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，智能手機用戶還期望擁有很高的性能。本文將探討手機性能的一個關鍵方面，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用的內容。有用的音頻內容為音樂或電影信號；無用的內容為電源噪聲、諧波失真、串擾和數據壓縮等，會破壞收聽體驗。音樂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圍的系統。

在放大器噪聲方面，關鍵參數是信噪比(SNR)。SNR越高，音頻質量就越好；反之，SNR低，輸出信號就比較嘈雜。讓我們首先定義SNR。每一個音頻輸出都有一個“噪聲基底”，即系統和音頻IC的固有噪聲。正如IC設計優化，電路板版圖優化也有助于減小噪聲基底。其目的是保持噪聲基底(無用內容)和音樂信號(有用內容)的振幅之間的差距盡可能大。在樂曲與樂曲間的靜默階段，或者是在播放動態范圍很大(即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，噪聲最明顯。

SNR是有用內容與無用內容的比率。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)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放大器都有一個依賴于其設計和布板的相關SNR。在用戶使用手機聽音樂、看電影時，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(通常為MP3、AVI或MOV格式)，為什么會要求耳機放大器的SNR大于100dB，這甚至超過了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量下降的兩個截然不同的成分。數據壓縮基于有損算法(lossy algorithm)，該算法通過清除或屏蔽內容中人耳不容易聽見的部分來減小文件的大小。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法減小的。不過，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規格是在實驗室中測得，其分子(Asignal)的值是固定的。需注意的一個重要問題是，這不是針對典型的聽力水平。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。如果調大音量，甚至可以在房間另一頭聽到耳機的聲音！而實際上，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，利用這些實際的聽力水平可降低聽者表面上的SNR。

舉例說明，某個放大器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量的關鍵指標。若用戶期望其手機音頻質量和MP3播放器上的一樣，就必須特別關注這一主要參數。