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音频信号发生器阅读:185

音响音响 的供应商技术指标的测量,在音响行业内官方交流当中,是尤为重要的,就自娱自乐而言,技术指标的性能测量,远比耳朵的分辨率要高,对于电路的调整与设计,有着重要的积极指导意义。

简介

  而音频信号发生器在音响技术指标方面显得非常重要。音频信号发生器实际就是一个三极管振荡电路,有两种原理,一种是LC振荡器,一种是RC振荡器。在负载电阻上面输出矩形脉冲信号,可以推动一个喇叭发音。

原理

  音频信号发生器实际就是一个三极管振荡电路,有两种原理,一种是LC振荡器,一种是RC振荡器。下面以RC振荡器为例介绍一下。
  电路原理:BG1是NPN型小功率高频管,BG2是PNP小功率低频管。当电源开关K刚刚接通时,2个三极管尚未导通,电源通过R1,R2,RL对电容C充电,C两端电压按照指数规律上升,当这个电压上升到管子导通的门限电压时,BG1BG2开始导通。然后出现了正反馈过程:UC上升使IB1,使IC1上升,使UC1下降,使UB2下降,使UC2上升,使UB1上升,又使UC1下降。这个过程立即使BG1BG2饱和。然后电容器C经由R2通过BG1发射结和BG2集电极发射极放电。随着放电的进行,又发生了下面的正反馈过程:UC下降使IB1下降,使UC1上升,使UB2上升,使UC2下降,使UC1上升,使UB1下降。从而使BG1BG2迅速恢复到原来的截止状态。如此周而复始,就在负载电阻上面得到了矩形脉冲信号,可以推动一个喇叭发音。调整R1的电阻值可以改变振荡器的频率。

作用

  除了极个别的技术参数,如噪声电压之外,其它所有的音响技术指标都离不开音频信号发生器的使用。如输出功率,总谐波失真(THD),互调失真(IMD),瞬态互调失真(TIM),瞬态响应,输入灵敏度(民间也叫增益),通道增益差,通道分离度,频响,信噪比,动态范围......都需要信号发生器的配合。

选购

  音响技术指标的测量,在音响行业内官方交流当中,是尤为重要的,就自娱自乐而言,技术指标的性能测量,远比耳朵的分辨率要高,对于电路的调整与设计,有着重要的积极指导意义。
  附注:以耳朵收货为主者,可作参考之用,也可选择略过,因为主观派与技术派的意见分歧远非这个贴子可以解决。喷了几十年的口水,目前并未见有啥结果。
  进入主题,如果有研究电路设计的爱好,必不可少手头上备一些相关的测量仪器,用来测量相关电路的关键点数据与相关的音响技术指标。本文将与大家共同探讨用来测量音响技术指标之一的音频信号发生器的选购。
  一、为什么要用音频信号发生器?其它的信号发生器不行么?
  答案是,一定要用音频信号发生器,越专业的越好,其它的信号发生器肯定不如音频信号发生器。如果你只是用来担负维修的工作,或者只是有时兴趣来了,没事测波形玩,好比没事撕报纸玩,打打麻将啥的,当然用一些如函数信号发生器也可;如果打算在音响电路设计方面进行深层次的研究,或者总把事情往好的方面想,建议扔到一边(不准高空抛物),免得把思路引入歧途。至于原因请继续往下看。
  二、音频信号发生器的作用
  目前在市场上也流传了不少的音频信号发生器的软件,可以装在电脑上运行的。本人也曾尝试使用过,个人意见,如果手头上宽裕,还是配置一台信号发生器为宜,价钱也不贵。软件信号发生器本属于非专业用途的,发送的信号质量与声卡有着很大的关联,而且业余条件下也不可能会有其它的仪器设备与之进地比对,校准。也就比较难保证发送的信号是否能满足要求。
  三、对信号发生器的要求
  如果是手头上的钱多得过分,多到令人发指的程度,直接抱台高档的音频信号发生器回去,一招搞定,无后顾之忧,此节略过。如果想以有效的资金开展无限的音响事业,请完整地看完此段内容:
  1、信号输出幅度要求信号发生器最低只需超过2V(RMS)电压,在测量音频功放2V高输入过载能力时要用到,一般的音频信号发生器的峰值(P-P)值可以去到7V左右,此项就不详述了。
  2、信号波形要求一般对于电子爱好者,这项最容易迷糊,有三角波,方波,正弦波,阶次波是不是越多越好?答案是非也,在音频功放测量上,真正用到的只有方波与正弦波。所以,目前音频专用的信号发生器也只能输出这两种波形,都可以满足使用。所以,此项也不再详述。
  3、信号输出失真度这项参数是关键,需要长篇大论。
  1)、测量功率输出对于失真度的要求此项参数将直接与音质效果相对应,也是大家最关心,最有兴趣的部分,就算是测量输出功率的大小,也与失真有关系。通常看到有些个别功放厂家说明书上就直接标注50W或是多少,这是种很不负责及很不专业的做法(有时有种想问候他全家女性的冲动)。当然,大多数厂家还是好的,尤其是大品牌的音响厂家,正确标注如TDH=1%10W,以供消费者参考。为什么之前骂脏口了?有些气不过。打过比方说,都标注10W的功率,但THD=0、1%与THD=10%的条件是不一样的,如果标注为THD=0、1%能够输出10W,那么THD=10%时,对于同一台石机来讲,起码可以去到15W以上,甚至于20W。人家老实标注为THD=0、1%10W的厂家不是吃了哑巴亏了么?言归正传,那么对于功率这项参数的测试,信号发生器的失真起码得小于0、1%才可能发挥作用。可见,不标注失真率(THD)值的功率是没有意义的。
  2)、测量失真度对于某台音频功放的最小失真度,根据国际电工联盟IEC科学论证后(一般牛人论证带有权威性,何况是全世界一大堆顶尖级牛人的论证,可以不必担心其科学与合理性),规定在1W的输出功率条件下进行,此时用失真仪测得的失真读数就是音频功放的失真度。需要指出的是,胆机对于信号发生器的要求会低于石机,胆机通常的失真率在0、1-3%左右,所以失真率只要低于0、1%的信号发生器即可满足测量要求。而石机的失真率通常都比较低,至少会去到0、1%以下,如LM3886在30W时,失真也仅0、03%,LM3886在1W输出时的失真率更小。如果玩石机,想测测LM3886之类的功放,信号发生器的失真率起码要求在0、02%以下。测试高保真功放,对于信号发生器的要求会更高。
  附注:一般函数信号发生器的失真标注值通常都是1%,甚至于2%,请谨慎选购!
  4、谐波测量此项测试对于信号发生器的要求更高,需要频谱仪配合使用,就不详述了。
  5、信号平坦度与稳定度一般测试用途,可以不用关注,平坦度的误差基本上都在0、2dB左右,就算再大点,也可以满足频响-1dB的要求;稳定度么,起码也可以做到+(3%+1Hz),所以此项也不必要特别关注。在所有的测试当中,不会因这这两项参数延误到测量工作。
  四、市场上多数型号的信号发生器选购
  综上所述,相信大家也知道,信号发生器性能优劣主要是体现在失真这项指标上,而失真越低的信号发生器,价钱越贵,可以说是直线上升,而且大部分被誉为神器级别超低失真型号,其二手信号发生器是有价无市,基本上绝种了。目前市场上全新品,失真小于0、1%,大约要100多人民币,相对来说,二手的价钱比较有性价比,如健伍,利达,黑目,松下等等,其制造工艺,仪器实际仪能,都比国内小品牌的信号发生器,要好用得多,总体说来,比较超值。

音频信号数字化

  综述
  普通的CD采用了数字技术,不过它只是简单地把模拟信号加以数字化。为了把模拟信号数字化,首先要对模拟信号进行采样。根据Nyquest采样定律,通常其采样频率至少是信号中的最高频率分量的两倍。对于高质量的音频信号,其频率范围是从20Hz-20kHz。所以其采样频率必须在40kHz以上。在CD中采用了44.1kHz的采样频率。在对模拟信号采样以后,还必须对其幅度上加以分层。在CD中,其分层以后的幅度信号用16比特的二进制信号来表示,也就是把模拟的音频信号在幅度上分为65,536层。这样,它的动态范围就可以达到96分贝=20Log65536(6分贝/比特)。这种直接模数(A/D)变换的方法也称为PCM编码。直接数字化的最大缺点是比特率非常高。达到44.1x16=705.6kbps,或即88.2kBbps。比特率高就意味着要求的存储容量很大。要记录1分钟的音乐,就需要5.292MB的存储容量。对于两路立体声,就需要10.584MB。而要记录几十分钟的音乐就需要几百兆的存储容量。
  PCM编码原理
  把模拟信号转换成数字信号的过程称为模/数转换,它主要包括:
  采样:在时间轴上对信号数字化;
  量化:在幅度轴上对信号数字化;
  编码:按一定格式记录采样和量化后的数字数据。
  脉冲编码调制PCM(PulseCodeModulation)是一种模数转换的最基本编码方法,CD-DA就是采用的这种编码方式。
  采样频率
  采样频率是指一秒钟内采样的次数。奈奎斯特(HarryNyquist)
  采样理论
  如果对某一模拟信号进行采样,则采样后可还原的最高信号频率只有采样频率的一半,或者说只要采样频率高于输入信号最高频率的两倍,就能从采样信号系列重构原始信号。
  根据该采样理论,CD激光唱盘采样频率为44KHz,可记录的最高音频为22KHz,这样的音质与原始声音相差无几,也就是我们常说的超级高保真音质(SuperHighFidelity-HiFi)。
  采样的三个标准频率
  采样的三个标准频率分别为:44.1KHz,22.05KHz和11.025KHz。
  量化位数
  量化位是对模拟音频信号的幅度轴进行数字化,它决定了模拟信号数字化以后的动态范围。由于计算机按字节运算,一般的量化位数为8位和16位。量化位越高,信号的动态范围越大,数字化后的音频信号就越可能接近原始信号,但所需要的存贮空间也越大。
  量化位等份动态范围(dB)应用 825648-50数字电话 166553696-100CD-DA 声道数 有单声道和双声道之分。双声道又称为立体声,在硬件中要占两条线路,音质、音色好,但立体声数字化后所占空间比单声道多一倍。
  编码算法
  编码的作用一是采用一定的格式来记录数字数据,二是采用一定的算法来压缩数字数据。
  压缩比
  压缩编码的基本指标之一就是压缩比:压缩比通常小于1。压缩算法包括有损压缩和无损压缩;有损压缩指解压后数据不能完全复原,要丢失一部分信息。压缩比越小,丢掉的信息越多、信号还原后失真越大。根据不同的应用,可以选用不同的压缩编码算法,如PCM,ADPC,MP3,RA等等。
  数据率及数据文件格式
  数据率为每秒bit数,它与信息在计算机中的实时传输有直接关系,而其总数据量又与计算机的存储空间有直接关系。因此,数据率是计算机处理时要掌握的基本技术参数,未经压缩的数字音频数据率可按下式计算:
  数据率=采样频率(Hz)×量化位数(bit)×声道数(bit/s)
  用数字音频产生的数据一般以WAVE的文件格式存贮,以“.WAV”作为文件扩展名。WAV文件由三部分组成:文件头,标明是WAVE文件、文件结构和数据的总字节;数字化参数如采样率、声道数、编码算法等等;最后是实际波形数据。WAVE格式是一种Windows下通用的数字音频标准,用Windows自带的媒体播放器可以播放WAV文件。MP3的应用虽然很看好,但目前还需专门的播放软件,其中较成熟的为RealPlayer。
  为了存储数字化了的音乐,就只能尽量开发高容量的存储系统。在70年代末,终于开发出了利用激光读写的光盘存储系统。因为这种光盘比起密纹唱片,无论在体积和重量上都要小得多,轻得多,所以称它为CD(CompactDisk)。意思为轻便的碟片。而一张CD的容量大约为650MB,也就只能存储61.4分钟音乐。
  纯粹音乐CD通常也称为CD-DA。DA就是数字音频(DigitalAudio)的缩写。它的技术指标是由一本所谓的“红皮书”所定义。这本红皮书是菲立普公司和索尼公司在1980年公布的。以后,在1987年,又由国际电工委员会(IEC)制定为IEC908标准。根据这些标准可以比较精确地计算一张CD所能存储的音乐时间。实际上在CD碟片中是以扇区为单位的,每个扇区中所包含的字节数为2352个字节。总共有345k个扇区。因此总的字节数为345kx2352=811440kB。可以存放76.92分钟的立体声音乐。还有一种方法来计算播放的时间,CD在播放时,其播放的速度为每秒钟75个扇区。一张CD有345k个扇区,因而可以播放的时间为345k/75=4600秒=76分40秒。两种方法计算的结果是一样的。
  数字音频信号的压缩
  因为音频信号数字化以后需要很大的存储容量来存放,所以很早就有人开始研究音频信号的压缩问题。音频信号的压缩不同于计算机中二进制信号的压缩,在计算机中,二进制信号的压缩必须是无损的,也就是说,信号经过压缩和解压缩以后,必须和原来的信号完全一样,不能有一个比特的错误。这种压缩称为无损压缩。但是音频信号的压缩就不一样,它的压缩可以是有损的只要压缩以后的声音和原来的声音听上去和原来的声音一样就可以了。因为人的耳朵对某些失真并不灵敏,所以,压缩时的潜力就比较大,也就是压缩的比例可以很大。音频信号在采用各种标准的无损压缩时,其压缩比顶多可以达到1.4倍。但在采用有损压缩时其压缩比就可以很高。下面是几种标准的压缩方法的性能。按质量由高往低排列。
  需要注意的是,其中的Mbyte不是正好1兆比特,而是1024x1024=1048576Byte。必须指出,这些压缩都是以牺牲音质作为代价的,尤其是最后两种方法,完全靠降低采样率和降低分辨率来取得的。这对音质的损失太大,所以这些方法并不可取。

AGC算法

  使放大电路的增益随信号强度的变化而自动调整的控制方法,就是AGC-自动增益控制。实现AGC可以是硬件电路,即AGC闭环电子电路,也可以是软件算法。本文主要讨论用软件算法来实现音频信号的AGC。
  音频AGC是音频自动增益控制算法,更为准确的说是峰值自动增益控制算法,是一种根据输入音频信号水平自动动态地调整增益的机制。当音量(无论是捕捉到的音量还是再现的音量)超过某一门限值,信号就会被限幅。限幅指的是音频设备的输出不再随着输入而变化,输出实质上变成了最大音量位置上的一条水平线;当检测到音频增益达到了某一门限时,它会自动减小增益来避免限幅的发生。另一方面,如果捕捉到的音量太低时,系统将自动提高增益。当然,增益的调整不会使音量超过用户在调节向导中设置的值。
  AGC算法的实现过程:首先从串口获取音频数据,它是16位的整型数,一般来说,这些数都是比较小的,通过AGC算法将输入的音频数据投影在一个固定区间内,从而使得不论输入的数据点数值大小都会等比例地向这个空间映射。一方面将获得的音频数据最大值与原来的峰值进行比较,如果有新的峰值出现就计算新的增益系数;另一方面在一定的时间周期内获取一个新的峰值,这个峰值就具有检测性能,又与原峰值比较,然后就计算新的增益系数。这个增益系数是相对稳定的。当音量加大时,信号峰值会自动增加,从而增益系数自动下降;当音量减小时,新的峰值会减小并且取代原来的峰值,从而使峰值下降,使增益系数上升。最后输出的数据乘以新增益系数后映射到音频信号输入的投影区间内。AGC_Coff是初始增益系数,初始值为1;maxAGC_in是增益峰值,初始值为0;time是采样点计数,门限值为4096;AGC_in是新的音频数据,MAXArrIn是新的音频增益峰值;映射区间【-20000,20000】。
  整个系统的软件部分为5人模块。系统主函数main()、CMD文件、中断向量表、DSP5402头文件和专为C语言开发的库函数rtdx.lib。其中主函数部分是核心,主要包括:DSP器件初始化、MCBSP1初始化、MCBSP0初始化、AIC23初始化(内部12个可编程寄存器设置)及算法程序等。
  在CCS2.0集成开发环境下,采用*.c语言和*.asm语言相结合的方式编写程序。将编写的程序*.c、*.asm和链接程序*.cmd文件编译链接后生成执行目标文件*.out,通过仿真器将执行目标文件*.out下载到系统板上,经过调试、编译并运行,以音乐作为音频信号源输入到系统板上。

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