音频基础及测试应用-2006.11

1、内部公开内部公开 籍国兴2006.11.30 内部公开内部公开 一、音频基础知识二、ACQUA系统测试应用三、音频测试项目四、测试与注意事项内部公开内部公开 前言 音频测试主要是进行终端到终端的语音质量方面的测试，客观有效的发现语音质量问题，通过量化的参数来反映问题，语音问题例如通话噪音、通话回音、通话失真和通话响度等等。 对公司部分手机进行摸底检测后，发现测试出的问题非常多，说明前期对音频方面控制的不是很好，所以需要后续加强音频方面的检测，多暴露问题，研发及早进行改进，提高我们终端产品的通话语音质量。内部公开内部公开 一、音频基础知识 1、声学基本概念 2、声学测试基本仪器 1、声学基本概念

2、 声场：声场：特定空间范围内，任何一点上空气密度的变化。 可以分为自由声场、扩散声场、半自由声场。 声波：声波：实质上就是振动在介质（如空气）中的传播。 内部公开内部公开 一个无限长且均匀的管子，安装一个平面活塞，此活塞在一个周期力的作用下来回运动的情况。空气会产生“稀疏”“稠密”状态，向远端运动这个疏密交替状态的传播，就形成了声波。 声功率：声功率：声源在单位时间内所辐射的总的声能量 。 声波频率：声波频率：单位，Hz。人耳能听到的频率：20Hz20000Hz 人语音的频率一般在几十至4000Hz左右，唱歌则更高。 频率越高，则声音的音调越高。 声波传播速度：声波传播速度：344m/s（常温

3、） ， 声波长：声波长： c/f内部公开内部公开 声压：声压：由声波引起，局部空气产生稠密或稀疏，压强的变化。 即当前点的绝对气压减去恒定大气压。 帕牛顿/米（制） 微巴达因/厘米 (制） 微巴帕 大气压1.0325105 Pa（常温下）人类的耳朵能感应声压的范围很大。正常的人耳能听到最微弱的声音叫做听觉域，为20个Pa的压力变化，即2010E-6 Pa (百万分之二十巴斯卡)。另一方面，非常噪吵的情况能產生很大的压力变化，例如一架太空穿梭机在发出最大马力时能在近距离产生大约 2,000 Pa或2 x 10E+9Pa的噪音。如用巴斯卡(Pa)来表达声音或噪音，我们须处理小至20，大至2,000

4、,000,000的数字。明显地，如用帕斯卡(Pa)来表达声音或噪音会颇為不便。故引用对数来表示声压。 内部公开内部公开 用对数标度来表达声音和噪音还有另一优点：人类的听觉反应是基於声音的相对变化 而非绝对的变化。对数标度正好能模仿人类耳朵对声音的反应。 声压级（声压级（SPL）:用符号表示，其定义是：把某声压（有效值） 与参考声压的比值，取以10为底的对数，再乘以20，结 果以分贝表示。 pa，即以人耳刚能觉察的声压值作为参考值。 人耳刚能觉察的声压级为B ，声压每增加一倍，其声 压级增加B；声压每增加10倍，声压级增加20B. （由于声压用Pa表示，相差倍数过大，难于表示，而且 声音响度基本

5、与声压级有以上的对应的关系） dBPa20lg（P/1Pa） X dBPa=SPL - 94 dB 声压级与距离的关系（只作参考）： L=-20lg(r1/ro) (dB) ro为参考距离 距离增加一倍，声压级减小6 dB 声音通常以一个声压级值来描述。方法就是将所有倍频程或1/3倍频程所佔的部份 加在一起，得出一个声压级。020ppLgLp50102p内部公开内部公开 为了对声压的大小数值，有一个感性的了解。内部公开内部公开 响度：响度：是人耳对声音响轻的主观反应。 响度与振幅有关，振幅越大，声压越大则响度 也大。但人耳对不同频率的声波，听觉灵敏度是不同的,对 较低和较高的频率相对于中频稍微

6、不敏感，对25KHZ 的 声音最敏感。 响度级：响度级：将一个声音与1000HZ的纯音作比较，当两者听感一样 响时，这个1000HZ纯音的声压级数值就是该声音的响度级。 响度级的单位是Phon（方）。响度级相等，则听感是一样 的。 两个响度级的声音响度关系用Sone（宋）表示，Ln为响度 级，40方为1宋，每增加10方，响度增加一倍。 内部公开内部公开 声级声级(A、B、C声级声级)：主观加权评价。 为了模拟人耳听觉在不同的频率有不同的灵敏度性,在声级计内设有能够模拟人耳的听觉特性,把电信号修正为与人耳听觉近似的的网络,这就是计权网络,通过计权网络测得的声压值已经不再是客观物理量的声压级(叫做

7、线性声压级),而是经过听感修正的声压级,叫做计权声压级或噪声声级. A声级LA：40方曲线倒置加权，代表低声级的响度感觉，近人耳：dB(A)； B声级LB：70方曲线倒置加权，代表中声级的响度感觉，不常用：dB(B) C声级LC：100方曲线倒置加权，代表高声级的响度感觉，近线性：dB(C) 内部公开内部公开 内部公开内部公开 掩蔽：掩蔽：是两个声音同时呈现时，一个声音因受到另一个声音影 响而减弱的现象。 掩蔽效应：掩蔽效应：一个可听声由于其它声音的干扰而使听觉发生困难， 前者必须增加强度才能重新听到，这种阈限强度增加的 过程和强度增加的量就叫声音的掩蔽效应。要听的声音 叫做被掩蔽音，干扰作用

8、的声音叫掩蔽音，影响掩蔽效 果的有频率、强度因素。 哈斯效应：哈斯效应： 指当两个声音发生时间超过50ms时，听觉上感到有回声，也叫优先效应。 内部公开内部公开 失真：失真：是输入信号与输出信号在幅度比例关系、相位关系及波形形状产生变化的现象。 主要包括线形失真和非线形失真。还有编解码时会出现量化失真等。 线性失真是指信号频率分量间幅度和相位关系的变化，仅出现波形的幅度及相位失真，这种失真的特点是不产生新的频率分量。 非线性失真是指信号波形发生了畸变，并产生了新的频率分量的失真。 包括谐波失真、互调失真、瞬态失真等。 内部公开内部公开 倍频程倍频程oct ：为了方便，人们把2020000Hz

9、的声频范围分为几个段 落，划分的每一个具有一定频率范围的段落称做频带或频程。 将声频范围划分为这样的频带：使每一频带的上限频率比下限 频率高一倍，即频率之比为2，这样划分的每一个频程称1倍频 程，简称倍频程。为了简明，每个倍频程用其中心频率，fc来 表示： Fu 和fd，分别为该频程的上限和下限频率.如果在一个倍频程的上、下限频率之间再插入两个频率，使 4个频率之间的比值由小到大，依次排列。这样将一个倍频程划分为3个频程，称这种频程为13倍频程(1/3oct)，每一个 13倍频程也用其中心频率来表示。按照13倍频程的方法，可将声频范围分为更多的频带，便于较仔细地研究。按此规律划分可产生1/12

10、倍频程、1/24倍频程更为精细的频带划分。 标准倍频程（1oct）频点fc（单位Hz）： 63、125、250、500、1000、2000、4000、8000、16000 所以我们整个听觉频率范围可分成8个或24个频率带，分别为倍频程或1/3倍频程。 倍频程也符合人耳听觉特性，当声音的声压级不变而频率提高一倍时，听起来音调也提高一倍,高8度。 内部公开内部公开 2、声学测试基本仪器 1）人工耳：人工耳：声耦合器和测量声压用的已校准的传声器的组合体，在规定的频带内，其声阻抗与平均人耳的总声阻抗接近。 目前常用的主要有Type 1、Type3.2、Type 3.3、Type 3.4。 耳参考点耳参

11、考点(ERP): Ear Reference Point，在的耳道入口处定位的一点。 耳鼓参考点（DRP）:Drumhead Reference Point，在耳鼓膜处定位的一点。内部公开内部公开 Type1 Type3.2HighLeak Type3.2LowLeak Type1人工耳结构显示压力场MicMic前置放大器内部公开内部公开 Type3.2耳分为高低泄漏，多孔为高泄漏左侧为Type 3.3 软耳，右侧为Type 3.4 硬耳内部公开内部公开 2）人工嘴：人工嘴：装有扬声器的闭合容器，其发声的方向性和辐射图 形与平均人嘴讲话相似。 嘴参考点嘴参考点(MRP)：Mouth Refer

12、ence Point在人工嘴的唇位轴向 正前方25mm处的点。 3）校准器：校准器：对MIC及人工耳进行校准用，现在使用1000Hz10Pa 声压即114dB音源进行校准。常用的也有94dB声压级校准 器。 校准器内部公开内部公开 4）麦克风：麦克风：对声音进行采集并转化为电信号，根据方向性（指麦 克风对不同角度入射的声波的回应）可以分为自由场和压 力场MIC等，自由场可以测试自由空间声音（距离远声源 多）如环境噪音测试，压力场可以测试比较单一进距离声 音如管内声音。 B&K自由场MIC B&K压力场MIC内部公开内部公开 常用噪音计 5）噪音计：噪音计：主要进行声压级测量。内

13、部公开内部公开 支架测试装置(LRGP)人工嘴支架人工耳内部公开内部公开 LRGP：响度评定保换环位置，在音频测试中大 部分测试项目基本在这个位置进行测 试。此位置，人工嘴及人工耳位置固 定，不能变动。 只针对非免提状态情况下。内部公开内部公开 HATS 测试装置内部公开内部公开 二、 ACQUA系统测试应用 1、系统的特点 2、测试标准依据 3、测试所需工具及相关标准 4、系统连接及原理 5、测试设备校准 6、免提及耳机测试内部公开内部公开 1、系统的特点 1）应用方面： 德国HEAD的ACQUA电声测量分析系统的电声相关各方面功能强 大且完善，适于做研发的电声测试，而且已被信息产业部泰尔实

14、验室及威尔克实验室选用做电声入网测试指定使用设备。 ACQUA （Advanced Communication Quality Analysis） 2）功能方面： a：ACQUA系统可对电声进行测量、分析、研究。 b：ACQUA系统扩展功能强大，可在现有设备基础上导入标准 即可实现扩展； c：ACQUA软件是开放的，可以修改标准另制定企业标准；内部公开内部公开 d：数据库管理所有的测试项目、测试结果和测试标准，可以长 期备份，随时调用; e：ACQUA按设定的要求生成WORD文档报告，并可随时自已 定义报告格式； f： ACQUA主要通过软件实现操作； 内部公开内部公开 2、测试标准依据： 国

15、内行业主要标准：国内行业主要标准： GSM:GSM:YD/T 1214-2002 & YD/T 1215-2002 新的行业标准正在报批，把各种制式手机的音频标准 统一起来，其中包括了手柄终端、头带终端、手机免提终端、桌 面免提终端的音频性能要求。今年四月左右应该可以批准，但是如 果执行，可能要到年底左右。 国外主要相关标准：国外主要相关标准： GSM: GSM: 3GPP TS 51.010-1 V5.8.0(GSM 11.10) (2004-05) WCDMA: WCDMA: 3GPP TS 26.131 & 3GPP TS 26.132 CDMA: CDMA: 3GPP2

16、 C.S0056-0 (2005.7) CCITT:CCITT:P.501,P.51,P.57,P.58,P.64,P.76,P.79,P.313.内部公开内部公开 3、测试所需工具及相关标准仿真耳P.57仿真嘴P.51LRGPP.64HATSP.58仿真语音P.501 P.50信号源及信号分析系统内部公开内部公开 4、系统连接及原理 1）ACQUA DAI测试模式： 内部公开内部公开 DAI测试模式简单原理框图：内部公开内部公开 2）ACQUA RF模式：内部公开内部公开 采用RF方式进行音频测试,无需使用MFEIV数字前端; 电脑系统软件通过多串口卡的RS232串口对前端MFEII进行控制

17、; MFEII模拟前端使用IEC-2接口线与电脑数字声卡相连进行数字信号数据传输;MFEII Mouth Amp./Microphone 前置放大模块接口分别与人工嘴及人工耳进行连接,进行音频信号的发送与采集; MFEII通过Channel 2 output和Channel 1 input与CMU200 Speech接口相连进行MFEII 与CMU200之间的数据传输. 内部公开内部公开 RF测试模式简单原理框图：Cha 1 output Cha 2 inputCha 2 output Cha 1 input内部公开内部公开 内部公开内部公开 5、测试设备校准分为两类校准：电校准(electr

18、ic calibration)、声校准（acoustic calibration）.具体又分为: 1.声输入校准 (参考话筒及人工耳校准) 2.声输出校准 (嘴部均衡) 3.电输入校准 (CMU200 Decoder校准) 4.电输出校准 (CMU200 Encoder校准) 内部公开内部公开 内部公开内部公开 1）话筒校准 使用ACQUA校准：话筒与测试 话筒连接线相连并连接到MFE II(III) 上的PreAmplifier 模块上，话筒前端 插入校准器，打开校准器电源开关， 使用软件进行校准控制，校准后所 得值与校准参数值一般相差1dB 以内，只要保持稳定即可，也不可相差过大。 内部公

19、开内部公开 2）人工耳校准（Type1、Type3.2） 连接方式同话筒校准，只是把话筒换为人工耳，Type3.2 人工耳前端放置相应胶套，然后插入校准器。ACQUA软件 需要设置校准参数，设置根据不同耳型并参考校准器适配 器提供的校准器输出值计算得出（校准器输出值为114dBSPL, 则校准参数为校准器输出值减去94dB，即11494 20dBpa），校准后所得值与校准参数值相差1dB以内，只要保 持稳定即可，不可相差过大。（Type 3.2LL、 Type 3.2HL输 入校准参数时还需要考虑泄漏损耗，Type3.2LL 为2.4dB） 内部公开内部公开 3）人工嘴的均衡 校准话筒校准合格

20、后 可以对人工嘴进行校准，在校准话 筒上安装上话筒固定架并固定到人 工嘴上MRP位置（距人工嘴25mm 正中），关闭消音箱，在ACQUA系 统中打开Mouth Equalization，选择 Eq1后进行校准，测试得到的校准 曲线平直则判定合格，人头均衡选择Eq2。内部公开内部公开 4）ACQUA系统对综合测试仪CMU200的电性能进行校准，避免测试影响测试结果。 Decoder校准： 首先将手机与CMU200建立通信连接（CMU200在Network / Signalling Modes / Bit Stream /Handset Low模式下）； 设置CMU200连接控制 / Networ

21、k / Signalling Modes / Bit Stream / Decoder Cal ； 在ACQUA软件中选择Preparation/Input Calibration/Electrical /CMU200/ ，按照步骤进行校准。校准值一般为3.7dB左右，写入系统，测试时需根据项目调用。 内部公开内部公开 Encoder校准：操作类似于Decoder校准，需要设置CMU200 连接 控制 / Network / Signalling Modes / Bit Stream / Encoder Cal ； 测试完毕后把校准值(1dB左右)输入到ACQUA/ Settings /Mea

22、surement setting/inputoutput/Channel 2 GAIN 中，并进行保存。 内部公开内部公开 5） Reference Measurement： ACQUA系统还需要做这个系统的参考校准（Reference Measurement），检查系统整体测试效果，通过算法减小误差。 GSM测试，因标准中已经固化有Reference Measurement 参考值，所以GSM不需要进行此项测试。 WCDMA测试，需要进行此项测试，主要包括发送和接收方向测量。校准时需要短接与CMU连接的两个线缆，参考MIC放置于MRP位置。内部公开内部公开 内部公开内部公开 6、免提及耳机测

23、试 序号序号项目名称项目名称头戴终端头戴终端桌面免提终桌面免提终端端手持免提手持免提终端终端建议测试类型建议测试类型1 1发送灵敏度/频率响度 必测2 2发送响度评定值必测3 3接收灵敏度/频率响度必测4 4接收响度评定值必测接收响度评定值（最大音量）必测5 5侧音掩蔽评定值(SMTR)必测7 7发送失真必测8 8回波损耗/声学回声控制必测9 9接收失真可选1313空闲信道发送噪音必测1414空闲信道接收噪音可选1515环境噪音抑制可选内部公开内部公开 6、免提及耳机测试 1）免提测试 可以对手机在桌面免提、手持免提及车载免提模式下进行发送 及接收部分指标简单测试测试的主要指标包括发送频响及发

24、送 响度评定值，接收频响及接收响度评定值，已经回声方面测试 等。 测试可以采用HATS及分离式人工嘴及测试话筒 发送方向测试，距离设置为dHF。 接收方向测试，使用自由场MIC, MIC与手机相距dHF 免提测试距离在新标准中dHF进行要求，但是未最终确定。 国际标准中ITUP.340中测试距离要求为50cm内部公开内部公开 ACQUA ACQUA测试系统免提测试连接情况测试系统免提测试连接情况内部公开内部公开 AB机壳中心线测试桌前沿400mm400mm500mm300mmBAC仿真嘴、测量传声器或唇环的位置桌沿机壳投影轮廓线桌面 桌面免提测试配置情况桌面免提测试配置情况内部公开内部公开 手

25、持免提测试配置情况手持免提测试配置情况内部公开内部公开 免提发送方向测试内部公开内部公开 免提接收方向测试内部公开内部公开 2）耳机测试 对手机在使用耳机情况下进行发送及接收部分指标简单测试 。 测试的主要指标包括发送频响及发送响度评定值，接收频 响及接收响度评定值，及回波损耗（ECHO LOSS）。 主要测试连接基本同 手机连接，使耳机密 封于人工耳处（使用HATS 测试更为科学） 。内部公开内部公开 使用HATS进行耳机测试：详细内容见免提及耳机测试指导书及音频测试规范。内部公开内部公开 7、影响语音质量的因素内部公开内部公开 8、客观接收频响测试相同条件测试，结果的差异，3.4耳更能反映

26、实际的情况。内部公开内部公开 在使用3.4耳时，手机压到人工耳上的力也会影响测试结果， 一般在8N左右测量。内部公开内部公开 三、GSM、3G常用测试项目 1、GSM常用测试项目及分析 1）发送灵敏度/频率响应、接收灵敏度/频率相应 定义：定义：发送灵敏度：输出电平与输入声压（人工嘴处）之比。 接收灵敏度：输出声压（人工耳处）与输入电平之比。 目的：目的：主要检测输入输出声音在不同频率实现声电转化、电声 转化一致性是否符合人耳听觉要求，接收会受泄漏影响。 常见问题：常见问题：1、接收灵敏度频响曲线很难满足要求。 原因主要有：设计原理、安装工艺结构、原器件个体 差异大、批次不一致，调整的参数虽合

27、格但是临界等。 2、频响相差过大，感受不同，如低频泄漏过多，声音 低频部分不饱满，声音主要体现为高频部分稍有尖锐。内部公开内部公开 简单概括几项影响因素： SFR: 1、MIC的质量 2、手机机构件及安装问题 3、基带电路 RFR: 1、Receiver的质量 2、手机结构件及安装问题 3、手机receiver对准人工耳的位置 4、DAI与RF测试方式路径差异，结果稍有差别 5、基带电路内部公开内部公开 要求要求：接收灵敏度曲线需满足下边边框。内部公开内部公开 SLR&SFR内部公开内部公开 RLR&RFR内部公开内部公开 2）发送响度评定值、接收响度评定值 定义：定义：发送响

28、度评定(SLR)：指发送方向上经过人耳频率 响应特性加权后的绝对响度值。 接收响度评定(RLR)：指接收方向上经过人耳频率 响应特性加权后的绝对响度值。 目的：目的：主要检测发送与输出声音是否满足人听觉响度的要求。 问题：问题：1、SLR不符合要求，会引起对方通话声音过大 过小。值大则发送声音小，值小相反（增减增益调整） 2、RLR不符合要求，会感觉自己听到的通话声音 过大或国小。值大则接收小，值小相反。 要求：要求：SLR: 8+/-3 dB, RLR: 2+/-3dB.内部公开内部公开 内部公开内部公开 上图所显示的是SLR与RLR计算原理： 在上面图中，连接3 中IRS的发送部分被本地电

29、话系统的发送部分 所取代。调节中继部分衰减器的损耗值，使在连接3中接收端收听到的 响度与在IRS系统中衰减器为25dB损耗时的响度相同。如果x3 是在连 接3中调整后的损耗值，那么LTS的发送响度评定值(SLR) 即为(x2- x3) dB. RLR类似，即为(X2-X4) 计算公式 Wi=加权系数、Si=Fi处的发送灵敏度，测试采集14个频点SLR = - 10 m m ( log . ) 0 1 10 1 2 S i W i N N i 内部公开内部公开 3）侧音掩蔽评定值（STMR） 定义：定义：基于客观单音的测试，表示仿真嘴至仿真耳之间的通路 损耗.即仿真嘴处信号传入Mic处分量大小一

30、种表示方式。 目的：目的：这种测试表征说话者说话时对他本人话音的感受。 常见问题：常见问题：1、STMR数值过小会引起自己听到自己声音过大。 数值偏大，不会影响通话，会感觉通话空洞，或者 感觉本人说话声音比较小，会加大音量跟对方说话 。 2、改变发送、接收方向响度评定值都会对其 产生影响。 要求：要求：GSMGSM现在国内行业标准为现在国内行业标准为13/-5 dB，后续新标准有可能更 改为18/-5 dB，WCDMA现在使用18/-5 dB内部公开内部公开 内部公开内部公开 4）发送失真、接收失真： 定义：发送失真，定义：发送失真，发送通路上的信噪比，发送信号与总失真功率之比。通路包括Mic

31、输入端至 CMU200编解码器输出端。 接收失真，接收方向通路信噪比，通路包括CMU200编解码器输入端至receiver输出端。 目的：目的：发送、接收方向设备的线性度的测量，输入信号为10041025Hz 正弦信号，调整电信号（包括10个不同电平主要反映为信号强度大 小），各个电平均需要满足要求。 常见问题：常见问题：1、发送存在失真，声音有改变，存在噪音，与电流、发送存在失真，声音有改变，存在噪音，与电流 声也有关系。声也有关系。 可能由手机内部非线性器件引起失真，或相关发 送方向元件及干扰引起。内部公开内部公开 5）Echo Loss（回波损耗） 定义：定义：指语音编码器输入端和语音解

32、码器输出端的衰减 目的：目的： 测试收听者自己听到自己声音的程度。 常见问题：常见问题：1、通话时，对方听到他本人声音即回声 很大，对通话影响很大。 原因分析：1、MIC问题，灵敏度过高。 2、结构问题，如直板机Receiver声音很 容易传到MIC处。 3、其他相关电路或参数调整问题 要求：要求：一般要求40 dB以上内部公开内部公开 内部公开内部公开 6）空闲信道噪声（发送、接收） 定义：定义：安静环境下语音解码器输出、输入端的噪声电压。 目的：目的：无语音信号情况下所得发送、接收方向空闲信道噪音。 即通话但未说话情况下，所测得的信道噪音情况。 7）稳定度储备 定义：定义：指需在基准话音编

33、译码器的来去通路间插入多大增益时，回路会产生振荡。 8）与通话噪音、回音相关的部分项目 1）接收响度评定值（RLR），声音过大把噪音放大。 2）侧音掩蔽评定值（STMR）,数值过小使听到本方外部噪音大。 3）接收发送失真、空闲信道噪音 4）Echo Loss，主要体现为给对方造成回音问题。 5）射频噪声，即嗡嗡声，burst noise 217 HZ ，只是GSM制式会 有。内部公开内部公开 内部公开内部公开 9）GSM测试项目列表内部公开内部公开 2、WCDMA测试项目与测试要求 1）测试要求 a、测试设备要求 WCDMA测试可以使用LRGP（Loudness Rating Guardring Position ）即支架装置，也可以使用HATS (head and torso simulator）即头肩模拟器。 若使用支架装置需要使用Type 3.2 人工耳，高低泄漏均 可以使用。 若使用HATS装置需使用Type 3.3 和3.4 人工耳。 内部公开内部公开 b、使用标准要求 主要标准依据：主要标