CN110442989B - 一种失真动态范围性能指标的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种失真动态范围性能指标的计算方法，涉及音频系统测试测量技术领域。该方法将指定频率和指定幅度的正弦测试信号输入待测设备；对待测设备的输出结果进行预处理和FFT分析得到频谱图；在该频谱图中，设定一个平行于X轴的辅助参考线在输入测试信号频率位置对应的最高幅度按指定步长移动到噪声的最低幅度；每次移动后，过滤出频谱中的杂散和谐波成分中幅度大于等于该参考线的部分；计算测试输出基波信号频谱成分与被过滤出的成分功率之比作为失真率；计算测试输出基波信号对应的最高幅度与参考线之间的Y轴距离作为该失真率下的失真动态范围。本发明方法计算复杂度低，分辨率可调节，可以方便的集成在频谱分析仪等设备中。

Description

一种失真动态范围性能指标的计算方法

技术领域

本发明涉及音频系统测试测量技术领域，尤其涉及一种失真动态范围性能指标的计算方法。

背景技术

动态范围是射频、通信和音频等领域的重要性能指标之一。在音频方面，动态范围可以表示设备能够处理的最大和最小声音之间的差异，也可以表示音频信号的最大和最小声音之间的差异。动态范围首次在音频工程学会(AES)的“数字音频工程测量数字音频设备的标准方法”中被描述为“在音乐表演中出现的峰值瞬时声级与添加到节目源的白噪声的可听阈值之间的比值”。

动态范围测量方法在AES17-1998中首次被正式描述，在AES17-2015中，动态范围测试方法被描述为“测试信号为997Hz正弦波，相对于最大输入电平为-60dB。EUT(待测设备)的输出用中心频率设为997Hz的标准低通滤波器和标准陷波滤波器进行滤波，标准陷波滤波器的输出用标准加权滤波器进行滤波。测量最终滤波器输出的均方根电平，动态范围为最大输出电平与所测电平之比，用dB CCIR-RMS的形式来显示。”类似的方法也出现在IEC和EIAJ标准以及联邦机构的指导文件中。动态范围测量方法在测试信号频率，幅度方面在不同的标准中不同。AES标准采用997Hz信号，IEC和EIAJ标准采用1kHz信号；幅度方面，AES、IEC和EIAJ标准均为-60dBFS，以避免谐波失真。联邦机构文件采用AES标准，不同的是其提出了-40dBFS信号输入，因为-60dBFS很难实现。

无杂散动态范围在IEEE Std 1241-2010标准文件中，被定义为“以指定振幅和频率输入的纯正弦波条件下，在被观测的整个奈奎斯特带宽频率范围内，模拟-数字转换器的输出频谱分量的输入频率位置幅度平均值，与谐波成分或杂散频率成分最大值的比值。”

上述动态范围指标测量方法为了避免失真，将输入测试的幅度设置为-60dB，测试出幅度后再补偿60的方法测试出的指标与实际使用中失真的状态不一致，不能准确反映真实状态。

从频谱图中可以看出，动态范围和无杂散动态范围性能指标之间的区域，对于音频等设备在需要考察其在该区间内的动态范围和相对应的杂散和谐波之间的关系没有被定义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种失真动态范围性能指标的计算方法，实现对失真动态范围性能指标的计算。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种失真动态范围性能指标的计算方法，包括以下步骤：

步骤1：将指定频率和指定幅度的单一正弦信号作为测试信号输入待测音频设备或系统；

所述指定频率范围为4Hz-20kHz，优选值是997Hz、1kHz，所述指定幅度范围相对于待测音频设备或系统满幅最大输入信号为-60dBFS～0dBFS，优选值为0dBFS、-0.5dBFS、-1dBFS；

步骤2：对待测设备或系统的输出结果进行预处理和快速傅里叶变换分析生成频谱图；

所述对输出结果进行的预处理包括低通滤波和加权滤波器滤波，所述加权滤波器采用CCIR-RMS或A-weighted；所述快速傅里叶变换的采样频率大于等于40kHz，小于等于400kHz，分析点数大于等于512点，小于20000点；

步骤3：在步骤2处理后的频谱图中，设定一条平行于X轴的辅助参考线，使其从对应输入测试信号频率X轴坐标的Y轴坐标按指定步长向下移动到对应Y轴的指定位置；辅助参考线每次移动后，过滤出频谱中的杂散和谐波成分中幅度大于等于该参考线的部分；

所述辅助参考线为计算用辅助线，所述步长的取值范围为0.01dB～3dB，所述输入测试信号频率X轴坐标计算方法为：

(1)确定频谱图中直流成分范围，如下公式所示：

其中，DCspan为频谱图中用于计算直流成分的宽度，round()为取整操作，SmpNum为采样点个数，EFF1为幅度伴随调节系数，default1为DCspan的最小默认值，取值范围是5-500；

(2)在频谱图中找到除直流成分外的最高信号幅度，如下公式所示：

其中，MAXsig为输入测试信号频率X轴坐标对应的Y轴坐标，Spect()为FFT分析生成的频谱数组，

为频谱数组中从第DCspan+1到第

个元素的数值；

(3)在频谱图中找到最高信号幅度对应的X轴坐标，如下公式所示：

其中，FINbin为输入测试信号频率X轴坐标，find()为返回Spect()中值等于MAXsig的位置；

(4)计算输入正弦信号的频率，如下公式所示：

其中，FIN为输入正弦信号的频率，SmpFre为快速傅里叶变换的采样频率；

所述辅助参考线向下移动到对应Y轴的指定位置的取值范围Y_ref如下公式所示：

MAXsig＞Y_ref≥MINsig

其中，MINsig为处理后频谱图中除直流成分外频谱成分的最小值，如下公式所示：

在辅助参考线向下移动到对应Y轴的指定位置取值范围Y_ref计算方法中，所述指定位置的取值范围下界MINsig的优选值的计算方法为：

1)确定处理后的频谱图中与输入测试信号对应的正弦信号成分范围，如下公式所示：

其中，SIGspan为频谱图中用于计算信号成分的宽度，EFF2为幅度伴随调节系数，default2为SIGspan的最小默认值，取值范围是5-500；

2)指定位置的取值范围下界MINsig的优选值为除直流成分和输入信号成分外的频谱成分的均方根，如下公式所示：

Y_optdown＝sqrt(P/L)

其中，Y_optdown为优选的指定位置的取值范围下界，length()为求取数组内元素个数，P＝P₁+P₂为处理后的频谱图中除直流成分和输入信号成分外的频谱成分功率和，其中，

P₁＝sum(Spect(DCspan+1：FINbin-SIGspan-1)²)

其中，Sum()为对数组中每一个频率成分的平方求和；

在辅助参考线向下移动到对应Y轴的指定位置取值范围Y_ref计算方法中，所述指定位置的取值范围上界MAXsig的优选值的计算方法为：

在频谱图中找到除直流成分和输入信号外的杂散和谐波成分中最高幅度成分，如下公式所示：

Y_optup＝Max(MAX1，MAX2)

其中，Y_optup为指定位置的取值范围的上界优选值；MAX1，MAX2为输入的正弦信号左边和右边的除直流成分和输入信号成外的杂散和谐波成分中最高幅度成分，如下公式所示：

MAX1＝Max(Spect(DC_span+1：FINbin-SIGspan-1))

步骤4：计算测试输出基波信号频谱成分与被过滤出的杂散和谐波成分功率之比，得到待测音频设备或系统在该辅助参考线条件下的失真率PER％；

所述测试输出基波信号频谱成分与被过滤出的杂散和谐波成分功率之比，如下公式所示：

其中，X_dB为对数形式的失真率，X为过滤出的频谱中的杂散和谐波成分中幅度大于等于辅助参考线的频谱成分数组；

将对数形式的失真率X_dB转换成百分比形式，如下公式所示：

其中，PER为百分比形式的失真率；

步骤5：计算测试输出基波信号对应的最高幅度与参考线之间的距离DDR，用单位dBc表示，该距离DDR即为对应PER失真率下的失真动态范围。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种失真动态范围性能指标的计算方法，与以往的-60dBFS幅度测试信号不同，失真动态范围性能指标的测试通过直接输入0dBFS幅度测试信号得到，更接近于实际使用条件；失真动态范围性能指标填补了动态范围和无杂散动态范围性能指标之外的空白区域，对于考察一定杂散和谐波被纳入失真和噪声计算条件下的动态范围性能意义重大；失真动态范围性能指标计算方法计算复杂度低，分辨率高，可以方便的集成在频谱分析仪等设备之中。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种失真动态范围性能指标的计算方法流程图；

图2为本发明实施例提供的待测试系统的输出信号示意图；

图3为本发明实施例提供的待测试系统输出信号进行预处理和FFT分析后的频谱图；

图4为本发明实施例提供的带有能够在Y轴上移动的辅助参考线的频谱图；

图5为本发明实施例提供的在对应PER失真率下的失真动态范围的结果图。

图中，1、位置1；2、位置2；3、位置3；4、位置4。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种失真动态范围性能指标的计算方法，包括以下步骤：

步骤1：将指定频率和指定幅度的单一正弦信号作为测试信号输入待测音频设备或系统；

所述指定频率范围为4Hz-20kHz，优选值是997Hz、1kHz，所述指定幅度范围相对于待测音频设备或系统满幅最大输入信号为-60dBFS～0dBFS，优选值为0dBFS、-0.5dBFS、-1dBFS；

本实施例中，将1kHz，0dBFS的正弦信号输入待测音频设备或系统；

步骤2：对待测设备或系统的输出结果进行预处理和快速傅里叶变换(fastFourier transform，即FFT)分析生成频谱图；

所述对输出结果进行的预处理包括低通滤波和加权滤波器滤波，所述加权滤波器采用CCIR-RMS或A-weighted；所述快速傅里叶变换的采样频率大于等于40kHz，小于等于400kHz，分析点数大于等于512点，小于20000点；

本实施例中，对如图2所示的待测设备或系统的输出信号用40kHz的采样频率进行采样，采样8192个点，用20kHz截止频率，20Hz-20kHz通带响应误差小于等于0.1dB，24kHz以上频率衰减大于等于60dB的低通滤波器和CCIR-RMS权重滤波器对采样的离散信号进行预处理，对结果加汉宁窗后执行FFT处理，结果如图3所示；

步骤3：在步骤2处理后的频谱图中，设定一条平行于X轴的辅助参考线，使其从对应输入测试信号频率X轴坐标的Y轴坐标按指定步长向下移动到对应Y轴的指定位置；辅助参考线每次移动后，过滤出频谱中的杂散和谐波成分中幅度大于等于该参考线的部分；

所述辅助参考线为计算用辅助线，所述步长的取值范围为0.01dB～3dB，所述输入测试信号频率X轴坐标计算方法为：

(1)确定频谱图中直流成分范围，如下公式所示：

其中，DCspan为频谱图中用于计算直流成分的宽度，round()为取整操作，SmpNum为采样点个数，EFF1为幅度伴随调节系数，default1为DCspan的最小默认值，取值范围是5-500；

(2)在频谱图中找到除直流成分外的最高信号幅度，如下公式所示：

其中，MAXsig为输入测试信号频率X轴坐标对应的Y轴坐标，Spect()为FFT分析生成的频谱数组，

为频谱数组中从第DCspan+1到第

个元素的数值；

(3)在频谱图中找到最高信号幅度对应的X轴坐标，如下公式所示：

其中，FINbin为输入测试信号频率X轴坐标，find()为返回Spect()中值等于MAXsig的位置；

(4)计算输入正弦信号的频率，如下公式所示：

其中，FIN为输入正弦信号的频率，SmpFre为快速傅里叶变换的采样频率；

所述辅助参考线向下移动到对应Y轴的指定位置的取值范围Y_ref如下公式所示：

MAXsig＞Y_ref≥MINsig

其中，MINsig为处理后频谱图中除直流成分外频谱成分的最小值，如下公式所示：

在辅助参考线向下移动到对应Y轴的指定位置取值范围Y_ref计算方法中，所述指定位置的取值范围下界MINsig的优选值的计算方法为：

1)确定处理后的频谱图中与输入测试信号对应的正弦信号成分范围，如下公式所示：

其中，SIGspan为频谱图中用于计算信号成分的宽度，EFF2为幅度伴随调节系数，default2为SIGspan的最小默认值，取值范围是5-500；

2)指定位置的取值范围下界MINsig的优选值为除直流成分和输入信号成分外的频谱成分的均方根，如下公式所示：

Y_optdown＝sqrt(P/L)

其中，Y_optdown为优选的指定位置的取值范围下界，length()为求取数组内元素个数，P＝P₁+P₂为处理后的频谱图中除直流成分和输入信号成分外的频谱成分功率和，其中，

P₁＝sum(Spect(DCspan+1：FINbin-SIGspan-1)²)

其中，Sum()为对数组中每一个频率成分的平方求和；

在辅助参考线向下移动到对应Y轴的指定位置取值范围Y_ref计算方法中，所述指定位置的取值范围上界MAXsig的优选值的计算方法为：

在频谱图中找到除直流成分和输入信号外的杂散和谐波成分中最高幅度成分，如下公式所示：

Y_optup＝Max(MAX1，MAX2)

其中，Y_optup为指定位置的取值范围上的界优选值；MAX1，MAX2为输入的正弦信号左边和右边的除直流成分和输入信号成外的杂散和谐波成分中最高幅度成分，如下公式所示：

MAX1＝Max(Spect(DC_span+1：FINbin-SIGspan-1))

本实施例中，在如图3所示的频谱图上，在输入测试信号频率X轴坐标对应的Y轴坐标处平行X轴设置一条辅助参考线，如图4所示，该辅助参考线从位置1按照0.125dB步长逐步移动到位置4，位置1到位置4即为辅助参考线向下移动到对应Y轴的指定位置的取值范围，同时计算出的指定位置的取值范围的上界优选值和下界优选值如图4中位置2、位置3所示。

步骤4：计算测试输出基波信号频谱成分与被过滤出的杂散和谐波成分功率之比，得到待测音频设备或系统在该辅助参考线条件下的失真率PER％；

所述测试输出基波信号频谱成分与被过滤出的杂散和谐波成分功率之比，如下公式所示：

其中，X_dB为对数形式的失真率，X为过滤出的频谱中的杂散和谐波成分中幅度大于等于辅助参考线的频谱成分数组；

将对数形式的失真率X_dB转换成百分比形式，如下公式所示：

其中，PER为百分比形式的失真率；

步骤5：计算测试输出基波信号对应的最高幅度与参考线之间的距离DDR，用单位dBc表示，该距离DDR即为对应PER失真率下的失真动态范围。

本实施例中，辅助参考线每次移动后，位置1对应的Y轴幅度与移动位置对应Y轴的差值是该失真率下对应的失真动态范围DDR；辅助参考线向下移动到对应Y轴的指定位置的取值范围内所有计算结果如图5所示。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种失真动态范围性能指标的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将指定频率和指定幅度的单一正弦信号作为测试信号输入待测音频设备或系统；

步骤2：对待测设备或系统的输出结果进行预处理和快速傅里叶变换分析生成频谱图；

步骤3：在步骤2处理后的频谱图中，设定一条平行于X轴的辅助参考线，使其从对应输入测试信号频率X轴坐标的Y轴坐标按指定步长向下移动到对应Y轴的指定位置；辅助参考线每次移动后，过滤出频谱中的杂散和谐波成分中幅度大于等于该参考线的部分；

步骤4：计算测试输出基波信号频谱成分与被过滤出的杂散和谐波成分功率之比，得到待测音频设备或系统在该辅助参考线条件下的失真率PER％；

步骤5：计算测试输出基波信号对应的最高幅度与参考线之间的距离DDR，用单位dBc表示，该距离DDR即为对应PER失真率下的失真动态范围。

2.根据权利要求1所述的一种失真动态范围性能指标的计算方法，其特征在于：步骤1所述指定频率范围为4Hz-20kHz，所述指定幅度范围相对于待测音频设备或系统满幅最大输入信号为-60dBFS～0dBFS。

3.根据权利要求1所述的一种失真动态范围性能指标的计算方法，其特征在于：步骤2所述对输出结果进行的预处理包括低通滤波和加权滤波器滤波，所述加权滤波器采用CCIR-RMS或A-weighted；所述快速傅里叶变换的采样频率大于等于40kHz，小于等于400kHz，分析点数大于等于512点，小于20000点。

4.根据权利要求1所述的一种失真动态范围性能指标的计算方法，其特征在于：步骤3所述辅助参考线为计算用辅助线，所述步长的取值范围为0.01dB～3dB，所述输入测试信号频率X轴坐标计算方法为：

(1)确定频谱图中直流成分范围，如下公式所示：

其中，DCspan为频谱图中用于计算直流成分的宽度，round()为取整操作，SmpNum为采样点个数，EFF1为幅度伴随调节系数，default1为DCspan的最小默认值，取值范围是5-500；

(2)在频谱图中找到除直流成分外的最高信号幅度，如下公式所示：

其中，MAXsig为输入测试信号频率X轴坐标对应的Y轴坐标，Spect()为FFT分析生成的频谱数组，

为频谱数组中从第DCspan+1到第

个元素的数值；

(3)在频谱图中找到最高信号幅度对应的X轴坐标，如下公式所示：

其中，FINbin为输入测试信号频率X轴坐标，find()为返回Spect()中值等于MAXsig的位置；

(4)计算输入正弦信号的频率，如下公式所示：

其中，FIN为输入正弦信号的频率，SmpFre为快速傅里叶变换的采样频率；

所述辅助参考线向下移动到对应Y轴的指定位置的取值范围Y_ref如下公式所示：

MAXsig＞Y_ref≥MINsig

其中，MINsig为处理后频谱图中除直流成分外频谱成分的最小值，如下公式所示：

在辅助参考线向下移动到对应Y轴的指定位置取值范围Y_ref计算方法中，所述指定位置的取值范围下界MINsig的优选值的计算方法为：

1)确定处理后的频谱图中与输入测试信号对应的正弦信号成分范围，如下公式所示：

其中，SIGspan为频谱图中用于计算信号成分的宽度，EFF2为幅度伴随调节系数，default2为SIGspan的最小默认值，取值范围是5-500；

2)指定位置的取值范围下界MINsig的优选值为除直流成分和输入信号成分外的频谱成分的均方根，如下公式所示：

Y_optdown＝sqrt(P/L)

其中，Y_optdown为优选的指定位置的取值范围下界，length()为求取数组内元素个数，P＝P₁+P₂为处理后的频谱图中除直流成分和输入信号成分外的频谱成分功率和，其中，

P₁＝sum(Spect(DCspan+1：FINbin-SIGspan-1)²)

其中，Sum()为对数组中每一个频率成分的平方求和；

在辅助参考线向下移动到对应Y轴的指定位置取值范围Y_ref计算方法中，所述指定位置的取值范围上界MAXsig的优选值的计算方法为：

在频谱图中找到除直流成分和输入信号外的杂散和谐波成分中最高幅度成分，如下公式所示：

Y_optup＝Max(MAX1，MAX2)

其中，Y_optup为指定位置的取值范围的上界优选值；MAX1，MAX2为输入的正弦信号左边和右边的除直流成分和输入信号成外的杂散和谐波成分中最高幅度成分，如下公式所示：

MAX1＝Max(Spect(DC_span+1：FINbin-SIGspan-1))

5.根据权利要求4所述的一种失真动态范围性能指标的计算方法，其特征在于：步骤4所述测试输出基波信号频谱成分与被过滤出的杂散和谐波成分功率之比，如下公式所示：

其中，X_dB为对数形式的失真率，X为过滤出的频谱中的杂散和谐波成分中幅度大于等于辅助参考线的频谱成分数组；

将对数形式的失真率X_dB转换成百分比形式，如下公式所示：

其中，PER为百分比形式的失真率。

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