手機耳機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，智能手機用戶(hù)還期望擁有很高的性能。本文將探討手機性能的一個(gè)關(guān)鍵方面，即手機音頻播放，特別是MP3播放器到耳機的音頻輸出。

音頻中包含有用的內容和無(wú)用的內容。有用的音頻內容為音樂(lè )或電影信號；無(wú)用的內容為電源噪聲、諧波失真、串擾和數據壓縮等，會(huì )破壞收聽(tīng)體驗。音樂(lè )內容本身也可能帶有噪聲，若不認真設計，主要的噪聲源可能是音頻IC耳機放大器和放大器周?chē)南到y。

在放大器噪聲方面，關(guān)鍵參數是信噪比(SNR)。SNR越高，音頻質(zhì)量就越好；反之，SNR低，輸出信號就比較嘈雜。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”，即系統和音頻IC的固有噪聲。正如IC設計優(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)用內容)和音樂(lè )信號(有用內容)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 ))的內容時(shí)，噪聲最明顯。

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

公式1

這里，Psignal為有用信號(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為信號的均方根(RMS)電壓值。

其中，A為電壓的均方根值。

在音頻IC設計中，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負載電阻提供1KHz正弦波信號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(chǎng)商規格中，為了人為提升SNR參數，Asignal參考值被設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)于其設計和布板的相關(guān)SNR。在用戶(hù)使用手機聽(tīng)音樂(lè )、看電影時(shí)，這些放大器為外部耳機供電?？紤]到組成媒體的數據已經(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，數據壓縮和噪聲是導致音頻質(zhì)量下降的兩個(gè)截然不同的成分。數據壓縮基于有損算法(lossy algorithm)，該算法通過(guò)清除或屏蔽內容中人耳不容易聽(tīng)見(jiàn)的部分來(lái)減小文件的大小。因此，數據被壓縮后是不能恢復丟失內容的。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)，在手機設計中增加的噪聲，如耳機放大器IC造成的噪聲，則是可以減小的。

放大器的SNR規格是在實(shí)驗室中測得，其分子(Asignal)的值是固定的。需注意的一個(gè)重要問(wèn)題是，這不是針對典型的聽(tīng)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(guò)30mW的功率。如果調大音量，甚至可以在房間另一頭聽(tīng)到耳機的聲音！而實(shí)際上，由于耳機插入耳道，與耳膜緊密耦合，對32Ω負載電阻，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規格，Asignal 1KHz音頻，30mWRMS功率，32?負載電阻，1%THD+N。 首先把30mWRMS 轉換為VRMS：

PRMS = (VRMS)2/R

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

現在我們可以利用下式來(lái)計算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。再一次運用下式：

公式4

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測量結果是衡量音頻放大器質(zhì)量的關(guān)鍵指標。若用戶(hù)期望其手機音頻質(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。