音效卡電路設計探索(by 蔡書宗)



前言

本文作者是蔡書宗,為一資深的雜誌專欄作家。過去在 PC Magazine 中文版雜誌中,許多提及音效卡以及音響喇叭等相關電路的文章,就是出自書宗兄之手。現在我們很榮幸的得到書宗兄的首肯,允諾在我們網站連載一系列精彩的音效卡電路相關文章,實為本站之幸,亦是眾網友之福啊!

這一篇是此系列的第一篇,往後會陸續連載其它的部分。

書宗兄的信箱是[email protected],個人網站是http://www.gen6991.idv.tw。我們也會在站內開闢一個討論主題供大家參與討論之用。

以下是書宗兄的全文,請慢慢的仔細品味。

目錄

音效卡是電腦發聲的重要環節,其所提供的 3D 音效環境支援,與最後的聲音輸出入品質,是電腦娛樂環境的重要角色。筆者不做電玩遊戲支援性能或撥放軟體的介紹,讓我們以不同於使用感觀報告的角度,來了解音效卡硬體設計上要克服的難題與造成品質差異的真正緣由。

充滿干擾的工作環境

電腦內部是不同於傳統音響機器的工作環境,音效卡得助於開放性 PC 電腦設計而大量普及,但諷刺的是 PC 的設計方式也是音效卡聲音品質攀升時所遭遇的最大障礙。

傳統音響機器大部分是單純的類比數位電路組合,大略可區分為訊源、前級、後級部分,機器有很優良屏遮的封裝外殼,電路功能各有其所司,可以有效控制電路上影響聲音的變數,取得設計目標中的最好聲音品質。

音效卡的情況就比較曖昧,電路板上集合了所有的類比數位電路,因為電路板面積有限,不可能針對單一訊號通道實行地線屏遮設計,也不可能用上體型較龐大的電感、電容零件,來阻絕交換式電源供應器固有的脈波雜訊,當然聲音品質會大打折扣。更因為要安裝在電腦機殼裡,所以是一張沒有屏遮外殼的裸卡,一開機就要接受其他電腦組件的高頻率脈波干擾。

要對外來干擾很敏感的類比數位混合信號 ic 工作在這種環境中,並保持高水準的聲音輸出品質,說實在話是有很高難度的,所花費的設計心力更是數倍於單純的類比或數位電路。

交換式電源是音效卡的大敵

PC 電腦使用的是交換式電源,採用的理由是基於效率考量,電路效率高可以縮小體積並減少電能的損耗,完全合乎現在工業產品的設計要求。

不幸的是這種高效率電路設計,以調整方波產生速度與脈波寬度來控制電壓輸出數值,而目前電晶體產品在高速的切換工作狀態時,除了輸出預期的電力波形外,還會免費附送無法預期的間歇性突波波形,讓設計人員十分地頭痛。

音效卡直接由 ISA 或 PCI 插槽取用電源,當然也必須承受這種間歇性電源突波干擾,設計者也意識到這種干擾,在音效卡上加上一個簡單的濾波設計與穩壓電路,讓相關數位音效晶片與類比電路工作在一個相對穩定的狀況裡。

相對穩定的意義,是把電源供應器所輸出的電力雜訊,在其進入音效卡電路之前以電路設計技術更進一步降低,保證最後類比聲音有一定水準的輸出品質。

電腦時脈頻率不利於音效卡的音質

方波時脈是電腦高效能的關鍵,也是數位世界裡掌控一切的根本,不過事物一向是一體兩面的,數位世界裡的善神,到了類比世界裡,卻成了人人痛恨的惡魔。

我們聽到的類比聲音波形,基本上是由不同頻率與振幅不一的正弦波所組成,一點點頻率振幅改變所造成的音質差別,人耳都能清楚的分辨出來,因此在電路應用上,我們說正弦波對外來雜訊干擾的防禦能力是最為脆弱的。

方波的情況剛好相反,不管是抗干擾的能力與振幅的容裕度,方波都是上上之選,這是方波所帶來的善。而方波高度抗干擾能力的事實背後,是方波在整個波形頻譜裡有著很堅實的能量分布,可以輕易地加載到其他電力波形上,造成方波極為容易變成其他波形的干擾來源,這是方波所帶來的惡。

今天 PC 的設計方式,讓這二種波形同時存在於同一個機殼之中,結果是我們要投入大量的技術與成本,來避免類比弦波遭受到方波時脈的不良影響。正當顯示卡以越來越複雜的輸出濾波設計,保持住更優異的類比影像輸出品質時,音效卡設計上的粗心大意,其實也是設計者與使用者應該注意到的細節要求。

馬達也是損害聲音品質的禍首

電腦裡使用為數不少的各式馬達,而馬達噪音又是人耳最容易感覺到的干擾,其中風扇的高頻率風切聲與硬碟、光碟機馬達高速運轉的高頻率磨擦聲,這種聲音干擾除了破壞喇吧、耳機聲音的成音品質外,長時間聽聞這種高頻磨擦聲更會讓人產生身體的不舒適感,進一步破壞我們的生活品質。

原因要歸咎於 PC 機殼的簡陋設計,無法將種種馬達的運轉音量衰減到一定的音壓以下,更慘的是內部空曠方便安裝電腦組件的機殼設計,會進一步共振放大這些不需要的聲音,干擾情況真的是到了讓人髮指的地步。另一個不可原諒的錯誤,是廠商在一般家用電腦裡不當使用工業等級產品,工業等級的風扇產品注重散熱效能,但對噪音的防治標準比較寬鬆,算不上是優良的家用電腦零組件。

馬達工作時會發出電力突波干擾波形,回流加載到直流電力波形上,變成直流電源的另一個干擾來源,讓直流電的供電品質進一步降低,而最讓人氣結的是廠商認為這對數位電路工作狀況的影響很小,小到可以忽略的地步,所以鮮少有廠商的產品數據上,會列出馬達組件的突波干擾量數據。

刻意視而不見不表示事實是不存在的,電腦裡的其他類比電路正飽受劣化輸出品質的折磨,使用者天天在看的螢幕畫面,常常在聽的音樂與遊戲聲音效果,最後輸出都是屬於類比範圍的,而惡劣的輸出品質所傷害的,是我們寶貴的視覺與聽覺能力。

令設計者無力的製作預算

有工作經驗的讀者應該可以了解這種難度挑戰,產品生產前會有設定目標市場與利潤要求的動作,依據這個設定目標來選擇產品的設計與製作方式,進一步精算出所有零件價格與人工成本,決定出整個產品的製作預算。

這個製作預算可高可低,最大差別在於零件用料品質的高低與電路 PCB 設計測試時程,在一片三、四百元整體成本的音效卡身上,是絕對找不到一顆幾百元的音效晶片,也不可能採用非低價導向的高價優質 A/D D/A 信號轉換晶片,更別說用量數目不少的電容電阻零件,絕不可能用上高價質優的名牌貨色,產品聲音品質當然是維持在那個價格等級裡。

更節省成本的方法,則是使用音效晶片廠商提供的公板電路與 LAYOUT 完成的 PCB 板,找好代工的 OEM 廠商直接投單生產就是,並直接使用晶片廠提供的相關軟體,這幾乎不需要自己的開發設計時程,一樣可以完成一個低價但完成度很高的產品。這是多媒體產品通路商眼中的「超值」商品,有知名廠商的技術保證與原廠支援,但卻有著一個充滿強烈 COST DOWN 的思考。

所以當讀者發現自己買到的音效卡,其實沒有想像中超值,讓你十分氣憤時,請記得這個現實世界的商業定律,利潤是維持商業機制運作的根本,產品的價值永遠是來自於產品本身,不是原廠技術標竿這個光環,也不是其他與技術無關的言語加持。

設計者使用有爭議的電路設計

這種過失是無法事後補救的,設計者各自為政的獨立研發電路方塊,完全不考慮所有電路整合後的工作狀況,而一昧將無法達到測試標準的過錯,歸咎到 PC 電腦電源的先天性突波干擾與『高時脈』運作環境的身上。更可怕的是在具知識傳播責任的文稿寫作者認知裡,不去認識電路架構的真正運作原理與排除干擾的方法,認定高時脈就一定代表著高度的干擾能量,造成這種似是實非的觀念被進一步傳播。

音效卡上用的是數位類比混合信號電路,設計上的最重要工作是有效隔離數位類比信號間的感應雜訊與外來干擾,這些干擾的主要來源在哪裡?是電路晶片本身與電源供應品質,晶片內部我們不可能改變其設計,能做的是晶片外部的干擾排除與電路的合理化配置。

筆者仔細觀察過眾多音效卡電路設計,在攸關最後輸出入品質的 A/D D/A 信號轉換晶片,晶片廠商分別設計了數位部分與類比部分的電源供應腳位,並在設計資料裡示範了不同的電源處理方式,但到了無良生產廠商手裡,類比數位電源腳位取用同一個電源供應來源,二個腳位之間是電路銅箔直接連接,根本沒有任何的最佳化設計,讓信號轉換電路在未受外來雜訊干擾前,寶貴的輸出品質就已在內亂之中耗損殆盡。

最後一個階段的類比放大電路,更是常常出現讓筆者擲筆三歎的怪異設計,類比輸出部分的電路其實很簡潔,大部分設計是 OP 組成的標準反相放大電路,除了 OP 本身的素質與相關電容電阻零件的品質選擇之外,能做文章的也只有電源供應的處理方式,該注意的是濾波電容量的選擇與反交連電容的適當配置。

不過筆者看到的 COST DOWN 設計方式,是信號轉換晶片所用的 5V 穩壓電路直接取用類比放大電路的正電壓來處理,造成供應 OP 正負電壓的電路路徑上流通的電流是不平衡的,也就是正電壓路徑比負電壓路徑多負擔了信號轉換晶片所需的電流,設計者絕對清楚這個狀況,把正電壓路徑上的電感電阻數值拉低,讓正負電壓路徑的不同大小電流,在數值不同且差異不小的電感電阻上產生了大約一致的電壓降,讓 OP 工作在正負電壓還能平衡的狀態。

OP 是一種很容易應用的集成電路,但也非常容易反應出設計不良的缺陷,當 OP 正負電源不平衡時,OP 電路其實還是可以運作的,筆者提到的設計案例,該音效卡在一般輸出音量電平上沒有遇到太大的問題,只有在大動態音壓出現時會產生一些爆音,原因在於正電壓路徑的電感電阻產生過大的電壓降,造成整體電路工作狀態過分不平衡所致。

筆者一直想不出一個簡單的理由,多拉一條三四公分的電路板銅箔來送電,所增加的成本是非常低的,即可讓信號轉換晶片使用獨立的電源路徑,有效解除類比放大電路工作狀態被扭曲的情況,為何要堅持這種讓人莫名其妙的電路設計呢?擲筆再歎。

單一測試數據難以完全反應聲音品質

這是音效卡設計者會遇到的兩難問題,不同的思考方式完全左右了音效產品的聲音走向。電路設計與零件製造有標準知識可供參考,一個電路與零件穩定與否,當然也有標準的測試方式來檢驗,關鍵在於對測試精度的要求,與使設計合於要求數據的修正方式,而設計者對電路設計所作的修正量,則取決於整個測試環境的設置方式,零件的選擇方式則是建立在對測試數據的解讀與價格要求。

目前的音效卡設計是依循 AC97 規格在走,AC97 中明定基本的頻譜振幅分布、訊號雜訊比與訊號失真率要求,乍看之下,音效卡的輸出品質只要達到這個要求數據,應該都能達成一定的要求水準,但事實是測試數據十分接近的音效卡,卻有著完全二回事的聲音,所呈現的差異會大到讓人用力思考質疑測試數據的解釋意義。

電晶體電路晶片要達成整個聲音頻譜振幅的平均分布是非常容易的,除非是設計上故意對某頻段作一定程度的衰減,這時所牽涉的除了數據還包含設計者對聲音的認知,也就是設計者要決定零件數值品質讓這個設計輸出什麼樣的聲音,在人耳能聽聞的 20Hz 至 20KHz 的頻譜分布之中,正負 1.2 dB 與正負 0.5 dB 的誤差看起來差別不大,但對高音所形成的空間感覺是完全不同的,形成不同衰減斜率則決定在音效晶片本身、類比放大用 OP 的速度與電阻電容構成的衰減電路。

訊號雜訊比一般是以 1KHz 基準頻率來量測一個代表數值,事實上類比放大電路在不同頻率所呈現的訊號雜訊比是不一樣的,就筆者接觸操作過的生產用檢測儀器,音響機器製造的 QC 檢測過程並不是單單測量 1KHz 這一個頻率點,而是查看數個或十數個頻率點所呈現的個別訊號雜訊比,以確定所有零組件都是正確的工作狀態。

訊號失真率一般是以 1KHz 基準頻率與奇次諧波平均最大值的比例來作為代表數值,真實狀況的訊號失真情況更是複雜,除了類比放大電路在不同頻率會呈現不同的失真率數值,單單改變一個零件的數值品質,也會引起的失真方式的大變動,這時依靠數據不一定能選出最適用的零件,反而是有長久音樂聆聽經驗的耳力,有更大的機會選出最適用零件,這是一種很個人化的經驗值,也很難以文字解說方式傳承下去。

消費者曖昧不明的使用習慣

這個原因也是造成設計者萬分無奈的主因,筆者願意相信設計者都有一定水準的電路知識與設計能力,但當一個產品曲高和寡無法銷售出去時,為了自己的飯碗與公司的營運,設計者也會失去立場方向,完全被市場牽著鼻子走。

音效卡消費者有幾種不同類型,只要求音效卡能聽到聲音的為最大數,願意付出更多金錢要求一定品質的為相對少數,不惜代價追求極高品質的為稀有族群,整個消費方式呈現金字塔型分布,最低層的分布數量可能高達百分之八十以上。這時讀者認為台灣以 OEM 起家的廠商,是會注重那一個消費市場呢?當然是消費需求中最大宗的低價產品。

就筆者的長期觀察,在金字塔底層的消費者,有著拿低價產品夢想高價產品品質的怪異現象,一分錢一分貨是再正常不過的商業型態,一分錢二分貨則是可遇不可求,那麼一分錢十分貨是什麼情況呢,實話告訴你吧,那叫做天方夜譚,是童話故事裡才有的情節。

也就是為了迎合這種曖昧不明的使用習慣,廠商會寫出模擬兩可廣告詞來追求產品的加值與銷售量,雜誌作者則是寫出讓人看不出產品好壞的使用報告,沒有人願意站出來說實話犯眾怒,讓這種純粹言語加持的失真越演越烈。愛屋及烏的心態人人會有,但請仔細認清產品的設計用心與品質表現,是不是真正值得用辛苦的血汗錢來支持。

另一個該歸咎於消費者的疏失,是對 PC 電腦組裝的心態與認知。 PC 是有標準規範的開放性設計,運算效能、視訊品質與音效環境的升級工作並不難,所以大部分消費者會自行換裝音效卡來改善音效環境。單單換裝音效卡可以全面升級音效環境嗎,答案可不是絕對肯定的,音效卡擔任的是訊號源角色,真正發出聲音的是耳機或喇叭,音效卡與耳機喇叭的合適搭配是關注重點。

音樂 CD 的撥放、DVD 多聲道環境與 3D 電玩音效環境需要硬軟體配合,電腦不像單一影音機器或電玩主機能獨立進行影像音效輸出工作,沒有適當軟體來驅動操控硬體裝置,根本不可能有 3D 音效的呈現,選擇適用的系統作業平台,也是不容忽視的一環。

相關討論

Facebook留言

個留言

您可能也會喜歡…