各种音量调节方式的优劣对比

最好的数字就是7

最近一直在纠结TT2的数字音量调节势必会导致动态压缩，所以买了CPA2200前级和SPM 600功放匹配推SUS，获得非常不错的效果。为此也对各种音量调节方式做了一些了解，希望下面的总结可以给各位朋友一些提示。本人不是专家，不保证以下论点的正确性，大家仅做参考。

音量控制可能会影响以下性能特征：

l  信噪比 （SNR），也称为动态范围

l  总谐波失真 + 噪音 （THD+N）

l  频率回应

l  通道间增益匹配

有四种常见的系统用于控制音量：

l  数位衰减器 - 数位信号处理 （DSP）

l  集成电路 - （IC）

l  无源衰减器 - 电阻或无源电位计

l  有源增益电路 - 放大器和可变电阻

受音量控制影响的品质

1.     动态范围和信噪比

“动态范围”和“信噪比”（SNR）描述了相同的特征。它们都表示最高可能的信号电平与元件产生的底噪水准的比率。这种底噪可能由热效应产生的白色噪音主导，也可能由离散频率主导，例如与交流电源产生的嗡嗡声和嗡嗡声相关的频率。

SNR测量是通过测量没有任何信号的底噪来进行的。但是，这种方法被证明对于包含自动静音技术的设备是不准确。当没有信号存在时，这些自动静音电路启动，“底噪”测量值将非常低。动态范围测量作为SNR测量的替代方法所引入。动态范围测量是通过用低电平测试信号测量底噪进行，该信号可防止自动静音启动。

音量控制对动态范围的影响可以通过“增益分级”的概念来解释。增益分级是通过调整每个有源增益分级（）和/或）衰减级（有源和/或无源）的水平来优化动态范围的做法。正确增益分级简单来说：协调所有器件同时达到最大输入/输出，在输入/输出电平的上部区域工作，并在需要时在信号链末端附近进行衰减。

2.     使用所有的HEADROOM来最大化动态范围

动态范围比喻成房间的高度，从地板到天花板，其中“地板”代表电子设备的底噪，“天花板”代表可能的最高信号幅度，“高度”代表动态范围。高个子的人比矮个子的人使用更多的可用空间。由于热噪音和其他电子因素，有源音频器件具有固有的底噪。只有使用适当的增益分级才能保证信号的“地板”和“天花板”之间的“高度”将保持一致，稍后在讨论特定的音量控制实现时将使用此类比。

3.     总谐波失真 + 噪音 （THD+N）

所有音频设备都会向信号链路增加噪音。这些噪音被归类为“杂讯”和“失真”。器件的THD+N 测量可量化器件增加的总误差。

THD+N测量将检测许多不同的现象：谐波失真、互调失真、抖动引起的失真、串扰、随机白噪音、电源嗡嗡声、外部噪音等。对于给定的THD + N比值，这些误差的可闻性差异很大。

4.     频率响应

设备的频率响应是测量与线性响应的偏差。一个完美的线性设备将水平地再现所有频率。对于具有线性频率响应的设备中所有频率输入信号，增益或衰减量都是相同的。

实际上，每个设备的频宽都是有限的。此外，通带内频率回应的精度也因元件质量有很大差异。特定非线性响应的一个例子：具有“低音增强”的音响设备。在这种情况下，低频将比信号中的其他频率获得更多的增益。

然而，许多元件的频率响应存在离散不规则性。例如，一些音量控制电路可能随著音量的变化而改变频率响应。

5.     声道间增益匹配

“声道间增益匹配”：设备实现不同声道输出电平（即立体声设备中左右之间）的精确匹配的能力。

音量控制系统

1.     数字衰减

基于DSP的数位音量控制可以通过硬件（DSP）或软体（DAW，媒体播放机或软件）来实现。在数据传送到解码器之前，对数字信号执行乘法运算。

在大多数情况下，基于DSP的音量控制将限制播放系统的动态范围。这是因为它没有用到解码器的整个动态范围。回到“房间的高度”类比，解码器可以产生的最大电平是“天花板”（或“淨空”）。当解码器输入端接收“满量程”（可能的最高数位幅度）信号时，达到达天花板。

如果数字信号在达到解码器之前衰减（数字音量控制），则其峰值幅度将从满量程中减少。换句话说，解码器的峰值输出将低于原有的“天花板”，但“下限”（固有噪音）将保持不变。在我们的“房间类比”中，数字衰减为我们的解码器增加了一个吊顶，使得新的“房间高度”（动态范围）降低。

此外，当发生数字衰减时，一般会应用抖动技术（噪音）以避免量化失真。因为降低的信号会增加新的噪音，这种抖动会降低信号的SNR，。如果数字音量控制的输出为16位，则抖动噪音为-96 dBFS（低于满量程96 dB）。但是，如果输出为24位，则抖动噪音为-144 dBFS。当满量程以下144 dB时，就不会有太大的负面影响。

其实从这个音响系统来看，数字衰减造成动态范围的影响并不明显。换句话说，如果系统中功放系统的动态范围为100 dB，则解码器的动态范围是否从125 dB降低到110 dB并不重要。从水桶效益可知，该系统的动态范围仍将仅为100 dB。通常，解码器动态范围越高，可以施加的数字衰减就越多，不会影响整个系统的动态范围。

除了动态范围限制之外，还应该关注劣质的DSP算法法引起的失真。如果设计人员没有实现适当的抖动，则会发生严重的非谐波失真。许多电脑播放系统缺乏抖动机制，16 位系统在省略抖动时具有明显的失真。24 位和 32 位系统要好得多。

但是我们看到设计得当的数字音量控制正变得越来越普遍，精心设计的数字音量控制几乎不会给声音带来可闻的失真。

只要满足以下条件，基于 DSP 的音量控制可以很好地工作：

l  数字音量控制必须设计得当。DSP 计算在内部至少 24 位的字长。如果输出字长度小于24位，则必须加入抖动。要麽是抖动的，要麽是长字长（24位或更多位）。许多媒体播放机、计算机和数字设备都使用16位未抖动的音量控件。在大多数情况下，可以通过将音量设置为最大值来绕过这些16位音量控件，使用解码器来控制播放电平。

l  解码器必须具有宽泛的动态范围。对于正常收听电平， 20-30 dB 的衰减并不少见。在这些情况下，解码器的动态范围将减小20-30 dB。如果您的解码器只有 110 dB 的动态范围，则输出的动态范围将为 80-90 dB，该动态范围小于 16 位 CD 的动态范围。

l  解码器输出的峰值电平应与信号路径中下一个器件（放大器、前置放大器等）的最大输入电平相匹配。前面他到增益分级的问题，这样才能充分利用了两个器件的裕量。

2.     模拟集成电路

许多产品使用集成电路（IC）来控制音量。这些音量控制IC存在噪音和失真问题。由于在单个IC封装中，封装了许多精密元件，复杂度大幅提高。具体而言，这些元件（IC内部）的尺寸、材料、接近度和电压限制，严重影响这个解决方案的整体音质。

模拟音量控制集成电路的性能由以下因素决定：

l  IC晶片内电子元件之间的串扰： 当小尺寸电子元件封装在单个晶圆（晶片）中时，非常容易受到串扰的影响。串扰是通过基板耦合（通过基板从一个节点到另一个节点的电压耦合）发生的现象。串扰量与节点的接近程度成正比。因此，由于元件彼此靠近，小型集成封装极易受到影响。

l  功耗和噪音：功耗和噪音之间存在正向关係。通常，IC的设计希望最大限度地降低功耗，这需要高阻抗电路。然而，“约翰逊噪音”原理，噪音会随著阻抗的增加而增加。换句话说，高阻抗电路会产生更多的噪音。相比之下，低阻抗电路会导致更多的功耗，从而导致更多的热量。元件非常小，所以通常需要使用降温技术。这种温度差异改变元件的电阻和电容。结果，元件的频率响应变得非线性，从而导致失真。

l  IC晶片内元件的非线性行为： 非线性可能由各种问题引起。上面讨论了由于热变化引起的非线性问题。此外，IC在电路元件之间具有寄生洩漏路径。洩漏电流和直流失调会导致非线性行为。非线性行为会导致失真。

3.     无源衰减器

无源衰减器只是一个电阻器电路或电位计，在信号路径中分压。分压器的输出是输入信号的压缩信号。无源衰减器仅使用“无源”元件，即不需要电源的元件。

许多人认为无源衰减器是完全良性的。现实情况是，无源衰减器会降低音质。当使用品质差的电阻器时，会产生失真。如果衰减器的阻抗太高，将产生噪音。具有高阻抗（大于500欧姆）的无源衰减器尤其成问题。

构建高品质连续可变无源衰减器是非常困难的。电位计会导致失真，并可能导致阻抗变化。这些变化会导致频率响应的变化。

相比之下，使用固定电阻构建固定或阶梯衰减器相对容易。高精度金属膜电阻器可用于构建高品质的固定分压器。

以下特性决定了无源衰减器的性能：

l  高阻抗（高Z）会降低共模抑制比。 共模抑制主用于适当的平衡系统。在完美平衡系统中，器件的差分输入将消除平衡连接的两条传输线上常见的任何噪音（例如.XLR）。解决前端器件输出端的伪影问题。器材达到这一目标的能力强弱称之为“共模抑制比”，并受到多种因素影响。通常，低源阻抗和高负载阻抗将获得更高的共模抑制比。因此，为了共模抑制，不希望使用高Z值的无源衰减器，将到源阻抗的增加。

l  可变阻抗将改变频率响应。无源衰减器的输出阻抗通常随音量设置而变化，随著音量设置的变化，频率回应也会发生变化。器件的输出（源）阻抗与负载（下一个器件下游）的电容和/或电感相结合，将产生滤波效益，因而不同的阻抗值会导致不同的频率响应。例如，较高的阻抗和电容值将形成低通滤波器。当阈值频率接近听觉范围（低于20 kHz）时，将被过滤。如果电缆和负载电容接近500 pF，无源衰减器的阻抗为15 kOhm，则在20 kHz时将有3dB的衰减！

l  高阻抗会增加声道增益差异。高源阻抗将对下游器件输入的增益产生明显的影响。左声道和右声道之间源阻抗的任何微小差异都将导致两个声道之间增益差异。

l  高阻抗会增加噪音。所有电阻器都会产生热噪音，也称为“约翰逊噪音”或“詹森-奈奎斯特”噪音。这种噪音是由于电子热激发的，引起随机的电压波动。当电阻与信号路径串联时，信号中产生随机的热噪音。随著电阻的增加，增加的噪音量也会增加。因此，高阻抗无源衰减器会比低阻抗无源衰减器会产生更多的噪音。如果阻抗足够低，热噪音将可以忽略。

l  必须使用高品质电位器。低品质的电位器会给信号增加额外的噪音和失真。电位器建议使用精密薄膜或金属膜类型，以保持低噪音和低失真。

4.     有源增益电路

有源增益电路只是电平放大器。它们的工作原理是将信号发送到有源放大元件（电子管/晶体管/运算放大器/等），其增益通常通过电位计调节。

虽然有源增益电路可能会受到噪音和失真的影响，但设计得当的有源增益电路仅产生很少的噪音或失真。如果被限制在合理的范围内，则有源增益控制的性能可能优于其他控制方式。可在 +/- 10 dB 控制范围内实现极好的效果。

频率相应在增益设置下都是恆定的。输出阻抗非常低，并且在所有设置下都是恆定的。这两项性能极佳。