32Bit浮点ADC系统的构成及特点---ZOOM UAC-232评测

testguru

一、简介

能输出32位浮点格式数据的ADC系统是近两年的热门话题。无论是从理论上还是实际上，32位浮点格式都提供了远高于16位、24位和32位整数格式的动态范围。在理想情况下，应将底噪水平维持在ADC最低的1个BIT内，而信号最高电平应能充分利用ADC所有的BIT。因此在理论上，这几种格式所提供的动态范围如下：

在现实中，想通过单个ADC达到125 dB的动态范围都是异常困难的，即使其声称位深有24位或32位，这是因为很难在如此大的动态范围内将底噪保持在1 bit以下。如今，麦克风的动态范围可以高达140 dB，与人类听觉的动态范围相符。因此，调整输入模拟增益以使音频信号的主要部分位于单个ADC的动态范围内是一项技术活儿。音频信号过大将使波形被削顶，而音频信号过小将失去其保真度，甚至会被淹没于底噪中（见下图）。

由单个ADC相对受限的动态范围引起的问题

与其将单个ADC的性能提升到极限，不如另辟蹊径。目前支持32位浮点格式的音频设备通常有两个ADC协同工作，并合成单一的32位浮点数据流输出（见下图）。其中的“低增益”ADC被优化用于强音频信号，而“高增益”ADC被优化用于弱音频信号。当高增益ADC因信号幅度过大而削顶时，低增益ADC则不会。当低增益ADC因信号幅度过低而无法在其底噪之上清晰地采集到声音时，高增益ADC在其底噪之上仍然有足够的余量。因此，通过这种双ADC配置，可显著扩展总的动态范围，实现低噪声且无削顶的录音，甚至无需调节模拟增益。这就是为什么ZoomUAC-232的面板上不配备输入模拟增益开关和旋钮的原因。本篇文章的主要目标之一就是找出该设备能够达到的实际动态范围。另一个关注点是通过实验来探究其ADC切换算法及其影响。

支持32位浮点格式的双ADC架构

Multi-Instrument是最先全面支持32位浮点格式ADC的测试测量软件之一。在32位浮点模式下，该软件始终将原始采样数值1作为0 dBFS。在软件中，可通过[设置]>[校准]>“其它/ASIO”>“范围”来输入该值所代表的实际电压值，以实现校准。需注意的是，在32位浮点模式下，0dBFS不一定代表最大电平值。刚好出现削顶失真的最大电平值需要在这里实测。在以下测试中，除非特别指明，“范围”设置为默认的未经校准的1Vp，这样的好处是测得的瞬时电压值可直接反映原始的采样值，例如：瞬时电压值1V表明在32位浮点格式下的原始采样值为1。

以下测试采用了2023年5月30日发布的ZOOM UAC-232 ASIO驱动程序V1.1.0版和2023年2月9日发布的ZOOM UAC-232 Mix Control V1.0.0.13版。ZOOM UAC-232 Mix Control是用来控制ZOOM UAC-232内部的混合器设置的，它为不同的输入设备（XLR话筒输入、LINE输入和HiZ输入）设置了不同的默认数字增益（见下表）。修改这些默认值后会自动保存于硬件设备中。请注意：修改数字增益设置后，前述的“范围”校准将无效，需重新校准。在32位浮点模式下，录音的质量不会随着数字增益的改变而改变。因此在以下的测试中，数字增益始终保持为0dB。

baikal

看不懂。

prodomo

专业设备

阿灰灰

简而言之就是不太可能再爆电平了，32位浮点对录音的提升是有很大的积极意义的

testguru

是的。下图是32位浮点ADC的概念性宣传图，就是说，与整数ADC相比，浮点ADC的优点是，提升了弱信号的分辨率，并且在强信号下不出现削顶失真。实际上，它只是扩大了ADC的动态范围，降低了无法分辨的弱信号的下限，提升了出现削顶失真的强信号的上限，但上、下限总是存在的。所以本文的正文并未采用下图。

由双或多个ADC构成的32位浮点ADC系统扩大了整体的动态范围

发现首帖的此图有误，现更正如下。

由单个ADC相对受限的动态范围引起的问题

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二、XLR话筒输入

2.1 最高电平

最高电平可通过向XLR接口输入平衡的1kHz正弦波来测量。48V幻象电源的开关状态并不影响测得的最高电平。测得的最高电平为1Vp（未校准值）或者0dBFS，对应于校准值2.35Vp(6.63dBu)。这个值略高于ZOOM标明的最大电平值2.19Vp(6 dBu)。下面第二幅图则确认了削顶失真发生于1Vp（未校准值）或者0dBFS。

XLR话筒输入的无削顶失真的最高电平（数字增益=0dB）

XLR话筒输入的有削顶失真的最高电平（数字增益=0dB）

2.2 底噪电平

底噪电平可通过将XLR输入端的“+”和“-”短路到地来测量，否则测得的底噪电平将会增大约12dB。这是因为ZOOMUAC-232具有极低的底噪电平，很小的外部干扰都可能影响到测量结果。在软件中，将THD测量的基波手动设置为24kHz以保证将20Hz~20kHz之间的信号都计算为底噪电平，而不会有部分信号被计算为基波和谐波失真。下面两图为具有A计权和没有A计权的底噪电平的测量结果，可见底噪电平为-136.4dBFSA或-134.3dBFS。

XLR话筒输入的经过A计权的底噪电平（数字增益 = 0dB）

XLR话筒输入的无频率计权的底噪电平（数字增益= 0dB）

因此等效输入底噪电平可计算为：

此结果于ZOOM指标中的-127dBu一致。

2.3 动态范围

动态范围等于前面测得的最高电平（0 dBFS）与底噪电平（-134.3dBFS或经A计权的-136.4dBFSA）之差，即：134.3dB或136.4dBA。

传统上，动态范围是通过测量信号电平为-60dBFS时的信噪比SNR来推得的。动态范围为SNR+60（dB）。下图为按此法测试的结果。测得的SNR为72.4dB，因此动态范围为132.4dB。但是在本测试中所使用的信号发生器的底噪电平略高于ZOOMUAC-232的XLR话筒输入的等效底噪电平，因此用前面方法测得的134.3dB的动态范围更准确。

-60dBFS处XLR话筒输入的SNR（数字增益 = 0dB）

testguru

2.4 THD, THD+N, SNR, SINAD,ENOB, 底噪电平

当信号电平为-1dBFS时，测得的THD、THD+N、SNR、SNAD和底噪电平分别为0.0026%、0.0032%、90.03dB、94.85dB和-95.84 dBFS。这里测得的底噪电平远比前面测得的高，这是因为这里的信号电平高，底噪来自于低增益ADC而非高增益ADC。

-1dBFS处XLR话筒输入的THD、THD+N、SINAD、SNR、底噪电平（数字增益 = 0dB）

2.5 IMD

-1dBFS处XLR话筒输入的SMPTE IMD（数字增益 = 0dB）

-1dBFS处XLR话筒输入的DIN IMD（数字增益 = 0dB）

-1dBFS处XLR话筒输入的CCIF2 IMD（数字增益 = 0dB）

2.6带宽

带宽可通过注入20秒的对数扫频信号来测得，分析时采用了1/96倍频分析。测得的结果如下：

-3dB@48kHz带宽：9.5Hz~23.8kHz；20Hz~20kHz， ±0.21dB，这与ZOOM指标中的+0.1~-0.2dB一致。

-3dB@96kHz带宽：9.5Hz~47.6kHz；20Hz~40kHz， ±0.22dB。

-3dB@192kHz带宽：9.6Hz~91.8kHz；20Hz~80kHz， ±0.21dB，这与ZOOM指标中的+0.1~-0.2dB一致。

在48kHz采样频率下XLR话筒输入的带宽（数字增益 = 0dB）

在96kHz采样频率下XLR话筒输入的带宽（数字增益 = 0dB）

在192kHz采样频率下XLR话筒输入的带宽（数字增益 = 0dB）

2.7串扰

1kHz处XLR话筒输入的串扰（数字增益 = 0dB）

交响无际

这个论坛还讨论这个？

前几个月，国内还没上市时，意外发现了这个设备，从亚马逊日本海淘了一个。
大概一个半月后，还意外又退了40多元的税款。
好像还比国内买，便宜几百？
https://www.amazon.cn/gp/product/B0BVR1SYL2/


用了几个月，还挺满意的。

就是，48V幻象电源供电的开关按钮，某次在插拔动圈麦克风时，误触过一次，吓了一跳。
还好在网上搜到了这个视频，https://www.bilibili.com/video/BV1hA411C7tj/，说sm57是不怕误开48v的，这才踏实下来。

上个月亚马逊美国的铝带麦克风，意外标价少了一千多块RMB，秒了一支，结果说下个月才能发货。
了解到铝带误开48v有一定风险后，怕以后再误触到这个按钮，找了两个机柜螺丝的垫圈，正好可以圈粘在这个按钮上。

这种平衡口不带锁扣的情况，常见吗？老觉得，不卡住一下，不是太踏实了，呵呵。


之前试过用Audacity 32位浮点录，爆掉的音，用效果里的“消波失真修复”把爆掉的段落拉回来。听起来老觉得声音有点不太自然，可能是心理作用？不太懂了。
现在通道二的小振膜电容麦，还是在驱动里只开到18档，这样对吗？



另外，怎么设置才能使Audacity只录第二通道的麦克风呢？
现在只能先选成录两声道（立体声），然后再分离成两个单声道了，删除第一通道的音轨？

testguru

电脑音频接口的48V幻象电源开关按钮好像很多都是这样设计的，比如Focusrite Scarlett Solo，由于48V幻象电源内含限流电阻(6.8K左右)，一般不会损坏误接的其它类型的支持XLR接口的话筒。

MME和Direct Sound都不支持３２位浮点格式采样，因此只有WASAPI或ASIO才行。刚试了最新版Audacity3.3.3，发现它仍然不支持32位浮点录音，只支持32位浮点处理及数据保存，因此无法得到32位浮点录音的好处。

ZOOM　UAC-232 Mix Control只提供数字增益。如果是在32位浮点模式下，无论数字增益是多少分贝都不会影响录音质量；但在非浮点模式下，增益过大会引起削顶失真，增益过小，则丧失小信号的分辨率。

交响无际

testguru 发表于 2023-10-16 22:37
电脑音频接口的48V幻象电源开关按钮好像很多都是这样设计的，比如Focusrite Scarlett Solo，由于48V幻象电 ...

学习了，谢谢！
我用的是Mac，用了用audacity和ableton live录32位浮点，好像设置还挺直接、简单的了。


请教一下，UAC-232 Mix Control里面的这个“输入电平推子”，怎么理解比较好呢？是数字增益的意思吗？
我看数字是从0～60，每+3步进，这个数字的单位也是dB吗？
开到0，好像DAW就没声音输入了？有点像UAC232到电脑的输出音量推子？
谢谢

testguru

是的，UAC-232 Mix Control里面的“输入电平推子”就是数字增益，单位是dB。

交响无际

testguru 发表于 2023-10-17 20:48
是的，UAC-232 Mix Control里面的“输入电平推子”就是数字增益，单位是dB。

刚刚又试了一下，把这个“数字增益”推子拉到0，还是能录到一点点声音的。（之前误以为，拉到0就完全没声音了，所以一直有点没能理解了）

请教一下，如果加独立话放的话，不要uac 232做数字增益的话，是不是这个值平时就拉倒0的位置呢？谢谢！

testguru

在真正的32位浮点录音模式下（不是目前Audacity在WINDOWS下的那种伪32位浮点录音），无论数字增益置于什么地方，最低0dB或者最高60dB，录音质量完全不变，只是音量有变化。如果嫌音量太小或太大，可通过后处理软件Normalize一下，或者调节一下后处理软件的数字增益即可。但在伪32位浮点录音模式下，或在其它非浮点录音模式下，例如那些只有在数据处理和保存时才用到32位浮点格式的，则会在音量小时丧失清晰度，音量大时削顶失真。

如果外加独立话放，然后将UAC-232的数字增益置于0，当然是可以的，不过这相当于恢复了前端的模拟增益调节，没用到32位浮点录音的优点。

本篇文章将数字增益置于0是便于论述，置于其它任何地方都是可以的。例如，当数字增益为0dB时，XLR接口的削顶电压为2.35Vp, 对应的32位浮点数为1；当数字增益为20dB时，XLR接口的削顶电压仍然为2.35Vp, 对应的32位浮点数为10；当数字增益为40dB时，XLR接口的削顶电压仍然为2.35Vp, 对应的32位浮点数为100; 当数字增益为60dB时，XLR接口的削顶电压仍然为2.35Vp, 对应的32位浮点数为1000........

交响无际

testguru 发表于 2023-10-18 23:23
在真正的32位浮点录音模式下（不是目前Audacity在WINDOWS下的那种伪32位浮点录音），无论数字增益置于什么 ...

学习了，太感谢了。

我现在用UAC-232，接了一个sm57，一个se8，距离声源大约1米距离，声源声压级大约是90～110dBz。

在mix control里，sm57推到39，se8推到18，基本上95%以上的情况都不会爆掉了。

虽然目前对录音质量要求还不高，但最近一直有点长草，想弄个话放玩玩。

请教一下
1.看到不少说，动圈不好推，最好配个话放。不过，像我这种声源比较大声的，uac232的增益好像已经足够大、足够用了，是不是就不需要再加个独立话放提供额外增益了呢？
2.还看到一个视频说，类似这种5v usb的声卡，48v幻象电源的电压一般只有不到40v，接电容麦克风的话，建议弄个220v的话放。

请问uac 232的这个话放质量，大概如何呢？还是有32位浮点技术加持，这些都不是太大问题呢？
如果说1万多上话放，是不是不如弄个更好一点的麦克风，提升更大呢？

谢谢！

testguru

按下面计算SM57应该100%不会爆音，而SE8应该99%不会爆音：

ZOOM UAC-232：XLR输入阻抗2700 欧，最高不削顶输入电压：2.35Vp (1.66Vrms)

SM57（动圈）输出阻抗：310欧，灵敏度：-56dBV  (1.6mVrms/Pa)，等效本底噪声：小到在这里可忽略。

SE8（电容）输出阻抗：110欧，灵敏度：-32dBV  (25mVrms/Pa)，等效本底噪声：13 dB

由于这两种话筒的输出阻抗远低于UAC-232的XLR的输入阻抗，可忽略电压损失。因此在这样的配置下，最大不削顶失真的声压级为：

SM57： 94dB + 20log(1.66/0.0016) = 94+60 =154(dB)

SE8：94dB + 20log(1.66/0.025) = 94+36 =130 (dB)

再根据本文前面实测的动态范围（按保守的不加频率计权的134dB）可推知，最小可测的声压级为：

SM57：154 - 134  = 20dB

SE8: 130 - 134 = -4dB，由于这低于其等效本底噪声13dB，所以最小可测的声压级应取高者，为13dB。

动圈话筒的灵敏度通常偏低，不过由于UAC-232的动态范围大，按上面计算，SM57最低也可测到20dB，感觉足够了，无需外加话放来提供额外的模拟增益。SE8的低端可以，高端有 130dB了，也很难爆音吧。从USB口的5V转48V没啥问题，刚测了UAC-232的空载为48.18V。我一般只看客观测试参数，诸如THD、IMD、TIM、串扰、带宽、底噪、动态范围等。主观评价就要因人而异了。

chaos_xie

32bit浮点vs整数没有这么简单。都是32bit，浮点并没有提供更多的信息量。
浮点数的问题在于其分辨率在接近0和远离0的时候（比如1000）是不一样的。距离0越远，分辨率月底。它的有效数字位数是低于整形数的，因为还需要几个bit表示exponent 。浮点数的分辨率取决与其exponent 的大小。

因此用32bit浮点记录声音，表面上看动态范围增加了，但是声音很大的时候，量化噪声增加了。在低音量的时候，量化噪声却很低。

当然20bit的时候就db数已经超过了绝对上限了，32bit浮点的分数部分是23bit。因此分辨率肯定是够了。那么多出来的指数部分不是为了分辨率。但是直接用float，从方便数值处理来说是有意义的。

所以我个人推断，32bit float用在声音上主要是为了便于dsp直接处理raw数据吧。

testguru

chaos_xie 发表于 2023-10-22 10:05
32bit浮点vs整数没有这么简单。都是32bit，浮点并没有提供更多的信息量。
浮点数的问题在于其分辨率在接近 ...

32bit浮点vs整数没有这么简单。都是32bit，浮点并没有提供更多的信息量。
浮点数的问题在于其分辨率在接近0和远离0的时候（比如1000）是不一样的。距离0越远，分辨率月底。它的有效数字位数是低于整形数的，因为还需要几个bit表示exponent 。浮点数的分辨率取决与其exponent 的大小。

部分同意。同样都是32位数，32位浮点数仅有24位有效位数，比32位整数少了8位，而这丧失的8位有效位数挪用来作为指数（exponent）以极大地扩展动态范围，从32位整数192.7dB的动态范围扩展到32位浮点数1535dB的动态范围。有了扩大的动态范围，就大大提高了所能容纳的信息量，而且正如你所提到的，按目前ADC的噪声水平，24位有效位数尚未用完，所以在现实中32位浮点数暂时还谈不上有实际的有效位数损失。

浮点数的问题在于其分辨率在接近0和远离0的时候（比如1000）是不一样的。距离0越远，分辨率月底。

这种说法虽然在数学上正确，但在这里应该反过来这样表述：虽然32位整数在整个动态范围内提供了均匀的幅度分辨率，但是这恰恰是其弱点，因为当信号幅度弱的时候，人们希望幅度分辨率高，这样信号不至于丧失清晰度，通过数字增益提升后，清晰度仍在，而不至于出现锯齿；而在信号强的时候，幅度分辨率可以低一些，因为这时信号的清晰度已经很好了。这个问题在电路上的解决办法是采用多个不同增益的ADC，对强弱信号分别对待；在数学上的解决办法是用32位浮点格式来合并这些ADC的输出。

以ZOOM UAC-232为例，低增益ADC的满程电压为2.35Vp （4.7Vpp），而高增益ADC的满程电压为0.045Vp （0.09Vpp）。先忽略本底噪声影响，前者在32位整数格式下的幅度分辨率为：4.7V/power(2,32)=1.1nV，而后者在32位整数格式下的幅度分辨率为：0.09V/power(2,24)=0.021nV。如果现在有一个1.1nV弱信号，那么在低增益ADC下，32位整数仅能分出一级，可以说完全丧失了清晰度，而在高增益ADC下，32位整数可分出1.1nV/0.021nV=52级，可以说仍然保持了一定的清晰度。相反，如果现在有一个0.09V的强信号，那么低增益ADC下，32位整数能分出0.09V/1.1nV=大约8千2百万级，清晰度是足够的。而在高增益ADC下，32位整数能分出0.09V/0.021nV=大约43亿级，只不过如果电压超过0.09V后，高增益ADC就削顶失真了。通过32位浮点格式就能将二者的好处合并在一起，而将坏处扔掉。

因此用32bit浮点记录声音，表面上看动态范围增加了，但是声音很大的时候，量化噪声增加了。在低音量的时候，量化噪声却很低。

如前所述，这不是什么大问题。如果能出一个ADC系统，无论声音大小，量化噪声都跟低音量的时候一样，那当然更好。问题是必须在现实硬件系统可达到的水平下工作，不断提升。目前的这种多ADC方案已经是对单ADC方案的一个革命性的进步。做声音测量和录音的应该更明白这意味着什么。

如本文前面所述，由于底噪的影响，单个ADC的动态范围很难超过125dB，而最近这一两年，采用多ADC架构、以32位浮点格式输出数据的ADC系统开始成为热点。目前市面上的有浮点ADC系统的厂家大概只有三、四家。UAC-232的动态范围为134.3dB左右，SoundDevice的MixPre II据说可到140+dB，不过贵很多，我还没测过。也许有人会说，这些动态范围仍然低于24位整数的144.5dB的动态范围，更低于32位整数的192.7dB，为什么不将合并后的数据处理为24位整数或32位整数呢？

既然不是采用单个ADC那种直接整数输出方式，而是要做合并处理，那么直接处理成32位浮点更便于后续的DSP处理。窃以为更重要的是，前面测得的动态范围是以底噪电平为基础的，也就是说当处理为整数格式时，底噪电平被认为1Bit，以便硬塞进整数格式所提供的狭小的动态范围内，而浮点数据不一样，底噪部分仍然保存有丰富的细节，为后续的各种DSP处理提供丰富的空间，比如可通过DSP算法，轻松地检测出淹没于底噪中的微弱正弦波信号，这在缺乏细节的整数格式下是困难。

交响无际

testguru 发表于 2023-10-20 01:34
按下面计算SM57应该100%不会爆音，而SE8应该99%不会爆音：

ZOOM UAC-232：XLR输入阻抗2700 欧，最高不削 ...

赞！

还有一个疑问，想请教一下，麦克风上面的-10dB，-20dB的灵敏度切换开关，大概是做什么用的呢？一般不是特别特别大声的话，是不是没什么用呢？

只有当声源的声压级有可能超过139dB spl时，才用得到，对吗？谢谢！

如果声源的声压级是150dB spl，这个麦克风不设置切换到-20dB档位，只是麦克风内部会出现失真，和话放、UAC 232都没什么关系，这样理解对吗？

chaos_xie

testguru 发表于 2023-10-22 18:45
部分同意。同样都是32位数，32位浮点数仅有24位有效位数，比32位整数少了8位，而这丧失的8位有效位数挪 ...

很有道理，学习了。声音处理上分辨率变化不是缺点，是优点：）
注：稍微纠正一下，IEEE754标准里float里还有1个bit表示符号位，所有只有23个bit表示有效数字。

交响无际

testguru 发表于 2023-10-22 18:45
部分同意。同样都是32位数，32位浮点数仅有24位有效位数，比32位整数少了8位，而这丧失的8位有效位数挪 ...

请教一下，32位浮点录音的，除了zoom、sound device、tascam x8，还有什么可选的吗？

搜到这个SoundDevice的MixPre II了，https://www.sounddevices.com/product/mixpre-3-ii/
MixPre-3 II国内TB 7500，https://shop574267538.taobao.com/。明天白天再找人问问看。

大概翻了一遍说明书，感觉还挺好的。还可以接USB键盘控制，还有iOS、安卓app可以蓝牙遥控。又有点长草了，嘻嘻嘻～～

这个MixPre II产品出来好几年了吗？B站上的很多介绍视频，都是2020年的？