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功率技術/新能源  

手機耳機放大器SNR影響音訊性能

上網時間: 2011年04月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:耳機放大器  智慧手機  SNR  GPS  MP3 

手機正從最初的一種語音通訊工具持續演進成為更複雜先進的系統與娛樂設備。隨著智慧手機問世,用戶可以享受到各種豐富的可攜式功能,如整合MP3播放器、視訊播放、視訊攝影機和靜態影像相機、藍牙,以及GPS等等,甚至再配備一個觸控螢幕介面。

此外,似乎具有無限應用潛力的真正多工任務作業系統也隨之推出,從而催生出一種功能強大的手持式設備。智慧手機的確是彰顯工程創新如何改變人們生活的一個最佳寫照。

除了這種功能性之外,智慧手機用戶還期望擁有更高的性能。本文將探討手機性能的一個關鍵領域,即手機音訊播放,特別是MP3播放器輸出至耳機的音訊品質。

音訊中包含有用和無用的內容。有用的音訊內容為音樂或影像訊號;而無用的內容為電源雜訊、諧波失真、串擾和數據壓縮等,這些都會破壞收聽體驗。音樂內容本身也可能帶有雜訊,若設計不夠謹慎,主要的雜訊來源可能就會是音訊IC耳機放大器和放大器周圍的系統。

在放大器雜訊方面,關鍵參數是訊號雜訊比(SNR)。SNR越高,音訊品質越好;反之,SNR較低,輸出訊號就比較嘈雜。讓我們首先定義SNR。每一個音訊輸出都有一個‘雜訊基底’,即系統和音訊IC的原有雜訊。正如IC設計最佳化一樣,最佳的電路板佈局也有助於減小雜訊基底。其目的是保持雜訊基底(無用內容)和音樂訊號(有用內容)之間的振幅差距盡可能最大。在樂曲與樂曲間的靜默階段,或是播放具有高動態範圍(音樂中高昂和輕柔片段間的落差較大,如古典音樂)的內容時,雜訊最明顯。

SNR是有用內容與無用內容的比值。由於雜訊基底和有用訊號間的振幅差異極大,為了便於分析,這個比值公式採用對數的形式表示。


在此,Psignal為有用訊號(音樂)的平均功率,而Pnoise為雜訊基底的平均功率。可採用電壓表示為:


其中,A為訊號的均方根(RMS)電壓值。

在音訊IC設計中,通常會為Asignal提供一個參考值──在總諧波失真+雜訊 (THD+N)為1%時,放大器為32Ω負載電阻提供1KHz正弦波訊號時的最大輸出電平。值得注意的是,有些製造廠商為了刻意提升SNR參數規格,而將Asignal參考值設置為放大器在空載條件下或較高THD+N值時的最大輸出電平。

取決於不同的設計與佈局需求,所有的IC放大器都有一個與其相關的SNR。在用戶使用手機聽音樂或看影片時,這些放大器為外部耳機供電。考慮到組成媒體的數據已經高度壓縮了(通常為MP3、AVI或MOV格式),為什麼還得要求耳機放大器的SNR大於100dB?這甚至已經超過了CD播放器的SNR理論上限值96dB。

首先,數據壓縮和雜訊是導致音訊品質降低的兩種截然不同組成。數據壓縮基於失真演算法(lossy algorithm)──透過消除或阻障內容中人耳不容易聽見的部份,從而縮減檔案的大小。因此,數據一經壓縮後就無法再恢復遺失的內容。此外,原始記錄中原生的雜訊也無法縮減。不過,在手機設計中增加的雜訊,如耳機放大器IC造成的雜訊則可加以減小。

放大器的SNR規格可在實驗室中以固定的Asignal數值測得。值得注意的是,這並不是一種典型的聽力水平。例如,許多IC耳機放大器能夠為32Ω的負載電阻提供超過30mW的功率。如果調高音量,甚至可在房間另一頭聽到耳機的聲音!

實際上,由於耳機插入耳道而與耳膜緊密耦合,對於32Ω負載電阻而言,根據耳機的效率不同,0.1mW-0.5mW的輸出功率一般是較合理的音量水平。但這僅僅是整個輸出功率的一小部份。由於SNR是訊號與雜訊之比,而且雜訊基底是不變的,利用這些實際的聽力水平可為聽者明顯降低SNR。

例如,一個具有105dB SNR規格的放大器,在30mWRMS功率至32Ω負載電阻時,使用Asignal 1KHz音訊,並具有1%THD+N。在此,首先把30mWRMS 轉換為VRMS:

PRMS = (VRMS)2/R

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

現在我們可以利用以下算式來計算Anoise:


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

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

故 Anoise = 5.5μVRMS

或者,可以採用以下計算方式:

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

10105dB/20 = .979 VRMS /AnoiseRMS

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

因此,我們已知道了雜訊基底Anoise。在相同的條件下,以0.1mWRMS的典型音量水平,並利用同一個放大器,我們即可確定SNR。再次運用以下算式:


首先把0.1WRMS 轉換為VRMS:

PRMS = (VRMS)2/R

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

現在計算新的SNR:

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

SNR測量結果是衡量音訊放大器品質的關鍵指標。由於用戶期望手機音訊品質能和MP3播放器聽到的一樣好,在設計時就必須特別注意這項重要的參數。

作者:Greg Davis

訊號調節產品部資深行銷經理

快捷半導體





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