掌握无线多音测试（译文）
Mastering Wireless Multi-Tone Testing作者：Andrew Taylor
KLIPPEL GmbH, Mendelssohnallee 30, 01309 Dresden, Germany1 引言 标准音频测试主要由经典的正弦波激励（例如步进正弦波、chirp和双音）主导。尽管如此，多音测试仍具有许多优点，虽然不是新事物，但它常常被忽略或未得到充分利用。如今，越来越多的音频设备使用无线连接。不幸的是，这种无线连接带来了传统有线连接所没有的新挑战和新问题。对于这些现代音频设备的制造商和设计师来说，音频测试和测量方案需要克服这些问题并提供准确可靠的结果，这一点至关重要。本文介绍了多音测试以及如何克服无线连接导致的问题。
图1：多音测试方法概览
2 多音测试 多音测试已经存在多年了，首先它产生由多个音调组成的稀疏激励信号，这将在2.1节中详细展开，然后捕获并分析响应。在后处理中，与激励信号对应的激发频率处的能量被分离出来，剩下的部分则包含了音频系统的失真及所有噪声。图1对该过程进行了描述。
2.1 激励信号 如IEC 60268-21所定义，多音激励信号包括三个或更多音调，每个音调具有唯一且固定的频率。如表1所示，多音信号的波峰系数比正弦波激励大得多。为了比较信号，可以使用波峰系数或峰度，而峰度是描述任意给定数据点非常接近均值对比非常远离均值的概率的度量值。此两种情况下，较高的值都表示信号能量更集中在平均值附近，而不是峰值处。但是，峰度比波峰系数更可取，因为峰度可以告诉信息的相似性，且统计特征更可靠。表1对此进行了说明，其中粉噪的波峰系数理论上可以是无限的，但在实际系统中，总是有一个上限。但是，实际系统的波峰系数并不可靠，因为它取决于所分析信号的峰值，该峰值可能随时间变化，并且可能随捕获信号的长度而变化。当比较峰度值和平稳度时，多音激励与粉噪非常相似。
表1：几个常见音频测试激励信号的比较
多音激励信号的伪随机性也很重要。对于类噪声信号，频率分量的相位应该是随机的。但是，精确的属性特性基于一些输入参数（seed parameters），可以确保精确的激励信号可以重复得到，从而获得可重复且可比较的测量结果。根据特定的测量应用，信号也很灵活。激励信号通常定义在一个频率范围内，具有相应的幅值和密度，或者分辨率，如每倍频程的单位音调。也可以应用随频率变化的幅度整形曲线，以使其具有例如IEC 60268-21中定义的典型节目材料的频谱。
2.2 优点如前所述，多音激励的稀疏频谱特性可以将基波分量与失真分量和噪声分量分离。因此，无论是音频设备的基波频率响应还是全面失真评估都可以提取出来。这种失真测量包括了谐波和互调成分，可被认为是失真“指纹”。当施加的激励信号有足够宽的频率范围、足够的密度（例如，每倍频程≥10个音调）和足够的振幅（大信号域），则会激活换能单元的所有非线性，导致典型的加热和强制对流冷却，（如果有的话）还会激活DSP保护功能（限幅器、压缩器等）。最后，多音测量带来了一些非常棒的实际好处。它可以在同一测量中快速评估音频设备的基波响应和失真响应，还可以用于长期功率和寿命测试。当用于比较和基准化不同的音频设备时，与仅使用正弦波测试相比，它可以提供更加真实、完整的结果。IEC60268-21的多个方面都建议了多音测试，包括评定maxSPL、100小时测试和输入校准。
2.3 缺点多音测量的综合失真评估给出的失真曲线，其各个失真分量无法分离，这意味着谐波成分无法与互调区分开。同样，偶次和奇次失真分量也无法区分，因此无法找出迹象表明非线性是对称的还是非对称的。最后，多音测量是基于能量的测量。因此，它对脉冲失真（也称为异常音rub&buzz）不是很灵敏。需要灵敏的脉冲失真检测，建议进行时域分析。
3 无线多音测试尽管多音测试的好处显而易见，但通过无线连接测试现代音频设备还是会产生一些其他问题，需要克服这些问题才能获得准确的结果。
3.1 无线连接问题无线连接中发现的一个问题是较大的延迟，这在传统模拟连接中是不存在的。根据无线连接的特定类型和总设置，延迟可能会大于0.5秒。虽然恒定和稳定的延迟将更易于处理，但无线连接的延迟可能会发生很大变化。M.Liebig先前调查了7,800次重新初始化过程后蓝牙音频连接的延迟，结果如图2所示，平均延迟为157毫秒，延迟范围为62毫秒，这对应于超过21米范围的声音延迟。
图2：重新初始化后无线连接到蓝牙耳机的延迟分布
另一个问题是采样抖动，它是由音频设备和测量设备的采样率之间的不匹配产生的。与延迟问题相比，这给多音测试带来了更严重的问题。在使用模拟连接测试音频设备时有时也会出现相同的问题，如果激励发生器和分析仪捕获的响应不能共享公共时钟并且不能完全同步。实际的结果是信号的频率转换，导致响应比激励稍短或更长。如果响应比激励短，响应则包含了更高的频率（向上移动）；同样，如果响应时间长于激励，响应则包含了较低的频率（向下移动）。这会导致激励和响应之间的非相关性，且随着频率而增加，从而降低了测量结果的准确性。这种动态频率变换类似于多普勒效应的频率调制，但是更加随机。尽管这会产生失真，但与幅度调制不同，它只会对感知音质产生较小的影响，因为幅度调制可能会引起波动和粗糙度。尽管这些影响在听觉上不太重要，但是如果测量系统无法补偿的话，则可能掩盖音频设备中更为严重的失真。它们对基波频率响应的影响较小，但对失真和相位测量的影响较大，尤其在高频（≥1 kHz）时。
3.2 解决方案
在音频测量中，处理延迟并不是一个新问题。例如，必须考虑取决于音频设备和麦克风之间距离的声学延迟。但是，无线系统中的延迟可能比正常的电学或声学延迟更长或更易变化。通常，有几种常规方法可以处理较长和变化的延迟。第一种是使用预循环，或者在对应于捕获响应的实际激励之前使用激励信号的迭代。如果激励信号的长度大于预期的最长延迟，则单个预循环就足够了。如果激励非常短或延迟很长，则可以添加更多的预循环。像大多数Klippel模组一样，Klippel R＆D中多音测量模块MTON允许添加预循环。克服这些延迟的其他常见方法（产线测试可能需要更快的方法）包括在信号的脉冲响应中搜索能量峰值，或者使用同步信号，例如用于Klippel QC（产线终端测试）的外部同步(SYN: ExternalSynchronization)软件。采样抖动在音频环境中也不是新鲜事物，因为它固有地存在于所有集成了时钟设备（例如模数或数模转换器）的音频系统中。一般在评估大多数有线连接的完整电声系统的音频质量时，这些影响通常可以忽略不计。但是，当使用无线连接时，这些影响会变得更加严重，并可能会破坏测量结果。避免长时测量是个良好的实践，因为激励和响应之间的相关性通常会随着时间而变差。另外，应该避免取平均值，因为采样抖动会随时间变化，也就意味着连续响应不太可能具有完全相同的时钟关系，从而产生采样抖动效应。然而，即使避免了长时测量和平均，结果可能仍然不准确，我们需要一种更稳健的技术来可靠准确地克服采样抖动的影响。Klippel的MTON通过实现“时钟漂移容差（Clock Drift Tolerance）”功能解决了这一问题。通过激活此功能，可以正确识别并从失真分量分离出基波分量，可避免由采样抖动而产生拖尾效应，这样可提供准确的基波频率和总失真响应。图3显示了通过无线连接在一款蓝牙音频设备上使用MTON进行多音测量的不同处理的失真曲线。红色曲线不能补偿采样抖动，无线连接引起的频率调制被解读为失真。蓝色曲线启用了“时钟漂移容差”功能，可以正确识别音频设备中扬声器产生的主要失真，并且与通过有线（模拟电缆）输入连接测得的音频设备的失真没有区别。
图3：一款无线连接蓝牙音频设备的多音测量的响应曲线：
蓝色为正确处理的结果；红色为错误处理的结果。
4. 结论
多音测试具有许多优点，是评估整体性能和音质的快速而强大的工具。由于现代音频设备的无线特性日渐丰富，因此音频测试和测量解决方案必须能够可靠地克服无线连接所产生的问题。Klippel的MTON可以快速、准确地评估音频设备的基波和失真响应，即使使用的无线连接具有较长且变化的延迟和采样抖动。
文献
E. Zwicker, H. Fastl, (1999)“Psychoacoustics – Facts and Models”. Springer, Berlin, ISBN 3-540-65063-6
IEC 60268-21 Sound System Equipment – Part 21: Acoustical (OutputBased) Measurements, IEC: 2018
Liebig, Marian. (2017, January). Challenges of Testing MobileDevices and Mobile Testing. Voice Coil,30(3), 8–13.
R.Schwenke, “A New Signal for Measuring Loudspeaker Maximum Linear SPL”, SMPTE2019 Annual Technical Conference, Los Angeles, October 2019 (submitted).
W. Klippel, “Measurement of Impulsive Distortion, Rub and Buzz andother Disturbances, “presented at the 114th convention of the AudioEng. Soc. (March 1 2003), preprint 5734.
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多音测试的优点是可同时测量线性失真（频响）和非线性失真（包括谐波失真和互调失真），实现对被测器件的快速检测。多音信号中的各基波相位通常采用随机相位或优化后的相位，以降低峰值因素，提高测量的信噪比。各基波幅度一般采用等幅。
多音测试难以区分谐波失真和互调失真这点不完全是负面的。单频总谐波失真THD测量和双频互调失真IMD测量常常受到批评的原因是因为其信号成份过于简单，与现实生活中的音乐或语音相差太远。多音信号包含两个以上的频率成份，因而更接近现实生活中的音频信号，能同时激励被测设备的谐波失真和互调失真。由此导出一个新的参数，称为总失真+噪声(Total Distortion plus Noise, TD+N)。它定义为总失真功率加上噪声功率对所有基波功率之和的比值的开方。换句话说，它是总功率减去总基波功率后与总基波功率的比值的开方，如下式所示：
下图为一个多音测试例子，各基波的峰值连线即为被测设备的幅频响应，而被测设备的总失真+噪声TD+N则由上式计算而得。
异常音（Rub & Buzz）测量通常不采用多音测量，而采用扫频。
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