让仪器说话 — MX4 pro等部分魅族手机音频输出简单测试分析

很久以前曾经做过一个阻抗匹配分析的课题，本来计划随后就做这次的课题的，无奈工作所累，计划搁置至今。恰逢手机换新，期间又陆续入手一些仪器，就让这个课题更加血肉丰满的展现出来。

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PS：本人没有频谱仪、失真分析仪、矢量分析仪等高档仪器，只能做一些定性分析。

PS2：本文只分析数据，不谈听感。因为数据是客观的可复现的有成熟的电学理论为依据的，而听感不仅无法准确的用数学和语言来描述，而且每人各有不同无法统一，就像有人喜欢蜂蜜猪大肠刺身，有人偏好巧克力蘸芥末。

测试方法：用cooledit软件生成44.1kHz 16bit的幅值100%的正弦波、方波、三角波的PCM波形文件，分别用参与对比的手机等播放设备进行播放，用示波器取得空载输出波形，并用HP 34401a记录100%音量和50%音量下空载与50Ω负载的输出电压，计算等效输出阻抗，评估输出能力。

DF1641D函数发生器，菊水cos6100示波器。

勉强能当工具的玩具示波表。菊水cos6100实在太大，摆桌子上就什么都不能做了。

惠普HP 34401a台式数字万用表，1,200,000字，最小分辨率100nV，交流带宽300kHz，10Hz-20kHz年准确度达到0.06%，是工业和实验室中使用最广泛的6位半万用表。

测试时采用一颗50Ω 10w的精密功率电阻（标称精度0.1%）作为假负载，通过开关切换负载的通断。

测试电路采用搭棚焊接，线路总长度约100mm，分布电感小于2uH，分布电容小于30pF，34401a交流输入阻抗1MΩ，示波器探头设置10倍衰减，所有引入误差不超过0.1%。

首先看一看函数发生器生成的方波波形。

DF1641D采用斜坡电压发生器来产生各种波形，只要核心运放带宽足够高，就可以产生接近理想的波形。而DSP芯片产生的波形大多是用快速傅里叶变换方式得到的，其指标受制于芯片的采样率、计算精度和计算性能，与模拟方式产生的方波差异很大。

方波的傅立叶解析式为u=Um(sin(ωt)+1/3*sin(ω3t)+1/5*sin(ω5t)+1/7*sin(ω7t)+......)，其谐波成份极其丰富。其中，sin(ωt)为基波，而后面各项分别为n次谐波。根据奈奎斯特采样定理，即“为了完整还原信号，采样频率要大于等于2倍信号频率”可得知，用44.1kHz的采样频率最多可还原基波频率为1kHz的方波信号中从基波到21次谐波的成份，但无法还原23次及更高次谐波的成份。类似的，使用192kHz采样频率来产生1kHz的方波则可还原从基波到95次谐波的成份。

这是cooledit生成的采样率为44.1kHz的方波信号。由于缺失23次以上的高次谐波，波形边缘并不是矩形，与函数发生器产生的比较理想的方波相比差异明显。

《《《《《《红》。。。。事实上，曾经尝试过使用森海塞尔 HD650和AKG K701耳机来分辨函数发生器的接近完美的方波和DSP芯片合成的方波，结果很遗憾，仪器测试差异巨大的波形，人耳却几乎无法分辨。在更好的耳机上也许有不同结果，但HD650和K701否定了绝大多数耳机。》》》》》

这张表可简单评估几台手机/播放器的输出能力。表中的电压项只记录测试时稳定显示的位。

除了笔记本情况很奇怪以外，其他设备的等效输出阻抗都很低，可推测内部都加入了放大级。这样即便在接入阻抗曲线非常怪异的耳机（如森海塞尔 HD650），功率分布也不会出现太大误差。

魅族 MX4pro

MX4pro播放正弦波时电压非常稳定，在不同增益下也仅最后一位在小幅度变化，可看出噪声非常小。同时，MX4pro的输出电压相对较高，直推高阻耳机表现不差。不过在少数情况下会出现削波失真。

MX4pro的DAC输出信号接了一颗opa1612运放，这是一颗低压轨到轨运放，电源要求最低±2.25V，即正负压差4.5V，已经超过了锂电池的电压，必须用一套升压电路来产生负电压。在设置为高增益后，空载最高输出有效值达到了1.88V，峰峰值为5.32V。《《《《《《红》、、、、但这套升压电路输出电流太小，在接入50Ω负载后输出电压降低，导致负半周发生削波失真。》》》》》》不过这个问题并不容易遇到，只有直推灵敏度低于90dB，同时阻抗小于150Ω的耳机，并且音量开的很大时才会遇到削波失真，如K240，K1000之类的耳机，但这类耳机一般都不会拿来直推的。

魅族 MX2

MX2的噪声比MX4pro稍大，可稳定到10uV位，好在该噪声几乎不可闻。而且MX2的输出电压很低，推高阻耳机明显功率不够。另外，mx2在播放方波时出现了严重的信号振铃现象，三角波形状也不是特别好。估计电路设计或PCB设计有问题，负反馈系数太低，反馈太慢，或者分布参数太大都会引发信号振铃。虽然播放音乐时基本听不出音质上有明显问题，与其它播放器的区别也并不明显，不过考虑到人耳的特性，有些骗不过仪器的东西却可以骗过感官。

oppo D29H

oppo D29H噪声是最大的，后3位简直在飞，0.1mV位都不太稳定，特别是点亮显示屏时，背光模块产生的噪声已经到明显可闻的程度。这个问题当年被很多人吐槽过。

魅族 M8

如果不是M8输出电压太低，M8的表现倒是很不错。输出电压非常稳定，噪声也很小，只有最后一位在小幅度变化，和MX4pro差不多。

但是，m8在输出端空载时，会混入一个直流分量，该直流电压会在数十秒时间内缓慢上升到约40mV后趋于稳定。猜测是末级差分管（在运放内或DAC的缓冲级）的偏置电流在输出端隔直电容上积分而形成的。一般放大器的设计，通常会在输出端并入一颗数百Ω到数kΩ的电阻作为假负载，让放大器工作更稳定，同时消除这样的直流分量的积分。M8这是忘记焊了还是压根没设计这颗电阻？好在只有输出端空载时才会遇到中点电位偏移，但无论是耳放还是功放，输入端都有假负载电阻，更别说耳机本身就是小阻抗负载。

ASUS K45DR

这台笔记本音频系统有2个主要问题：

其一，信噪比太低。不管方波三角还是正弦，信号中混入了大量30kHz到4MHz的中高频噪声，噪声的峰峰值最高达到了10mV以上，导致波形呈毛茸茸的一条，很不好看。虽然这种频率范围的噪声对人耳产生的影响几乎不可闻。

其二是输出阻抗非常高，达到75Ω。估计从DAC出来的信号根本没有缓冲就直接输出到耳机插孔。如果接入的耳机阻抗曲线并不平坦，就会造成功率分布严重失真。好在我平时使用都是通过耳放，阻抗过高并不造成影响。

完成这些测试和分析后，发现手头这些播放设备竟然找不到没有明显缺陷的。不过相比之下，M8和MX4pro要好一些，它们的缺陷都是在一些比较极端的情况下才暴露，实际并不容易遇到。

最后希望厂家做出更完善的产品，希望我下个手机，下台电脑能把这些找到的和目前没找到的缺陷修复。