数模转换器（DAC）数字音频信号转回模拟电信号技术 - 全文

在2015年时，对于音频储存、音频传输以及音频流的应用技术尚未有太大的争议，这些均为数字音频。除了在精品或发烧友店出售少见的盘式磁带，其余均为数字音频。使用得当的话，数字音频十分灵活耐用且音频品质高。PCM（脉冲编码调制）录音、无损环绕格式，以至有损压缩都可以为我们的日常唱片播放原声音乐。当然，在空气中传播的声音并非数字化的。人的声音或乐器产生的压力波通过某种传感器后被记录下来。这些传感器将压力波模拟量以相对应的电压做出响应。同样地，在数字感应链末端，数字音频信号最终将震动空气，使原声波模拟量的电压驱动传感器产生压力波。

在靠近数字链始端处，须使用模数转换器（ADC）将模拟电信号转为相应的数字音频信号。在靠近数字链末端处，须使用数模转换器（DAC）将数字音频信号转回模拟电信号。模数转换器和数模转换器及其内部数字链的链接品质是决定呈现给听众的整体音质的关键所在。

音频转换器测试

音频测试的传统方法也可用于模数和数模转换器的评估测量方法包括：频率响应、信噪比、通道间相位、串音、失真、群延迟、极性等。但在连续取样域间的转换带来一系列（尤其针对低电平信号的）新非线性机制。本文针对的是在模数/数模音频转换中出现的问题以及就这些问题制定的一些解决办法。

当然，模数与数模转换器还被广泛应用于非音频用途中，比音频转换器的取样率更高。性能卓越的示波器带宽可达到33GHz，取样率高达100 GS/s，其售价和兰博基尼差不多。虽然音频转换器的取样率并未接近此值，但是要求它们覆盖更大的动态范围，其高性能24位模数转换器的信噪比超过120 dB。即使是高端的示波器通常也只使用8 位数字转换器。24位转换器将噪音及其他小信号性能特征的测量推进到最前沿。因此，这种转换器的测量需要杰出的模拟性能分析仪。

测试装置

常用的试验装置简单易懂。

模数转换器测试要求分析仪必须能在适用于转换器输入的驱动级提供纯粹刺激信号。对于转换器集成电路，要求分析仪必须具有与集成电路输出相匹配的数字输入格式及协议，如I2S、DSP或自定义格式。商用转换器设备的数字格式通常为AES3-S/PDIF——兼容主流设备。对于可以与外部时钟同步的设备，要求分析仪提供时钟同步输出。

图 1. 模数转换器测试模块框图

对于数模转换器测试，要求分析仪必须具有合适格式的数字输出以及极高性能的模拟输入。

图 2. 数模转换器测试模块框图

本文图表采用AES3数字传输格式来测试商用转换器音频分析仪型号为Audio Precision APx555

如上所述，模数与数模转换器所示为转化器的特殊功能。音频工程协会已经推荐了根据ASE17标准测量多种转换器性能表现的方法。以下例子证明并比较了大量有特色的转换器问题。

空闲音

普通的音频转化器构架（如delta-sigma设备）易产生低电平信号，从而形成空闲音。这些“空闲音”可通过使用低电平信号以及直流偏置以调整频率，这就意味着，如果有信号产生，空闲音将很难辨别。空闲通道测试输出的快速傅立叶变换可以用于辨别空闲音。

图 3. 快速傅立叶变换空闲通道噪音，数模转换器“A”

图 4. 快速傅立叶变换空闲通道噪音，数模转换器“B”

图3中的数模转换器所示为大量的空闲音，其中一些空闲音的噪音级别高达-130 dB。图4中的空闲音和本底噪音低很多。

信噪比（动态范围）

模拟音频设备的信噪比测量涉及设备的最大输出值以及带宽限制均方根噪音电平，并记录二者分贝值差异。

音频转换器的最大电平值通常定义为正弦波波峰刚刚碰到最大和最小采样值时的电平。这就称为“满刻度” （1FS），用对数表示为0 dBFS。因为有空闲音的存在以及在一些转换器中当信号输入为零的静音状态，使得低电平信号空闲音均方根本底噪音的测量稍微有些棘手，AES17标准建议使用-60 dB信号来避免静音状态，使得转换器可以线性运行。正弦信号的失真积很低，低于本底噪音，在噪音测量过程中信号本身应刻有刻度。IEC61606标准推荐了一种类似的测量方法，但将这种测量值叫做动态范围。

下图是使用动态范围法测量两台24位数模转换器在96 KS/s工作时的信噪比测量值的比较。如图所示，一些转换器的设计比其他转化器更有效。

图 5. 数模转换器“B” 的信噪比

图 6. 数模转换器“C” 的信噪比

抖动

模数转换器的时钟抖动可发生在转换器内部，同步抖动也可由外部时钟同步输入产生。如数模转换器以内置时钟（如：AES3 和S/PDIF）接收信号，则接收信号接口抖动必须减弱。

正弦抖动主要通过生成调制边带、使其频率高于和低于原声音信号来影响音频信号。更为复杂的抖动和宽频抖动都会使转换器的本底噪音增加。证明了抖动敏感性的常用测量方法是使用一个高频正弦刺激并检验抖动边带的转换器输出的快速傅立叶变换，其频谱以空闲音为对称中心。数模转换器C显示出强烈的边带振幅，但数模转换器B无边带振幅。注意：20 kHz和30 kHz的强空闲音是谐波失真的积，而非抖动边带。

图 7. 数模转换器“B” 10KHZ的抖动边带

图 8. 数模转换器“C” 10KHZ的抖动边带

抖动容差模板

AES3所示为一次抖动容差测试，检验了在其输入端的接收器达到端口抖动容差限定水平的能力。输入中使用的是数字音频信号。该信号用正弦抖动方式抖动，扫描频率为100 Hz到100 kHz。由于抖动被扫描，其电平也随AES3抖动容差模板变化。抖动频率设置为200 Hz的高电平，随后减少8 kHz降至稍低电平，保持该频直到扫描结束。

接口数据接收器应当正确解码如图9抖动容差模板所确定的任何正弦抖动信号的输入数据流。该模板要求在高频时峰峰抖动容差为0.25UI（单位间隔），从频率低于8kHz时开始反转，到低于200Hz时升高至峰峰容差10UI并持平。

图 9. 数模转换器“B”抖动容差期间THD+N扫描

在这种情况下，将低频抖动的抖动时间间隔设置为9.775 UI，在高频抖动下降低至0.25 UI。蓝色轨迹线为THD+N比（3 kHz音频音的失真积），在抖动扫描期间保持不变，说明被测设备良好的抖动容差。随抖动电平增加，较差的容差会导致接收器无法正确解码信号，接着无法解码信号，偶尔还会出现静音，有时完全失锁。

滤波器影响

图 10. 模数转换器“C”抗混叠滤波器的带外抑制

图 11. 数模转换器“B”抗镜像滤波器的带外抑制

图10所示为模数转换器“C”里的抗混叠滤波器的响应。模数转换器的输入音频在带外范围内扫描（此情况下为从40 kHz到200 kHz），反射在通带的信号电平根据刺激频率绘制成图。第二条轨迹所示为作为基准的转换器本底噪音。

图11所示为数模转换器展现的平坦随机噪音。模拟输出是用许多平均值绘制而成的，显示的是数模转换器抗镜像滤波器的响应。在该情况下，绘制显示1kHz的第二条轨迹和数模转换器本底噪音，并标刻度，使正弦波峰对应于噪音波峰。

极性

音频电路（包括转换器）通常使用不同的（平衡式）构造。这增加了极性错误的可能。

图 12. 使用脉冲响应检查极性。

如图12所示，脉冲响应刺激为观察极性正接、反接提供有效帮助。

总结

对模数转换器的高电平、非线性行为的测试，与使用谐波失真和互调失真的标准化测试法，对模拟电子设备的非线性的测试情况相似。对于非线性，特别是低电平信号的非线性来说，音频转换器带来新的机制。AES17标准和Audio Precision公司的124技术简报中描述了音频转换器测试的有效方法。