高畫質電視（high-definition TV，HDTV）正經由下一代的系統單晶片（system-on-chip，SoC）平臺，而橫掃市場，這是一個眾所皆知的趨勢。用於機頂盒、電視機、硬碟播放器（disk player），以及不久的將來的行動媒體播放器等器件所採用的SoC都將具備HD的能力。但此一發展的另一面卻未被大家所注意到，這就是音頻的品質。
高解析度音頻的問題不僅只是在電路設計中。事實上，類比IC設計者一直在提供一些DAC和放大器產品，它們的性能顯然優於分立元件黃金時代的任何產品。問題是在於特性描述（characterization）與測試。就像很多類比設計工程師以及音響玩家如同講道般喋喋不休所說的那樣，即使在特性描述平臺上，高階音頻的品質也非常難於量化表示，並且幾乎不可能在製造測試環境中進行驗證。SoC設計工程師現正與有經驗的類比IC設計者一起評估這種挑戰。
問題是什麼？
新的測試與測量挑戰來自於兩種勢力的融合。一個是前面提到過的，數位位元串流（digital bit stream）提供高品質音頻的能力越來越強。更準確地說，品質逐漸提高的聲源素材已不是問題。人們總是可以將一個良好的位元串流轉換成中等的音頻信號。問題是消費者的期望在提高。當數位音頻還只是MP3位元串流，或類似有損（lossy）音源的音頻時，編解碼器潛在的問題，讓它不需要注意類比電路。使用者會把可攜式磁帶播放器和CD播放器拿來與MP3播放器比較，判斷MP3播放器的效果，多數情況下，後者的音質會更差。
美國國家半導體音頻產品行銷總監Gary Adrig表示：“事實上，高性能耳機的出現是帶動對MP3播放器輸出品質要求的主要推動力量，而不是音源。隨著耳機的進步，我們看到一些過去要求不高的客戶現在要求信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）要為100-Db，而總諧波失真（total harmonic distortion，THD）要為0.05%。”
當內容供應商開始轉向更低壓縮率（因而有更高的位元率）時，晶片設計者就不得不轉向更寬的資料路徑和更好的DAC，才能使硬體的雜訊背景低於解碼音源所固有的雜訊水準。除了MP3的限制以外，市場的競爭也證明了消費者對聲音品質的鑒別能力也愈來愈高。
隨著音軌（audio track）從過去的16位元、44.1k採樣/秒的CD品質上升到高於24位元、192k採樣/秒的DVD Audio之品質，新型HD媒體也因而加快發展的腳步。這種性能無疑會使高階設備的購買者質疑其所聽到的聲音品質。德州儀器公司的行銷經理Kevin Belnap說：“我們早已身處在家庭劇院的市場。一旦我們達到了最低的雜訊與諧波失真水準時，就會遇到一大堆聆聽者偏好問題，如音場和全真空管聲音（whole vacuum-tube-sound）等情況就會出現。”
但那些吹毛求疵的耳朵還不止如此。機頂盒和轉換盒、高畫質電視機，甚至手機的使用者都要求聲音要遠好於原來所聽到的。一位專業音頻開發人員的經驗可以說明這種發展的原因。Morten Lave是一家錄音室監聽音箱開發商TC Applied Technologies的首席執行長，他以自己對MP3的使用經驗為例指出：“我有一台iPod，於是我決定把一些音樂放進去。我全用預設的設定，結果卻很糟糕，打擊樂器的聲音很可怕。於是我把位元率提高到192kHz。現在聲音品質接近到在iPod上用廉價耳機的效果，但是，如果我把它接到家中的音響系統上，我仍然能清楚地聽到壓縮的效果。”有了新型的無損資料（lossless-data）類型後，電子設備不再受制於MP3壓縮的限制。它們本身就成為了問題。
這種對音頻品質增長的需求，其本身是可以控制的。機頂盒和電視市場（其中的空間和成本還不是主要因素）上的大多數SoC供應商現在只為外部類比晶片或晶片組提供一個數位輸出。這樣就將特性描述與測試問題轉嫁到類比世界的公司，它們更熟悉這些問題。但是兩種融合力量中的第二種力量正逐漸地把這個SoC設計小組的漏洞封閉起來。這個力量就是整合化。
正如一家SoC供應商所說的，市場上對更高整合度有著普遍的需求，迫使SoC供應商將DAC（以後還有小型的功率放大器）放進主要的晶粒（die）之內。這種方案不但又提出了曾廣泛討論的多雜訊、低電壓數位CMOS環境中的精密類比設計問題，而且還把特性描述與測試問題扔給了SoC小組。
Belnap表示：“我們已經看到了整合會帶來的問題。早期MP3播放器的製造商試圖在自己的晶片中整合進一個脈衝寬度調變處理器和DAC，但品質無法達到那個程度。現在，隨著HD DVD或藍光逐步整合到家用接收機中，我們正在討論更富挑戰性的整合，以及一個全新水準的聲音品質。”
高品質音頻輸出
工程師可以用以下的方法來預估下一波SoC特性描述的問題，也就是說，將SoC設計工程師通常用於描述類比輸出特性的方式與高階音頻市場上的新興技術進行比較。這種比較將在相當程度上影響SoC設計工程師的工作。直到最近，SoC特性描述一直集中在音頻問題的數位面。這時，標準化組織很願意介入來提供幫助，提供源位元串流（source bit streams）來刺激用於結果比較的數位輸入和基準。在有損壓縮（lossy-compression）系統情況下，這些基準是用來定義可接受輸出範圍的包絡（envelope）。
德州儀器公司軟體架構經理Matthew Watson說：“這是在十年前，從先進電視系統委員會（Advanced Television Systems Committee，ATSC）的Dolby Digital和DVD視頻標準開始的。它們為精密音頻測試設備提供了結果圖（results plot），因此你可以執行THD、SNR和頻譜圖，來看看是否符合標準。”
在所有提供這種特性支援的組織中，最有名的就是Dolby，當然這是因為它自己的編解碼矽智財權（intellectual property，IP），但Watson認為，像THX這種第三方組織也很積極。對於CD這類無損音頻格式，不需要提供包絡，特性描述工程師就可以對輸出位元串流與一個基準位元串流進行比較，而標準化組織可以堅持位元串流精確的輸出。Watson說：“數位輸出的品質現在高於類比的能力，當我們滿足了外部標準時，我們的工作基本上就完成了。客戶理解測試步驟的嚴格性，並且他們也接受了這些結果。”
但在DAC這一邊，情況卻有很大的不同。多數晶片的架構都避免來自SoC的類比輸出，大部分是因為電路設計和矽晶片面積問題，而不是測試問題。當晶片架構整合了類比音頻時，品質期望通常會降低，特性描述也有點馬虎，例如，檢查在零和滿量程數位輸入時的類比輸出，以驗證偏移和電壓擺幅，也許還看了一下輸出波形。
但情況正在改變。隨著音頻逐步進入數量稀少的高檔玩家空間，特性描述也在變化，不僅更加嚴格，並且也更與客戶相關。高階音頻晶片供應商Wolfson Microelectronics的行銷副總裁Julian Hayes表示：“在高階，每個人對於的品質重要性都有不同的觀點。這使得特性描述的步驟劇增。”特性描述也變得更加困難。
類比輸出
有經驗的精密類比電路供應商將特性描述問題分解成一系列相關的問題。我們應測量什麼？我們如何完成測量以及測量環境如何？我們要進行多少測量？而且，在高階音頻的情況下，在過程的結尾還隱約會出現另一個問題：多少測量可以給我們正確的答案？這些問題都不是一般的，因為特性描述的目標不是確定輸出的電氣性能，而是預測聆聽體驗。這是一個極其嚴峻的挑戰。
僅如何測量的問題就已導致了很多爭論。對不關心品質的音頻，功能性測量就已足夠。對於使用廉價耳機的普通聽眾，頻率回應、THD和某種雜訊測量一般就足以確定一個音頻部分的聲音品質。這些測試從高傳真的早期歲月流傳至今，現在仍然是測試的出發點。而且工程師相當幸運，這些測試都很好地放在一個單一的自動化工具箱內。
剛被Nvidia併購的PortalPlayer部門之行銷與業務發展總監Philippe Mora說：“現在每個人都有一個Audio Precision盒。”這些年來，Audio Precision已經將信號產生與擷取和分析和PC控制結合在一起，成為音頻特性描述的一個事實標準。透過硬體與預編碼的測量序列腳本之結合，Audio Precision不僅能夠自動完成傳統音頻測量，而且還可以實現很多第三方標準化組織要求的步驟。
沒有人質疑Audio Precision系統提供精確測量的能力，即使是在24位元資料和192kHz採樣速率的極端情況下也是如此。但有些設計者也警告說，Audio Precision設備只是答案的一部分。美國國家半導體公司音頻應用總監Jeff Bridges說：“AP是我們用於音頻輸出的主要特性描述工具。但對特殊測試，我們也採用其他測量設備，通常是現成的工具，如網路分析儀或頻譜分析儀。”這種方案有種使特性描述平臺成為一個瘋狂科學家的傾向（圖1）。但也意味著在特性描述過程中要採用很多手動步驟。
Wolfson首席技術長Peter Frith暗示說：“我們現在所看到的業界特性描述步驟範圍已相當令人吃驚。你看到有些人將輸入設為零，然後在輸出接一個伏特計測量雜訊，然後用一台示波器從滿量程正弦波測量動態範圍。其他參數更傳統：THD、SNR和動態範圍。但對我們的市場而言，這只是開始。”特性描述還必須包括與系統相關的問題。其中特別是電源雜訊抑制，當類比輸出來自一顆有相當數位成份的晶片，並且晶片有很多種運行模式時，甚至難於確定電源本身的雜訊抑制。但它對聲音品質卻很重要。
SoC是帶有類比輸出的數位器件，這一事實還帶來了其他類型的特性描述問題。Wolfson的Hayes說：“早年對類比輸出的按鍵噪音和爆音沒有產業標準。同樣地，當系統經過數位增益的各個電平時也會產生所謂zipper雜訊，這對音頻世界也是種新鮮的事物。由於這些雜訊的來源都與特定的使用者動作有關，因此決不會出現在傳統的特性描述中。但如果你用高性能耳機，這些雜訊就很令人厭煩，甚至是有害的。所以，我們必須為它開發特性描述測試。”
無法識別
還有一個嚴重問題。TI的Belnap承認：“可以有這樣的事，即放大器測量正常，但聲音很糟。”這點與很多工程師的想法並不相同，他們想的是高階音響玩家們的妄想型行為，如為黑膠唱片去磁（demagnetize），以及使用手工編織的鍍金音箱纜線。我們得承認人類的耳朵十分靈敏，沒有一種測試方式能夠預測有經驗聽眾聆聽某個DAC、放大器和音箱組合時的感受。
這種現實的情況也衝擊到高階音頻IC供應商。美國國家半導體公司的Bridges表示：“在我們的高性能市場上，過去一般是提供樣品和規格表，告知客戶資料。但最近，越來越多的客戶開始不要規格表，而是要求我們提供一個可用的參考設計。他們直接拿到自己的音響室，開始聆聽。在今天的高階市場，品質是晶片聲音的決定因素。”
這種情況也帶來了一些明顯的問題。首先，設計者用於特性描述的設備經常不足以代表一個真實的聆聽環境。Bridges注意到：“幾乎所有人都在阻性負載上做自己的資料表。”但是，只有非常穩定的放大器，其阻性負載的性能才接近於一個動態、反應性的負載（如音箱）。事實上，TC Applied Technologies的Lave就建議，至少對D類和全數位放大器，控制揚聲器紙盆的問題（或紙盆表面的聲壓級）是與揚聲器充分相關的，主動式音箱（帶有內建放大器）將在業內擁有主導的地位。
問題還不止如此。與有經驗聽眾的互動經常會發現無法完美測量的聆聽問題，如果你知道要尋找的目標（參見位於網站上的附文“可以測量嗎？”）。對於那些持聲音完全無理性觀點的聽眾而言，其觀察不僅是盲測（blind test）中的可再現性，也是測量中實際揭示內容的可回溯性。這些經驗都更增加了特性描述過程的複雜性。
結果，特性描述過程趨向於提供一種聽者開始將其與某個製造商關聯的“聲音”。在有些情況下，供應商努力使聲音變乾（dry），或更中性。TI的高級應用工程師Fred Shipley說：“我們尋求乾的聲音，盡可能地與價格點一致。這樣，我們的客戶就可以利用自己的數位信號處理和板級類比設計，創造出有他們自己特性的聲音，而不必與我們一起工作。”Shipley補充說，為這種TI乾的聲音進行晶片特性描述的過程中，有相當一部分的時間是花在試聽室中，即由公司的金耳朵們來評估TI參考設計中的晶片。
當SoC是板級設計時，最後聲音的責任就落在晶片設計者的身上。並且聲音更多是考慮到市場因素，而不是規格因素。PortalPlayer的Mora注意到：“你還需要經驗性測試（empirical testing）。對聽眾來說，‘正確’的聲音還有賴於他們的文化和聆聽習慣。例如，整體來說，亞洲市場傾向於偏好加強頻譜中的高頻部分。歐洲則認為平坦的頻響和較高的音量更加自然。”
因此到最後，特性描述究竟是定量還是定性？Audio Precision主席兼共同創始人Bruce Hofer說：“我兩邊都支持。一方面，可以有能聽到但普通特性描述過程無法表示的事情。例如，PC音效卡。傳統測量可能說明了一片音效卡的性能出眾，但當PC很忙時，軟體會跟不上，造成非常明顯的一次中斷。另一方面，我確實相信，如果能聽到什麼東西，我們就應能測量到它。”
製造測試
如果特性描述是這麼一種複雜的問題，SoC世界中的製造測試就可能是一場惡夢。LSI Logic的工程人員Marcel Tromp解釋說：“這裡主要的問題是你要試圖保證一個部件的品質，而你總共只有5.5秒的測試時間。”總時間預算尚不足以完成特性描述平臺上例行的幾項獨立測試，更不用說對類比輸出的徹底測試了。一顆家庭劇院的SoC可能有十幾個輸出。還有個問題是現實的製造測試環境，以及客戶測試要求的變動。Wolfson的Frith指出：“有些客戶幾乎忽視了晶片提供出色聲音品質的能力，只要輸出正常工作，其他他們就漠不關心了。也有其他一些人，如日本的系統製造商和汽車產業，他們什麼都測。”Hayes補充說：“我們有些客戶只在生產線末端放一台示波器，還有些客戶則用Audio Precision盒把進廠的晶片全測一遍。”
單只是執行製造測試正逐漸成為一種挑戰（圖2）。Frith表示，測試一個24位元、192k採樣音源的類比信號，就要用最好的Teradyne混合信號測試儀，率涉到能測的所有動態範圍（更有挑戰性的是所有雜訊極限）。少量大動態範圍信號意味著工程師將順序地測試類比輸出，而不是採用並行方式。但即使這樣，這也可能是最嚴重的問題。Hofer說：“在這一等級上，研發部門傾向於設定整體測試環境。但這在今天第三方測試室中變得很困難，因為距離和文化都是障礙。在中國，我看到很多設備上都找不到用於測試系統實際接地的第三根線。”這對於在最佳情況下也有很高電子雜訊的環境無疑是非常可怕的。
測試是藝術
於是測試設計成為一門藝術。特性描述工程師必須與測試工程師一起尋找最少測試數量（實際的測試設備有在預定時間內完成工作的能力），這樣才存在晶片滿足客戶預期的最大可能性。只有經驗（對於音頻的深厚知識）以及好運才能實現這個目標。LSI的Tromp說：“確定一組量化測試本身正成為一項技術性的工作。你怎麼樣把好的和壞的非量化概念帶入工程世界？對視頻也有相同的問題，那時的終極裁判是觀眾。但至少在視頻時，如果有什麼東西看起來不對，你就可以停在該幀進行檢查。”
不過，還是有一些來自專家的提示。Hofer聲稱：“測試問題主要來自佈線和接入（accessibility）。接入是關鍵。例如，如果你有一個片上DAC，你需要能夠接近它的兩側。否則，你只是測量了端至端的子系統，而不知道裡面發生了什麼。”
這個問題使得接近性成為高階音頻的一個關鍵技巧。工程師需要引出SoC的測試點。但佈放這些測試信號就如同佈放實際類比輸出一樣關鍵，否則資料也幾乎是沒有用的。當你用110dB動態範圍進行測量時，串擾、有高雜訊背景的類比多工器，以及其他看似不重要的事情都可以摧毀一個類比結點的可視性。
有意思的是，數位自檢（digital self-test）的概念在這裡可能也很重要：即與功能測試相對的結構測試（structural test）。假定沒有足夠的時間來完整地測試一個精密音頻輸出的功能，設計者必須知道可能的失效方式，在設計晶片時幫助檢查之。TI公司D類放大器的Shipley說：“我們很幸運，自己的員工在第二階濾波器前一直是用數位的（圖3）。但即使如此，我們也要根據自己的理解，將類比信號所發生的事情與數位架構關聯起來。測試器測出裸晶上的開關波形（switching waveform），你必須能夠知道它如何影響客戶的聽覺。”
最後，可測試性製造過程成為SoC設計工程師和測試系統之間的一個協同工作。用測試系統完成一些特定測試，並且找到該晶片驅動一對耳機或Brand X的D類放大器的方法。這不是一個小的挑戰，但試聽室裡有高階音頻品質的終極裁判，SoC設計和測試工程師都必須直接面對此一挑戰。
讀者可以在以下網站查詢到更多與本文相關的資訊。
Audio Precision: www.ap.com
Dolby: www.dolby.com
LSI Logic: www.lsil.com
National Semiconductor: www.national.com
Nvidia: www.nvidia.com
TC Applied Technologies: www.tctechnologies.tc
Teradyne: www.teradyne.com
Texas Instruments: www.ti.com
THX: www.thx.com
Wolfson Microelectronics: www.wolfsonmicro.com
附文：
可以測量嗎？
一個訓練有素的聆聽者可以聽出很多種人造的聲音，它對傳統的音頻特性描述過程是完全透明的，這是音頻工程師的不幸。也許有些例子可以解釋這些微妙之處，設計者必須在試聽室和特性平臺之間做出抉擇。
一種是Wolfson的發展。平臺測試表示一款器件很出色，它有很寬的動態範圍和低失真。但聆聽者卻說音場不準確。進一步的研究顯示，問題的原因來自於有限脈衝回應（finite-impulse-response，FIR）濾波的數位濾波器演算法。最常用的演算法可在頻率域中完成精準的工作，工程師在頻域中檢查頻率回應。然而，時域中對脈衝回應的觀測顯示，回應定位於脈衝的中心（而不是軌上）。換句話說，發生了前振鈴（prering）。這種結果干擾到了人類耳朵跟蹤音箱間聲音空間關係的方法。結果是需要一種新的FIR演算法。
在另一個例子中，高精密DAC的擾碼演算法（scrambling algorithm）在迴圈中出問題，造成隨機（因此聽不見的）尖峰，組成可聽到的重複序列。傳統特性描述不能揭示這種問題，但對一個長資料序列的精心線性測試則能做到。
你甚至還必須遵重那些難以置信的試聽室結果。這一領域特別敏感，因為很多工程師認為，一些聆聽者聲稱聽到的東西要麼無法重複，要麼不存在。但是，只因為看似怪異而否定一個聆聽結果也是輕率的做法。
TC Applied Technologies的首席執行長Morten Lave提供了下面這樣的一個例子：一個聆聽測試比較了CD播放器、放大器和音箱組合的音頻品質，使用RCA插頭類比互連方式，以及一個經過光纖的索尼/飛利浦數位介面（Sony/Philips-digital-interface，S/PDIF）。聆聽者報告說，類比連接的聲音品質較好。測試報告推論，這一發現是類比聲優於數位聲音的另一項佐證。Lave開始忽略了這個結果。
但經過仔細檢查，他發現研究者進行了一次盲測，此時聆聽者並不知道他們正在聽的是什麼系統，而結果還是一樣。因此，工程師進一步研究發現，在S/PDIF光纖鏈結的光換能器上升和下降時間上存在著可以測量的差異。這種差異造成了與資料有關的抖動，而在DAC的另一端就成了可聽到的成份。Lave說：“我信任盲測，但它並不總是能夠說明問題。”
Illustrations:
Figure 1
Figure 2
Figure 3
