题：多少次测量可以给我们正确的答案？这些问题都不一般，因为特性描述的目标不是确定输出的电气性能，而是预测聆听体验。这是一个极其严峻的挑战。

　　仅如何测量的问题就已经导致了很多争论。对不计较质量的音频，功能性测量就已足够。对于使用廉价耳机的普通听众，频率响应、THD和某种噪声测量就足以确定一个音频部分的声音好坏。这些测试从高保真度的早期岁月流传至今，现在仍然是测试的出发点。而且工程师们相当幸运，这些测试都很好地组合在一个单独的自动化工具箱内。

　　PortalPlayer刚被Nvidia收归门下，它的营销与业务发展总监Philippe Mora说：“现在每个人都有一个Audio Precision盒。”这些年来，Audio Precision已经将信号发生、采集和分析与PC控制组合在一起，成为音频特性描述的一个事实标准。通过硬件与预编码的测量序列原程序结合，Audio Precision不仅能够自动完成传统音频测量，而且还可以实现很多第三方标准化组织要求的步骤。

　　没有人置疑Audio Precision系统提供精确测量的能力，即使是对24 位数据和 192 kHz 采样速率的极端情况。但有些设计者也警告说，Audio Precision 设备只是答案的一部分。美国国家半导体公司音频应用总监Jeff Bridges 说：“AP是我们用于音频输出的主要特性描述工具。但对特殊测试，我们也采用其它测量设备，通常是现成的工具，如网络分析仪或频谱分析仪。”这种方案有种使特性描述平台像一个满足的疯科学家神态的趋势（图1）。但也意味着在特性描述过程中要采用很多手动步骤。

　　Wolfson首席技术官 Peter Frith 暗示说：“我们看到，业界特性描述步骤的范围现在已相当令人吃惊。你看到有些人将输入设为零，然后在输出端接一个伏特计测量噪声，然后用一台示波器察看满量程正弦波以便测量动态范围。其它参数：THD、SNR 和动态范围更传统。但对我们的市场，这只是开始。”特性描述还必须包括与系统相关的问题，其中特别是电源噪声抑制，当模拟输出来自一块有相当数字成份的芯片，并且有很多运行模式时，甚至难于确定电源本身的噪声抑制，但它对声音质量至关重要。 SoC是带有模拟输出的数字器件，这一事实还带来了其它类型的特性描述问题。Wolfson的Hayes 说：“早年对模拟输出的卡嗒声和爆音不存在行业标准。同样，当系统通过数字增益的各个电平时也会产生所谓拉链声，这对音频世界也是种新鲜东西。由于这些噪声的来源都与特定的用户动作有关，因此决不会出现在传统的特性描述中。但如果你用高性能耳机，这些噪声就很令人厌烦，甚至是有害的。所以，我们必须为它开发特性描述测试。”

　　无法识别

　　还有一个严重问题。TI 的 Belnap 承认：“可能有这样的事，即放大器测量正常，但声音很糟。”这点与很多工程师的想法并不相同，他们想的是高端音响玩家们的妄想型行为，如为黑胶唱片去磁，以及寻求手工编织的镀金音箱电缆。我们得承认人类的耳朵十分灵敏，没有一种测试方式能够预测有经验听众聆听某个 DAC、放大器和扬声器组合时会有怎样的感受。
这种现实情况也冲击到高端音频 IC供应商。美国国家半导体公司的 Bridges称：“在我们市场上高性能一端，过去一般是提供样品和规格单，告知客户数据。但最近，越来越多的客户开始不要规格单，而是要求我们给出一个可用的参考设计。他们直接拿到自己的音响室，开始聆听。在今天的高端市场，质量是芯片好坏的决定因素。”

　　这种情况也带来了一些明显的问题。首先，设计者用于特性描述的设备经常不足以代表一个真实的聆听环境。Bridges 注意到：“几乎所有人都在阻性负载上做自己的数据表。”但是，只有非常稳定的放大器，其阻性负载的性能才接近于一个动态、反应性的负载（如音箱）。事实上，TC Applied Technologies 的 Lave 就建议，至少对 D 类和全数字放大器，控制扬声器纸盆的问题（或纸盆表面的声压级）是与扬声器充分相关的，有源扬声器（带有内置放大器）将在业内占据主导地位。简直很难制作一种能够控制所有动态状况的放大器，而任何可想象的扬声器网络都能在输出级呈现这类动态状况。

　　问题还不止如此。如果你知道要寻找的是什么目标的话，与有经验听众的互动经常会发现无法完美测量听音问题（见附文“可以测量吗？”）。对于那些持声音完全无理性观点的听众，他们不仅认为盲测的可再现性，而且认为测量中实际揭示内容的可回溯性。这些经验都更增加了特性描述过程的复杂性。

　　结果，特性描述过程趋向于提供一种听者开始将其与某个制造商关联的“声音”。在有些情况下，供应商努力使声音发干，或更中性。TI 的高级应用工程师 Fred Shipley 说：“我们寻求干声，尽可能地与价格点一致。这样，我们的客户就可以使用自己的数字信号处理和板级模拟设计，创造出有他们自己特性的声音，而不必用我们的。”Shipley 补充说，为这种 TI 干声作芯片特性描述的过程中，相当一部分时间花在听音室中，即由公司的金耳朵们评判 TI 参考设计中的芯片。

　　当 SoC 是板级设计时，最后声音的责任就落在了芯片设计者身上。并且声音可能更多地考虑市场因素，而不是规格因素。PortalPlayer 的 Mora 观察到：“你还需要经验性测试。对听众来说，‘正确’的声音还有依赖于他们的文化和聆听习惯。例如，总体来说，亚洲市场倾向于偏好强调频谱中的高频部分。欧洲则认为平坦的频响和较高的音量更加自然。”

　　因此，特性描述究竟是定量还是定性？Audio Precision 主席兼共同创始人 Bruce Hofer 说：“我两边都支持。一方面，可以有能听到但普通特性描述过程无法表示的事情。例如，PC 声卡。传统测量可能表明一块声卡的性能出众，但当 PC 很忙时，软件会跟不上，造成非常明显的一次中断。另一方面，我确实相信，如果能听到什么东西，我们就应能测量它。”

　　制造测试

　　如果特性描述是一个复杂的问题，SoC 领域制造测试就可能是一场恶梦。LSI Logic 工程人员 Marcel Tromp 解释说：“这里主要的问题是你要试图保证一个部件的质量，而你总共只有 5.5 秒的测试时间。”总时间预算尚不足以完成特性描述平台上例行的几项独立测试，更不用说对模拟输出的彻底测试了。一片家庭影院 SoC 可能有十几个输出。还有个问题是现实的制造测试环境，以及客户测试要求的变动。Wolfson 的 Frith 感叹道：“有些客户几乎忽视了芯片提供出色声音质量的能力，只要输出正常就行。也有其它人，如日本的系统制造商和汽车行业，他们什么都测。”Hayes 补充说：“我们有些客户只在生产线末端放一台示波器，还有些客户则用 Audio Precision 箱把进厂的芯片全测一遍。” 

完成制造测试正在成为一种挑战（图 2）。Frith 称，测试一个 24 b、192k 采样音源的模拟信号就要用最好的 Teradyne 混合信号测试仪，涉及能测的所有动态范围（更有挑战性的是所有噪声裕度）。少量大动态范围信号卡意味着工程师将顺序地测试模拟输出，而不是采用并行方式。但即使这样，这也可能不是最严重的问题。Hofer 说：“在这一等级上，研发部门倾向于规定整体测试环境。但这在今天第三方测试室中变得很困难，因为距离和文化都是障碍。在中国，我看到很多设备上都找不到用于测试系统实际接地的第三根线。”这对于在最佳情况下也有很高电气噪声的环境无疑非常可怕。

　　于是可测试设计成为一门艺术。特性描述工程师必须与测试工程师一起寻找最少测试数量（实际的测试设备有在预定时间内完成工作的能力），这样才存在芯片满足客户期望的最大可能性。只有经验，对于音频的深厚知识，以及好运才能实现这个目标。LSI 的 Tromp 说：“确定一组量化测试本身正在成为一个技术性的工作。你怎么样把好的和坏的非量化概念带入工程领域？对视频也有相同的问题，那时的终极裁判是观众。但至少在视频情况下，如果什么东西看着不对头，你就可以停在该帧作检查。”

　　不过，还是有一些来自专家的提示。Hofer 声称：“测试问题主要来自路由选择和可取性。可取性是关键。例如，如果你有一个片上 DAC，你需要能够接近它的两侧。否则，你只是测量了端至端的子系统，而不知道里面发生了什么。”

　　这个问题使得可取性成为高端音频的一个关键技巧。工程师需要引出 SoC 的测试点。但这些测试信号路由就如同路由实际模拟输出一样关键，否则数据也几乎是无用的。当你用110dB动态范围作测量时，串扰、有高噪声本底的模拟复用器，以及其它看似不重要的事情都可以摧毁一个模拟节点的可视性。

　　有意思的是，数字自测的概念在这里可能也很重要：即与功能测试相对的结构测试。假定没有足够的时间完整测试一个精密音频输出的功能，设计者必须知道可能的失效方式，在设计芯片时帮助检查之。TI 公司从事 D 类放大器的 Shipley 说：“我们很幸运，自己的员工在第二阶滤波器前一直是用数字信号”（图3）。“但即使如此，我们也要根据对电路的理解，掌握模拟信号返回数字架构时发生的事情。测试仪测出芯片上的开关波形，你必须能够知道它如何影响客户的听觉。”

　　最后，可测性制造过程成为 SoC设计者和测试系统之间的一个协同工作。用测试系统完成一些特定测试，并且找到该芯片驱动一对耳机或Brand X的D类放大器的方法。这不是一个小的挑战，但听音室里有高端音频质量的终极裁判，SoC设计和测试工程师都必须直面这一挑战。

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　　附文：可以测量吗？

　　一个训练有素的聆听者可以听出很多种人造声，它对传统的音频特性描述过程是完全透明的，这是音频工程师的不幸。也许有些例子可以解释这些微妙之处，设计者必须在听音室和特性描述平台之间做出公断。

　　一个例子是 Wolfson 的进展。平台测试表示一款器件很出色，它有很宽的动态范围和低失真。但聆听者却说音场不精确。进一步研究表明，问题的原因来自于 FIR（有限脉冲响应）滤波的数字滤波器算法。最常用的算法可在频率域中完成精准的工作，工程师在频域中检查滤波器的响应。然而，时域中对脉冲响应的观测表明，响应定位于脉冲的中心（而不是轨上）。换句话说，发生了预先振铃。这种结果干扰了人类耳朵跟踪来自扬声器的声音之间的空间关系 ,需要一种新的 FIR 算法。

　　在另一个例子中，高精密 DAC 的加扰算法在循环中出现了问题，造成随机（听不见的）尖峰，组成可听得见的重复序列。传统特性描述不能揭示这种问题，但对一个长数据序列的精心线性测试则能做到。

　　你甚至还必须尊重那些难以置信的听音室结果。这一方面特别敏感，因为很多工程师认为，一些聆听者声称听到的东西要么无法重复，要么不存在。但是，只因为看似怪异而否定一个听音结果也是轻率的做法。

　　TC Applied Technologies的首席执行官Morten Lave提供了下面这个例子：一个聆听测试比较了使用一台CD播放机、放大器和扬声器组合的音频质量，它们分别使用RCA插头模拟互连方式，和一个通过光纤的S/PDIF（索尼/飞利浦数字接口）接口。聆听者报告说，模拟连接的声音质量较好。测试报告推论，这一发现是模拟声优于数字声的又一证据。Lave开始忽略了这个结果。

　　但经过仔细查看，他发现研究者进行了一次盲测，此时聆听者并不知道他们正在听的是什么系统，而结果还是一样。因此，工程师进一步研究发现，在 S/PDIF 光链接的光换能器上升和下降时间上存在着可测的差异。这种差异造成了与数据有关的抖动，而在 DAC 的另一端就成了可听的成份。Lave 说：“我信任盲测，但它并不总能说明问题。”