高傳真測試規範

首次的強勢聲音標準

Microsoft 於2007年6月1日開始強制要求系統廠商如果想要拿到Vista 的Logo,就必須通過Windows Logo Program(WLP3.0X)中針對聲音品質的規範SYSFUND-0118(Premium),SYSFUND-0127(Basic)。
因此業界首次有了針對電子/電腦產品訂下聲音品質的標準規範,也因為Microsoft在產業的領導地位使其能成為廠商願意配合和改進產品品質的聲音規範。


()Microsoft規範的八項標準內容

Audio Precision

Microsoft 在Policy中指定使用Audio Precision的SYS-2722 Audio Analyzer做為Program的測試儀器,連Test Kits 也針對SYS-2722開發撰寫,使得這家公司一下子有名了起來。

這家位於美國奧勒岡州的專業聲音測試儀器公司是在1984年時一群原本任職於泰克的工程師所創立,其開發的儀器也是首先使用電腦圖型界面來取代傳統老式錶頭型式的儀器,其產品不只多年來廣受各家消費性電子廠商指定使用,同時也是美國杜比實驗室的長期合作廠商,目前杜比所推出的各項認證測試也大多指定其儀器做為訊號測量的專用設備,其在專業聲音訊號測量的領域的地位可以說是全世界公認的首席公司。

SYS-2722是一台二聲道的多功能的聲音測量儀器,本身除了聲音的分析之外還支援最高達192KHz的聲音產生器以及俱備了大部份數位類比的輸出和輸入界面。儀器本身無任何控制功能,必需連接至電腦透過專有的軟體來做控制,目前大部份的消費性娛樂產品廠商都會利用此來測試產品聲音輸出的失真度,信噪比,分離度…..等大家所熟悉的基本測試。



() SYS-2722連結方式 AP2700控制界面

WLP規定了八項聲音輸出品質的測試以及聲音輸入、麥克風輸入和耳機輸出的測試。而目前Microsoft 提供的自動測試使用之Test Kits (DTM),提供了其中五項測試支援聲音輸出的測試。

倘若開發人員想要了解自己的產品是否能符合Windows Logo Program裡所訂定的所有的規範,除了利用Test Kits控制儀器來自動完成某些項目外,還需利用AP SYS-2722儀器來手動測量其他目前Test Kits未支援的項目。


() DTM目前支援的測試項目

什麼是Audio Performance?

本文章的目的,就是帶著大家一項一項的去了解每一個測試,雖然無法見文就上手,最起碼能夠有一個基本的認識。所謂的Fidelity Test 或是Audio Performance 在PC上而言,簡而言之就是測試他的D/A,A/D 轉換的品質,牽渋到板子上電容引起的失真和其他任何引起雜訊的原因。整體來說通過了任何可能性的不良影響後,被轉換的聲音訊號輸出的品質,便稱乎這個輸出的品質為該產品的Audio Performance,也就是Microsoft 所稱的Fidelity。

認識測試項目o
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Full Scale
Full Scale 又叫最大輸出電壓,整個圖表會呈現一個連續的曲線,在聲音訊號的領域裡我們通常會定義0dB 為最大音量的定義,而通常0dB也等於1V電壓,因此在規範當中則定義了產品最大的輸出要超過0dB / 1V。雖然是說最大輸出電壓,但嚴格說起來應該是最大不失真的輸出電壓,因為根據經驗,許多的產品到了最大輸出時,他的波型上緣和下緣會有被砍掉的情形,也就是所謂的截波,產生了非線性失真的情形。這時他的最大輸出是不被認可的,反而要調低音量到無截波情形時才能決定他的最大不失真的能力。


() 連續波型上不能有任何截波,不然上下看起來是方型的。

在此項測試時,我們會從待測物輸出一個0dB 48KHz Sample Rate 1KHz 的聲音然後輸入到儀器去分析。之後調整電腦的音量到最大,看是否有諧波失真(有關諧波失真後述),接著放低音量到諧波失真率低於0.2後,顯示在螢幕上的電壓值即為此產品的Full Scale,此值必須記錄下來,後續的測試都會用到。
另外一個測試項目〔Sampling frequency accuracy〕通常也會在此時同時測到,測試信號的Sample Rate 在進入D/A前後的精準度並比較信號原本的Sample Rate和實際測量到的比值,通常會用第一個測試的信號一起測試,Microsoft 規範為0.02%。

THD+n
Total Harmonic Distortion with Noise也就是總諧波失真加上噪音值。
其原理在於當信號轉換輸出時,在原信號會有非線性的失真也就是會額外加上非原始的信號成份。
簡單來說,當我們輸入1KHz的訊號時,就有可能在其倍數如2K,4K 會額外多出非原本訊號的不正常信號。

() 只有1K部份是原始的訊號,其他倍數部份都是諧波。

此不正常的諧波當然也就會影響原始信號的重現,此項測試為檢測諧波的增益對比上原始訊號的差異值,假設原始訊號為0dB,諧波最大為-60dB,則諧波相對於原始訊號的距離為60dB。
在做此測試時,我們在Full Scale測到的值就會在此被採用為參考值也就是當做最大輸出信號。
而此項測試採用的信號一般來說習慣採用-3dB 1KHz 的信號來做為實際測量信號,然後量出的諧波值再和之前的Full Scale值做差異比較。
Microsoft所要求的測試比原始廠商要求的還要嚴格,他要求的不是只有1KHz的訊號量測而是在全頻的信號下做量測,也就是20Hz – 20KHz 分成31個頻段,所得到的值會有31個,再取最差的值,所以稱為THD+N VS Frequency。
此測試的規範為相對於Full Scale 必須大於或等於80dB。

() 全頻的THD+n測試結果

Dynamic Range
動態範圍是指最大的輸出信號相對最小信號(雜訊)的差異值,也可以用來量測信號噪音的大小跟正常信訊的差異值,所以一般也可以用來測量信噪比(Signal to Noise Ratio)。
這個測試的量測是以輸入-60dB 1KHz 的信號,原則上-60dB的值是用來確認信號是存在的情況之下來量測他的雜訊,而且-60dB也可以避免諧波失真的不確定因素。
這項測試目前是使用1KHz 單頻來做測試訊號,而不做全頻的原因在於訊號過小無法被儀器鎖定,所以必須固定在1KHz 來做測試。全頻測試便需要做31個不同頻段的聲音檔,然後固定住每一個頻段來做測試。
本規範在此項測試的要求為大於或等於90dB。
此項和另一個測試項目Noise Level during system activity」可以合併討論,和Dynamic Range最大的不同是「Noise Level during system activity」輸入的信號雖然同樣也是-60dB但是在信號中的LSB Bit 0 當中會存放資料使得Codec會一直處於工作的狀態。

Interchannel Phase Delay
測試在二聲道左和右彼此之間在全頻之下的相位延遲。
相位是描述訊號波型變化的位置,以度為單位,二個Channel在信號進入和輸出時是否會彼此產生不同步是此測試的重點。
此量測是以-20dB Multitone 做為輸入訊號(Multition為全頻同時發聲而非階梯式發聲)
直接使用儀器的Phase Meter取得角度,再經由公式可換算成時間。

() 取得角度值後可換算成時間

Microsoft 在此項測試定義的規範則較為彈性,在全頻之下30度或是12.5 microseconds 那一個單位下的值比較好就採用那一個值。

Cross-talk
這是在測試串音,串音的意思就是測試聲道的分離度,例如左聲道的聲音不應該跑到右聲道,右聲道也不該跑到左聲道,但在電腦聲音輸出習慣使用的端子上似乎要完全不彼此干擾是不太可能。

為了此項測試,我們應該準備二個不同的Mono檔案,一個是全頻31階-20dB但只有左聲道,另一個則只有右聲道,當在測量時,儀器本身的 Cross-talk測試功能會去檢查有聲音的那個聲道,和另一個沒聲音的聲道彼此之間的差異,而取得的比值就是我們要的Cross-talk值。因此本測試需要跑二次,一次是左聲道對比上右聲道,另一次則相反。


() Cross-talk 的結果圖表

Microsoft在此項測試訂的規範為大於或等於60dB。

Magnitude Response
這項測試就是以前大家所熟知的頻率響應,測試信號在各頻段的增益差別。

() Magnitude Response 結果圖表示意圖

從上圖中我們可以看到整個測試結果的頻段分成二個部份,一個是Transition band,另一個是Outside Transition band,天藍色的線條代表是信號的曲線,紅色的部份則是限制範圍,用來表示曲線值正確與否,
我們可以看到信號在高低頻部份開始變的不穏定而且跑出紅線範圍之外,我們稱那是一個轉態帶(Transition band)的開始,在這項測試有三個點要觀察,(1)在Pass band(Outside transition band)內是否平順,其漣波值(Ripple)是否在紅線範圍之內;(2)在Transition band的結束點是否合乎規範;(3)信號進入Transition band後是否合乎單一方向性的持續向外延伸,不能又回到紅線曲域裡,業界稱此為「Monotonic」。
Microsoft 在這項測試的規範為Ripple值要在正負0.25dB也就是在紅線範圍內,最高頻處不能差異大於1dB, 低頻處差異不能大於3dB。

第三方測試實驗室o

以上介紹就是目前最主要的八項測試,這八項測試可以看出您的產品的Fidelity,即大陸所說的保真度和我們談的高傳真,意指和原始訊號的還原度。

整體來說測試所花費的時間雖不多,但在測試環境的建構以及所需投入的資金與人力卻不少,開發廠商還需面對錯誤的修正所耗費的時間成本。

現在大環境已準備就緒,國際大廠也準備好了,不知你的產品準備好了嗎?若還沒準備好,不妨參考Microsoft網頁上所提供的可支援Audio Fidelity 測試的Third-Party資訊,以選擇最事半功倍的測試方式。


() 截取自Microsoft 官方對Third Party 實驗室的介紹