手機(jī)耳機(jī)放大器的信噪比要求如何影響音頻性能

除了這種功能性之外，智能手機(jī)用戶(hù)還期望擁有很高的性能。本文將探討手機(jī)性能的一個(gè)關(guān)鍵方面，即手機(jī)音頻播放，特別是MP3播放器到耳機(jī)的音頻輸出。

音頻中包含有用的內(nèi)容和無(wú)用的內(nèi)容。有用的音頻內(nèi)容為音樂(lè)或電影信號(hào)；無(wú)用的內(nèi)容為電源噪聲、諧波失真、串?dāng)_和數(shù)據(jù)壓縮等，會(huì)破壞收聽(tīng)體驗(yàn)。音樂(lè)內(nèi)容本身也可能帶有噪聲，若不認(rèn)真設(shè)計(jì)，主要的噪聲源可能是音頻IC耳機(jī)放大器和放大器周?chē)南到y(tǒng)。

在放大器噪聲方面，關(guān)鍵參數(shù)是信噪比(SNR)。SNR越高，音頻質(zhì)量就越好；反之，SNR低，輸出信號(hào)就比較嘈雜。讓我們首先定義SNR。每一個(gè)音頻輸出都有一個(gè)“噪聲基底”，即系統(tǒng)和音頻IC的固有噪聲。正如IC設(shè)計(jì)優(yōu)化，電路板版圖優(yōu)化也有助于減小噪聲基底。其目的是保持噪聲基底(無(wú)用內(nèi)容)和音樂(lè)信號(hào)(有用內(nèi)容)的振幅之間的差距盡可能大。在樂(lè)曲與樂(lè)曲間的靜默階段，或者是在播放動(dòng)態(tài)范圍很大(即音樂(lè)中高昂和輕柔片段間的落差較大，如古典音樂(lè))的內(nèi)容時(shí)，噪聲最明顯。

SNR是有用內(nèi)容與無(wú)用內(nèi)容的比率。由于噪聲基底和有用信號(hào)的振幅差異極大，為便于分析，這個(gè)比率公式采用對(duì)數(shù)形式表示。

公式1

這里，Psignal為有用信號(hào)(音樂(lè))的平均功率，Pnoise為噪聲基底的平均功率。若采用電壓表示，則為：

公式2

這里，A為信號(hào)的均方根(RMS)電壓值。

其中，A為電壓的均方根值。

在音頻IC設(shè)計(jì)中，常常為Asignal提供有一個(gè)參考值。在總諧波失真+ 噪聲 (THD+N) 為1%，放大器為32Ω負(fù)載電阻提供1KHz正弦波信號(hào)的情況下的最大輸出電平即為上述參考值。但是，在有些制造廠商規(guī)格中，為了人為提升SNR參數(shù)，Asignal參考值被設(shè)置為放大器在空載條件下或THD+N較大情況下的最大輸出電平。

所有IC放大器都有一個(gè)依賴(lài)于其設(shè)計(jì)和布板的相關(guān)SNR。在用戶(hù)使用手機(jī)聽(tīng)音樂(lè)、看電影時(shí)，這些放大器為外部耳機(jī)供電。考慮到組成媒體的數(shù)據(jù)已經(jīng)高度壓縮(通常為MP3、AVI或MOV格式)，為什么會(huì)要求耳機(jī)放大器的SNR大于100dB，這甚至超過(guò)了CD播放器的SNR理論上限值96dB。

首先，數(shù)據(jù)壓縮和噪聲是導(dǎo)致音頻質(zhì)量下降的兩個(gè)截然不同的成分。數(shù)據(jù)壓縮基于有損算法(lossy algorithm)，該算法通過(guò)清除或屏蔽內(nèi)容中人耳不容易聽(tīng)見(jiàn)的部分來(lái)減小文件的大小。因此，數(shù)據(jù)被壓縮后是不能恢復(fù)丟失內(nèi)容的。此外，原始記錄中本身帶有的噪聲也是無(wú)法減小的。不過(guò)，在手機(jī)設(shè)計(jì)中增加的噪聲，如耳機(jī)放大器IC造成的噪聲，則是可以減小的。

放大器的SNR規(guī)格是在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)得，其分子(Asignal)的值是固定的。需注意的一個(gè)重要問(wèn)題是，這不是針對(duì)典型的聽(tīng)力水平。例如，許多IC耳機(jī)放大器能夠?yàn)?2Ω的負(fù)載電阻提供超過(guò)30mW的功率。如果調(diào)大音量，甚至可以在房間另一頭聽(tīng)到耳機(jī)的聲音！而實(shí)際上，由于耳機(jī)插入耳道，與耳膜緊密耦合，對(duì)32Ω負(fù)載電阻，0.1mW - 0.5mW的輸出功率即可獲得合理的音量水平，具體取決于耳機(jī)的效率。這僅僅是整個(gè)輸出功率的一小部分。由于SNR是信號(hào)與噪聲的比率，而且噪聲基底是不變的，利用這些實(shí)際的聽(tīng)力水平可降低聽(tīng)者表面上的SNR。

舉例說(shuō)明，某個(gè)放大器105dB SNR規(guī)格，Asignal 1KHz音頻，30mWRMS功率，32?負(fù)載電阻，1%THD+N。 首先把30mWRMS 轉(zhuǎn)換為VRMS：

PRMS = (VRMS)2/R

或 VRMS = sqrt(PRMS x R) = sqrt(.03WRMS x 32Ω) = .979 VRMS

現(xiàn)在我們可以利用下式來(lái)計(jì)算Anoise：

公式3

所以105dB = 20log10 (.979VRMS /AnoiseRMS)

或

inv-log10 (105dB/20) = .979VRMS / AnoiseRMS

故 Anoise = 5.5μVRMS

或者，可以計(jì)算如下：

105dB/20 = log10 (.979VRMS /Anoise)

或

10105dB/20 = .979 VRMS /AnoiseRMS

或

Anoise = .979 VRMS / 10105dB/20 = 5.5μVRMS

至此，我們已知道了噪聲基底Anoise。在相同的條件下，對(duì)于0.1mWRMS的典型音量水平，利用同一個(gè)放大器，我們可以確定SNR。再一次運(yùn)用下式：

公式4

首先把0.1WRMS 轉(zhuǎn)換為VRMS：

PRMS = (VRMS)2/R

或 VRMS = sqrt(PRMS x R) = sqrt(.001WRMS x 32?) = .179VRMS

現(xiàn)在計(jì)算新的SNR：

SNRdB = 20log10(.179VRMS /5.5μVRMS) = 90.24dB。注意，在典型音量水平，這大約低了15dB。

SNR測(cè)量結(jié)果是衡量音頻放大器質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。若用戶(hù)期望其手機(jī)音頻質(zhì)量和MP3播放器上的一樣，就必須特別關(guān)注這一主要參數(shù)。