使用 APx500 软件检测音频毛刺与信号丢失

在数字音频播放系统中，音频毛刺和信号丢失无疑是最令人困扰的问题之一。当一个设备丢失一个采样点时，这意味着什么？这意味着一个采样点被跳过，从那一刻起，整个波形在时间上向左平移了一个采样瞬间。如果播放设备丢失了音频采样，根据丢失的采样数量和发生位置，由此产生的不连续性可能会导致毛刺，这种毛刺可能非常刺耳，或者说，会让听者感到不悦。因此，验证设备能否长时间稳定播放信号，是很常见的需求。APx500 软件为此提供了两种不同的工具：在序列模式 (Sequence Mode) 下，您可以使用测量记录器 (Measurement Recorder)；在工作台模式 (Bench Mode) 下，您可以使用记录器 (Recorder)。*

*APx500软件为英文版，下文将使用英文表述：

序列模式 - Sequence Mode

工作台模式 - Bench Mode

测量记录器 - Measurement Recorder

记录器 - Recorder

 

Sequence Mode 

—— Measurement Recorder：

Bench Mode —— Recorder：

为了捕捉毛刺和信号丢失，我们通常推荐使用Bench Mode 下的 Recorder。Sequence Mode 的 Measurement Recorder 也可以使用，但总体而言，Bench Mode 的 Recorder 更为优越。

 

要理解其原因，请参考我们之前关于 Bench Mode与 Sequence Mode 对比的文章：《工作台模式与序列模式》。在Bench Mode Recorder与Sequence Mode Measurement Recorder的对比中，差异可能相当明显。

 

Sequence Mode Measurement Recorder 通过执行非重叠 (non-overlapped) 的 FFT 来进行数据处理，其单个分析长度等于所选读数速率的倒数。如果选择每秒 1 个读数的速率，那么每秒就会执行一次频率分辨率为 1 Hz 的 FFT。这项技术有几个重要的注意事项需要立即指出：首先，由于 FFT 实际上是对采集周期内的能量进行 RMS 平均，因此随着读数速率的降低，对快速瞬态的敏感度也会降低。其次，采集过程是非重叠的，并且 FFT 会进行加窗处理。因此，如果一个毛刺恰好发生在采集区间的开始或结束处，窗函数会衰减或降低测量对其的敏感度。

 

相比之下，Bench Mode Recorder 通过对传统模拟测量电路的数字模拟来处理每一个音频采样，甚至包括对过冲和仪表动态特性的仿真。虽然为了获得稳定、可靠且可重复的测量结果，抑制仪表动态特性通常是可取的，但在尝试检测毛刺、信号丢失和其他瞬态时，情况并非如此，因为这些时变非线性特性正是我们需要的。最后，通过在时域进行分析，有效的读数速率可以高得多。

 

让我们用一个实际例子来探讨这个问题：一个采样率为 48 kHz、幅度为 -6 dBFS 的 1 kHz 正弦波。我们创建了一个每秒丢失一次采样的信号。在前10秒，信号丢失发生在零点穿越处。在接下来的10秒，信号丢失发生在正弦波的峰值处。

 

RMS Level随时间的变化 – 2 Readings/s – Sequence Mode 与 Bench Mode：

单个丢失的采样点对总信号能量的贡献非常小。因此，检查 RMS 电平并非检测它们的最佳方法。然而，在这里您可以立即看到 Sequence Mode 和 Bench Mode 之间的对比。Sequence Mode 在 500ms 的周期内对信号进行积分，单个丢失的采样点被简单地平均掉了。相比之下，在 Bench Mode 中，即使是单个采样点也足以产生可检测到的波动，尽管幅度很小。

 

如果我们将读数速率增加到最大值，差异会变得更加明显。

 

RMS 电平随时间的变化 – Sequence Mode 下 20 Readings/s vs. Bench Mode 下 250 Readings/s：

在两种不同模式支持的最大读数速率下，Bench Mode 可以捕捉到这些毛刺。Sequence Mode 的结果显示了一些非常微小的波动，但粗心的观察者很容易将其误认为是噪声。

 

通常，在测试毛刺和信号丢失时，最好使用的结果是 THD+N。一个丢失或畸变的音频采样点实际上是一个脉冲。听起来就像是咔哒声。它们会产生一个宽带响应，因此会对设备的失真产生负面影响。所以，让我们用相同的采样信号来探讨 THD+N。

 

THD+N 比率随时间的变化 – 2 Readings/s – Sequence Mode 与 Bench Mode：

在这个较低的读数速率下，结合我们对测试信号的了解来对比这两种技术是很有趣的。在前 10秒，毛刺发生在零点穿越处，而在接下来的 10秒，它发生在正弦波的峰值处。在 Sequence Mode 中，当信号丢失在零点穿越处时，其对噪声的贡献被 500 ms 的积分时间平均掉了。而 Sequence Mode 可以检测到在正弦波峰值处的信号丢失，因为这部分能量贡献要大得多。相比之下，Bench Mode 既能检测到零点穿越处的信号丢失，也能检测到正弦波峰值处的信号丢失。

 

在各自的最大读数速率下，Bench Mode 和 Sequence Mode 都能检测到所有的信号丢失。

在尝试检测毛刺和信号丢失时，既可以使用Bench Mode Recorder，也可以使用Sequence Mode Measurement Recorder。然而 Bench Mode Recorder更为灵敏。无论使用哪种功能，THD+N 都是最有可能显示毛刺的结果。为了最大化 THD+N 结果的灵敏度，我们建议将分析仪的 Notch Tuning Mode（陷波器调谐模式）设置为 Fixed Frequency（固定频率），并输入预定的测试信号频率。此外，如果使用 Bench Mode Recorder，请确保取消勾选 “Make Settled Readings”（进行稳定读数）复选框。