音頻基礎及測試應用籍國興2006.11.30

音頻基礎及測試應用一、音頻基礎知識二、ACQUA系統測試應用三、音頻測試項目四、測試與注意事項音頻基礎及測試應用前言音頻測試主要是進行終端到終端的語音質量方面的測試，客觀有效的發現語音質量問題，通過量化的參數來反映問題，語音問題例如通話噪音、通話回音、通話失真和通話響度等等。對公司部分手機進行摸底檢測后，發現測試出的問題非常多，說明前期對音頻方面控制的不是很好，所以需要后續加強音頻方面的檢測，多暴露問題，研發及早進行改進，提高我們終端產品的通話語音質量。一、音頻基礎知識一、音頻基礎知識

1、聲學基本概念

2、聲學測試基本儀器

1、聲學基本概念

聲場：特定空間范圍內，任何一點上空氣密度的變化。可以分為自由聲場、擴散聲場、半自由聲場。

聲波：實質上就是振動在介質（如空氣）中的傳播。

一、音頻基礎知識

一個無限長且均勻的管子，安裝一個平面活塞，此活塞在一個周期力的作用下來回運動的情況。空氣會產生“稀疏”“稠密”狀態，向遠端運動這個疏密交替狀態的傳播，就形成了聲波。

聲功率：聲源在單位時間內所輻射的總的聲能量。

聲波頻率：單位，Hz。人耳能聽到的頻率：20Hz～20000Hz

人語音的頻率一般在幾十至4000Hz左右，唱歌則更高。頻率越高，則聲音的音調越高。

聲波傳播速度：344m/s（常溫），ｃ＝λ·ｆ

聲波長：

λ＝c/f一、音頻基礎知識

聲壓：由聲波引起，局部空氣產生稠密或稀疏，壓強的變化。即當前點的絕對氣壓減去恒定大氣壓。

１帕＝１牛頓/米2（制）１微巴＝１達因/厘米2(制）１微巴＝０．１帕１大氣壓＝1.0325×105Pa（常溫下）人類的耳朵能感應聲壓的范圍很大。正常的人耳能聽到最微弱的聲音叫做「聽覺域」，為20個μPa的壓力變化，即20×10E-6Pa("百萬分之二十巴斯卡")。另一方面，非常噪吵的情況能產生很大的壓力變化，例如一架太空穿梭機在發出最大馬力時能在近距離產生大約2,000Pa或2x10E+9μPa的噪音。如用巴斯卡(Pa)來表達聲音或噪音，我們須處理小至20，大至2,000,000,000的數字。明顯地，如用帕斯卡(Pa)來表達聲音或噪音會頗為不便。故引用對數來表示聲壓。

一、音頻基礎知識用對數標度來表達聲音和噪音還有另一優點：人類的聽覺反應是基於聲音的相對變化而非絕對的變化。對數標度正好能模仿人類耳朵對聲音的反應。

聲壓級（SPL）:用符號表示，其定義是：把某聲壓（有效值）與參考聲壓的比值，取以10為底的對數，再乘以20，結果以分貝表示。

pa，即以人耳剛能覺察的聲壓值作為參考值。人耳剛能覺察的聲壓級為０ｄB，聲壓每增加一倍，其聲壓級增加６ｄB；聲壓每增加10倍，聲壓級增加20ｄB.

（由于聲壓用Pa表示，相差倍數過大，難于表示，而且聲音響度基本與聲壓級有以上的對應的關系）

dBPa＝20lg（P/1Pa）

XdBPa=SPL-94dB

聲壓級與距離的關系（只作參考）：

ΔL=-20lg(r1/ro)(dB)

ro為參考距離距離增加一倍，聲壓級減小6dB

聲音通常以一個聲壓級值來描述。方法就是將所有倍頻程或1/3倍頻程所佔的部份加在一起，得出一個聲壓級。一、音頻基礎知識

為了對聲壓的大小數值，有一個感性的了解。一、音頻基礎知識

響度：是人耳對聲音響輕的主觀反應。響度與振幅有關，振幅越大，聲壓越大則響度也大。但人耳對不同頻率的聲波，聽覺靈敏度是不同的,對較低和較高的頻率相對于中頻稍微不敏感，對2－5KHZ

的聲音最敏感。

響度級：將一個聲音與1000HZ的純音作比較，當兩者聽感一樣響時，這個1000HZ純音的聲壓級數值就是該聲音的響度級。響度級的單位是Phon（方）。響度級相等，則聽感是一樣的。兩個響度級的聲音響度關系用Sone（宋）表示，Ln為響度級，40方為1宋，每增加10方，響度增加一倍。

一、音頻基礎知識聲級(A、B、C聲級)：主觀加權評價。

為了模擬人耳聽覺在不同的頻率有不同的靈敏度性,在聲級計內設有能夠模擬人耳的聽覺特性,把電信號修正為與人耳聽覺近似的的網絡,這就是計權網絡,通過計權網絡測得的聲壓值已經不再是客觀物理量的聲壓級(叫做線性聲壓級),而是經過聽感修正的聲壓級,叫做計權聲壓級或噪聲聲級.A聲級LA：40方曲線倒置加權，代表低聲級的響度感覺，近人耳：dB(A)；

B聲級LB：70方曲線倒置加權，代表中聲級的響度感覺，不常用：dB(B)C聲級LC：100方曲線倒置加權，代表高聲級的響度感覺，近線性：dB(C)一、音頻基礎知識一、音頻基礎知識

掩蔽：是兩個聲音同時呈現時，一個聲音因受到另一個聲音影響而減弱的現象。掩蔽效應：一個可聽聲由于其它聲音的干擾而使聽覺發生困難，前者必須增加強度才能重新聽到，這種閾限強度增加的過程和強度增加的量就叫聲音的掩蔽效應。要聽的聲音叫做被掩蔽音，干擾作用的聲音叫掩蔽音，影響掩蔽效果的有頻率、強度因素。

哈斯效應：指當兩個聲音發生時間超過50ms時，聽覺上感到有回聲，也叫優先效應。

三、音頻測試項目失真：是輸入信號與輸出信號在幅度比例關系、相位關系及波形形狀產生變化的現象。

主要包括線形失真和非線形失真。還有編解碼時會出現量化失真等。

線性失真是指信號頻率分量間幅度和相位關系的變化，僅出現波形的幅度及相位失真，這種失真的特點是不產生新的頻率分量。

非線性失真是指信號波形發生了畸變，并產生了新的頻率分量的失真。包括諧波失真、互調失真、瞬態失真等。

一、音頻基礎知識

倍頻程oct

：為了方便，人們把20—20000Hz的聲頻范圍分為幾個段落，劃分的每一個具有一定頻率范圍的段落稱做頻帶或頻程。將聲頻范圍劃分為這樣的頻帶：使每一頻帶的上限頻率比下限頻率高一倍，即頻率之比為2，這樣劃分的每一個頻程稱1倍頻程，簡稱倍頻程。為了簡明，每個倍頻程用其中心頻率，fc來表示：

Fu和fd，分別為該頻程的上限和下限頻率.如果在一個倍頻程的上、下限頻率之間再插入兩個頻率，使4個頻率之間的比值由小到大，依次排列。這樣將一個倍頻程劃分為3個頻程，稱這種頻程為1／3倍頻程(1/3oct)，每一個1／3倍頻程也用其中心頻率來表示。按照1／3倍頻程的方法，可將聲頻范圍分為更多的頻帶，便于較仔細地研究。按此規律劃分可產生1/12倍頻程、1/24倍頻程…更為精細的頻帶劃分。

標準倍頻程（1oct）頻點fc（單位Hz）：

63、125、250、500、1000、2000、4000、8000、16000

所以我們整個「聽覺頻率范圍」可分成8個或24個「頻率帶」，分別為倍頻程或1/3倍頻程。

倍頻程也符合人耳聽覺特性，當聲音的聲壓級不變而頻率提高一倍時，聽起來音調也提高一倍,高8度。

一、音頻基礎知識

2、聲學測試基本儀器

1）人工耳：聲耦合器和測量聲壓用的已校準的傳聲器的組合體，在規定的頻帶內，其聲阻抗與平均人耳的總聲阻抗接近。目前常用的主要有Type1、Type3.2、Type3.3、Type3.4。

耳參考點(ERP):EarReferencePoint，在的耳道入口處定位的一點。

耳鼓參考點（DRP）:DrumheadReferencePoint，在耳鼓膜處定位的一點。一、音頻基礎知識

Type1Type3.2HighLeakType3.2LowLeak

Type1人工耳結構顯示壓力場MicMic前置放大器一、音頻基礎知識Type3.2耳分為高低泄漏，多孔為高泄漏左側為Type3.3軟耳，右側為Type3.4硬耳一、音頻基礎知識

2）人工嘴：裝有揚聲器的閉合容器，其發聲的方向性和輻射圖形與平均人嘴講話相似。

嘴參考點(MRP)：MouthReferencePoint在人工嘴的唇位軸向正前方25mm處的點。

3）校準器：對MIC及人工耳進行校準用，現在使用1000Hz10Pa

聲壓即114dB音源進行校準。常用的也有94dB聲壓級校準器。

校準器一、音頻基礎知識

4）麥克風：對聲音進行采集并轉化為電信號，根據方向性（指麥克風對不同角度入射的聲波的回應）可以分為自由場和壓力場MIC等，自由場可以測試自由空間聲音（距離遠聲源多）如環境噪音測試，壓力場可以測試比較單一進距離聲音如管內聲音。

B&K自由場MICB&K壓力場MIC一、音頻基礎知識常用噪音計

5）噪音計：主要進行聲壓級測量。一、音頻基礎知識支架測試裝置(LRGP)人工嘴支架人工耳一、音頻基礎知識

LRGP：響度評定保換環位置，在音頻測試中大部分測試項目基本在這個位置進行測試。此位置，人工嘴及人工耳位置固定，不能變動。只針對非免提狀態情況下。一、音頻基礎知識HATS測試裝置二、ACQUA系統測試應用二、ACQUA系統測試應用

1、系統的特點

2、測試標準依據

3、測試所需工具及相關標準

4、系統連接及原理

5、測試設備校準

6、免提及耳機測試二、ACQUA系統測試應用

1、系統的特點

1）應用方面：德國HEAD的ACQUA電聲測量分析系統的電聲相關各方面功能強大且完善，適于做研發的電聲測試，而且已被信息產業部泰爾實驗室及威爾克實驗室選用做電聲入網測試指定使用設備。

ACQUA（AdvancedCommunicationQualityAnalysis）

2）功能方面：

a：ACQUA系統可對電聲進行測量、分析、研究。

b：ACQUA系統擴展功能強大，可在現有設備基礎上導入標準即可實現擴展；

c：ACQUA軟件是開放的，可以修改標準另制定企業標準；二、ACQUA系統測試應用

d：數據庫管理所有的測試項目、測試結果和測試標準，可以長期備份，隨時調用;e：ACQUA按設定的要求生成WORD文檔報告，并可隨時自已定義報告格式；

f：ACQUA主要通過軟件實現操作；

二、ACQUA系統測試應用2、測試標準依據：

國內行業主要標準：

GSM:YD/T1214-2002&YD/T1215-2002

新的行業標準正在報批，把各種制式手機的音頻標準統一起來，其中包括了手柄終端、頭帶終端、手機免提終端、桌面免提終端的音頻性能要求。今年四月左右應該可以批準，但是如果執行，可能要到年底左右。

國外主要相關標準：

GSM:3GPPTS51.010-1V5.8.0(GSM11.10)(2004-05)

WCDMA:3GPPTS26.131&3GPPTS26.132

CDMA:3GPP2C.S0056-0(2005.7)

CCITT:P.501,P.51,P.57,P.58,P.64,P.76,P.79,P.313….二、ACQUA系統測試應用3、測試所需工具及相關標準仿真耳—P.57仿真嘴—P.51LRGP—P.64HATS—P.58仿真語音—P.501P.50信號源及信號分析系統二、ACQUA系統測試應用4、系統連接及原理

1）ACQUADAI測試模式：

二、ACQUA系統測試應用DAI測試模式簡單原理框圖：二、ACQUA系統測試應用

2）ACQUARF模式：二、ACQUA系統測試應用

采用RF方式進行音頻測試,無需使用MFEIV數字前端;電腦系統軟件通過多串口卡的RS232串口對前端MFEII進行控制;MFEII模擬前端使用IEC-2接口線與電腦數字聲卡相連進行數字信號數據傳輸;MFEIIMouthAmp./Microphone前置放大模塊接口分別與人工嘴及人工耳進行連接,進行音頻信號的發送與采集;MFEII通過Channel2output和Channel1input與CMU200Speech接口相連進行MFEII與CMU200之間的數據傳輸.

二、ACQUA系統測試應用RF測試模式簡單原理框圖：Cha1outputCha2inputCha2outputCha1input二、ACQUA系統測試應用二、ACQUA系統測試應用

5、測試設備校準分為兩類校準：電校準(electriccalibration)、聲校準（acousticcalibration）.具體又分為:1.聲輸入校準(參考話筒及人工耳校準)2.聲輸出校準(嘴部均衡)3.電輸入校準(CMU200Decoder校準)4.電輸出校準(CMU200Encoder校準)

二、ACQUA系統測試應用二、ACQUA系統測試應用1）話筒校準使用ACQUA校準：話筒與測試話筒連接線相連并連接到MFEII(III)

上的PreAmplifier模塊上，話筒前端插入校準器，打開校準器電源開關，使用軟件進行校準控制，校準后所得值與校準參數值一般相差1dB

以內，只要保持穩定即可，也不可相差過大。

二、ACQUA系統測試應用

2）人工耳校準（Type1、Type3.2）連接方式同話筒校準，只是把話筒換為人工耳，Type3.2

人工耳前端放置相應膠套，然后插入校準器。ACQUA軟件需要設置校準參數，設置根據不同耳型并參考校準器適配

器提供的校準器輸出值計算得出（校準器輸出值為114dBSPL,

則校準參數為校準器輸出值減去94dB，即114－94＝

20dBpa），校準后所得值與校準參數值相差1dB以內，只要保持穩定即可，不可相差過大。（Type3.2LL、Type3.2HL輸入校準參數時還需要考慮泄漏損耗，Type3.2LL為2.4dB）

二、ACQUA系統測試應用

3）人工嘴的均衡校準話筒校準合格后可以對人工嘴進行校準，在校準話筒上安裝上話筒固定架并固定到人工嘴上MRP位置（距人工嘴25mm

正中），關閉消音箱，在ACQUA系統中打開MouthEqualization，選擇

Eq1后進行校準，測試得到的校準曲線平直則判定合格，人頭均衡選擇Eq2。二、ACQUA系統測試應用

4）ACQUA系統對綜合測試儀CMU200的電性能進行校準，避免測試影響測試結果。

Decoder校準：

首先將手機與CMU200建立通信連接（CMU200在Network/SignallingModes/BitStream/HandsetLow模式下）；設置CMU200連接控制/Network/SignallingModes/BitStream/DecoderCal；

在ACQUA軟件中選擇Preparation/InputCalibration/Electrical/CMU200/，按照步驟進行校準。校準值一般為3.7dB左右，寫入系統，測試時需根據項目調用。

二、ACQUA系統測試應用

Encoder校準：操作類似于Decoder校準，需要設置CMU200

連接控制/Network/SignallingModes/BitStream/

EncoderCal；

測試完畢后把校準值(1dB左右)輸入到ACQUA/Settings/Measurementsetting/input－output/Channel2GAIN

中，并進行保存。

二、ACQUA系統測試應用

5）ReferenceMeasurement：

ACQUA系統還需要做這個系統的參考校準（ReferenceMeasurement），檢查系統整體測試效果，通過算法減小誤差。

GSM測試，因標準中已經固化有ReferenceMeasurement參考值，所以GSM不需要進行此項測試。

WCDMA測試，需要進行此項測試，主要包括發送和接收方向測量。校準時需要短接與CMU連接的兩個線纜，參考MIC放置于MRP位置。二、ACQUA系統測試應用二、ACQUA系統測試應用6、免提及耳機測試

序號項目名稱頭戴終端桌面免提終端手持免提終端建議測試類型1發送靈敏度/頻率響度√√√必測2發送響度評定值√√√必測3接收靈敏度/頻率響度√√√必測4接收響度評定值√√√必測接收響度評定值（最大音量）√√√必測5側音掩蔽評定值(SMTR)√必測7發送失真√√√必測8回波損耗/聲學回聲控制√√√必測9接收失真√√√可選13空閑信道發送噪音√必測14空閑信道接收噪音√可選15環境噪音抑制√可選二、ACQUA系統測試應用6、免提及耳機測試

1）免提測試可以對手機在桌面免提、手持免提及車載免提模式下進行發送及接收部分指標簡單測試測試的主要指標包括發送頻響及發送響度評定值，接收頻響及接收響度評定值，已經回聲方面測試等。測試可以采用HATS及分離式人工嘴及測試話筒發送方向測試，距離設置為dHF。

接收方向測試，使用自由場MIC,MIC與手機相距dHF

免提測試距離在新標準中dHF進行要求，但是未最終確定。國際標準中ITUP.340中測試距離要求為50cm二、ACQUA系統測試應用

ACQUA測試系統免提測試連接情況二、ACQUA系統測試應用桌面免提測試配置情況二、ACQUA系統測試應用手持免提測試配置情況二、ACQUA系統測試應用免提發送方向測試二、ACQUA系統測試應用

免提接收方向測試二、ACQUA系統測試應用

2）耳機測試對手機在使用耳機情況下進行發送及接收部分指標簡單測試。測試的主要指標包括發送頻響及發送響度評定值，接收頻響及接收響度評定值，及回波損耗（ECHOLOSS）。

主要測試連接基本同

手機連接，使耳機密封于人工耳處（使用HATS

測試更為科學）。二、ACQUA系統測試應用使用HATS進行耳機測試：詳細內容見免提及耳機測試指導書及音頻測試規范。二、ACQUA系統測試應用7、影響語音質量的因素二、ACQUA系統測試應用8、客觀接收頻響測試相同條件測試，結果的差異，3.4耳更能反映實際的情況。二、ACQUA系統測試應用

在使用3.4耳時，手機壓到人工耳上的力也會影響測試結果，一般在8N左右測量。三、音頻測試項目三、GSM、3G常用測試項目

1、GSM常用測試項目及分析

1）發送靈敏度/頻率響應、接收靈敏度/頻率相應

定義：發送靈敏度：輸出電平與輸入聲壓（人工嘴處）之比。接收靈敏度：輸出聲壓（人工耳處）與輸入電平之比。

目的：主要檢測輸入輸出聲音在不同頻率實現聲電轉化、電聲轉化一致性是否符合人耳聽覺要求，接收會受泄漏影響。

常見問題：1、接收靈敏度頻響曲線很難滿足要求。

原因主要有：設計原理、安裝工藝結構、原器件個體差異大、批次不一致，調整的參數雖合格但是臨界等。

2、頻響相差過大，感受不同，如低頻泄漏過多，聲音低頻部分不飽滿，聲音主要體現為高頻部分稍有尖銳。三、音頻測試項目

簡單概括幾項影響因素：

SFR:1、MIC的質量

2、手機機構件及安裝問題

3、基帶電路

RFR:1、Receiver的質量

2、手機結構件及安裝問題

3、手機receiver對準人工耳的位置

4、DAI與RF測試方式路徑差異，結果稍有差別

5、基帶電路三、音頻測試項目

要求：接收靈敏度曲線需滿足下邊邊框。三、音頻測試項目SLR&SFR三、音頻測試項目RLR&RFR三、音頻測試項目

2）發送響度評定值、接收響度評定值

定義：發送響度評定(SLR)：指發送方向上經過人耳頻率響應特性加權后的絕對響度值。接收響度評定(RLR)：指接收方向上經過人耳頻率響應特性加權后的絕對響度值。

目的：主要檢測發送與輸出聲音是否滿足人聽覺響度的要求。

問題：1、SLR不符合要求，會引起對方通話聲音過大過小。值大則發送聲音小，值小相反（增減增益調整）

2、RLR不符合要求，會感覺自己聽到的通話聲音過大或國小。值大則接收小，值小相反。

要求：SLR:8+/-3dB,RLR:2+/-3dB.三、音頻測試項目三、音頻測試項目上圖所顯示的是SLR與RLR計算原理：在上面圖中，連接3中IRS的發送部分被本地電話系統的發送部分所取代。調節中繼部分衰減器的損耗值，使在連接3中接收端收聽到的響度與在IRS系統中衰減器為25dB損耗時的響度相同。如果x3是在連接3中調整后的損耗值，那么LTS的發送響度評定值(SLR)即為(x2-x3)dB.RLR類似，即為(X2-X4)

計算公式

Wi=加權系數、Si=Fi處的發送靈敏度，測試采集14個頻點∑三、音頻測試項目

3）側音掩蔽評定值（STMR）

定義：基于客觀單音的測試，表示仿真嘴至仿真耳之間的通路損耗.即仿真嘴處信號傳入Mic處分量大小一種表示方式。

目的：這種測試表征說話者說話時對他本人話音的感受。

常見問題：1、STMR數值過小會引起自己聽到自己聲音過大。數值偏大，不會影響通話，會感覺通話空洞，或者感覺本人說話聲音比較小，會加大音量跟對方說話。

2、改變發送、接收方向響度評定值都會對其

產生影響。

要求：GSM現在國內行業標準為13＋/-5dB，后續新標準有可能更改為18＋/-5dB，WCDMA現在使用18＋/-5dB三、音頻測試項目三、音頻測試項目

4）發送失真、接收失真：定義：發送失真，發送通路上的信噪比，發送信號與總失真功率之比。通路包括Mic輸入端至CMU200編解碼器輸出端。

接收失真，接收方向通路信噪比，通路包括CMU200編解碼器輸入端至receiver輸出端。

目的：發送、接收方向設備的線性度的測量，輸入信號為1004～1025Hz

正弦信號，調整電信號（包括10個不同電平主要反映為信號強度大小），各個電平均需要滿足要求。

常見問題：1、發送存在失真，聲音有改變，存在噪音，與電流聲也有關系。可能由手機內部非線性器件引起失真，或相關發送方向元件及干擾引起。三、音頻測試項目

5）EchoLoss（回波損耗）

定義：指語音編碼器輸入端和語音解碼器輸出端的衰減

目的：測試收聽者自己聽到自己聲音的程度。

常見問題：1、通話時，對方聽到他本人聲音即回聲很大，對通話影響很大。原因分析：1、MIC問題，靈敏度過高。

2、結構問題，如直板機Receiver聲音很容易傳到MIC處。

3、其他相關電路或參數調整問題

要求：一般要求40dB以上三、音頻測試項目

三、音頻測試項目

6）空閑信道噪聲（發送、接收）定義：安靜環境下語音解碼器輸出、輸入端的噪聲電壓。

目的：無語音信號情況下所得發送、接收方向空閑信道噪音。即通話但未說話情況下，所測得的信道噪音情況。

7）穩定度儲備定義：指需在基準話音編譯碼器的來去通路間插入多大增益時，回路會產生振蕩。

8）與通話噪音、回音相關的部分項目

1）接收響度評定值（RLR），聲音過大把噪音放大。

2）側音掩蔽評定值（STMR）,數值過小使聽到本方外部噪音大。

3）接收發送失真、空閑信道噪音

4）EchoLoss，主要體現為給對方造成回音問題。

5）射頻噪聲，即嗡嗡聲，burstnoise217HZ，只是GSM制式會有。三、音頻測試項目

三、音頻測試項目

9）GSM測試項目列表三、音頻測試項目

2、WCDMA測試項目與測試要求

1）測試要求

a、測試設備要求

WCDMA測試可以使用LRGP（LoudnessRatingGuardringPosition）即支架裝置，也可以使用HATS(headandtorsosimulator）即頭肩模擬器。若使用支架裝置需要使用Type3.2人工耳，高低泄漏均可以使用。若使用HATS裝置需使用Type3.3和3.4人工耳。

三、音頻測試項目

b、使用標準要求

主要標準依據：

3GPPTS26.131&3GPPTS26.132

參考標準：CCITT:P.501,P.51,P.57,P.58,P.64,P.76,P.79….