聲卡延遲測試方案及分析

章佩　王曉晨　張茂盛

摘 要：針對不同聲卡之間因運算能力差異導(dǎo)致音頻信號處理、傳送存在延遲的問題，本文提出一種多聲卡延遲測試方案。通過多個實驗比較內(nèi)置聲卡和外置聲卡在延遲方面的差異，，在不同聲卡的不同通道中分配不同頻率的音頻信號，同步播放后利用人工頭錄音，分析頻譜差異計算出不同頻率信號之間的時間差，從而得出各通道音頻信號的延遲。實驗結(jié)果表明在頻率范圍400—4000Hz范圍內(nèi)，對于同一塊聲卡，通道間基本無延遲，但是外置聲卡聲音延遲比內(nèi)置聲高，平均延遲約50ms。

關(guān)鍵詞：延遲；測試；聲卡；音頻

1 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們對聲音的要求不再只是“有聲音”即可，更加追隨空間感的體驗，例如在一個音樂會的錄音，在舞臺各方向同時傳來的不同樂器的聲音，我們只能聽到各個方向不同樂器的綜合聲，而不能分辨哪個樂器聲音是從哪個方向來的，感覺不到像在音樂廳現(xiàn)場聽音樂時的那種空間感和方位感，如果錄音時能夠把不同聲源的空間位置反映出來，使人們在聽錄音時，就好像身臨其境直接聽到各方向聲源發(fā)音一樣，這樣使得人們的聽視覺能夠得到一致滿足，因此多聲道的引入給人們帶來了很大程度的聽覺享受。為了重建聲源的空間方位信息，研究人員陸續(xù)提出了立體聲[1]、5.1聲道[2]、7.1聲道[3]，以及22.2聲道[4-6]等多聲道[7]回放系統(tǒng)，然而，當(dāng)前主流的聲卡均僅支持5.1、7.1聲道，無法直接連接8個以上的揚聲器。使用多聲卡級聯(lián)以支持更多聲道數(shù)，是業(yè)內(nèi)廣泛采用的解決方案。由于各種聲卡的計算資源、運算能力、接口等互不相同，導(dǎo)致不同聲卡的延遲[8]并不一樣，而延遲的差異會導(dǎo)致聲音效果和聲像出現(xiàn)偏差，影響聽眾的聽覺享受。如果能了解各種聲卡延遲的差異，則可以用于指導(dǎo)揚聲器的配置，消除延遲帶來的影響。但是對于用戶而言，購置聲卡后并不知道各聲卡延遲之間的區(qū)別，只能被動的直接將聲卡連接功放或揚聲器使用。

本文提出了一種聲卡延遲測試方法，實現(xiàn)了在一定的頻率范圍內(nèi)內(nèi)置聲卡和外置聲卡時間延遲的比較。本文首先介紹了聲卡延遲測試的實驗環(huán)境和基本方案，然后介紹了實驗過程，通過四次不同的實驗，得出每一個實驗的結(jié)論，并對不同的實驗結(jié)論進(jìn)行比較，得出外置聲卡聲音延遲比內(nèi)置聲卡延遲高，在實驗過程中可能存在一些客觀的影響因素，對可能存在的干擾因素進(jìn)行了分析。

2 實驗方案

2.1 實驗環(huán)境

為了盡量避免外界因素的干擾，本測試方案選用一個封閉的小房間，房間尺寸為6.5米（長）×4.5米（寬） ×3.5米（高），將人工頭放置在小房間的正中央，8個音箱圍繞人工頭前方半圓內(nèi)，與人工頭距離相同。音箱間距離大致相同。采用人工頭錄音，存儲在計算機(jī)中進(jìn)行分析。8個音箱與人工頭距離相同。選用華碩PCI-E內(nèi)置聲卡1塊、創(chuàng)新USB外置聲卡1塊以及臺式機(jī)一臺。

實驗的具體配置如下：將臺式機(jī)中安裝內(nèi)置華碩聲卡，同時外接USB創(chuàng)新聲卡。兩塊聲卡各接四通道，其中內(nèi)置華碩聲卡連接了左前、右前、左側(cè)、右側(cè)四個輸出接口，外置創(chuàng)新聲卡連接了左前、右前、左后和右后四個輸出接口，在測試過程中，在臺式機(jī)上將8軌道信號同時播放，在Audition中設(shè)置軌道1-4連接內(nèi)置華碩聲卡，軌道5-8連接外置創(chuàng)新聲卡，人工頭錄音后傳送至筆記本進(jìn)行分析并計算出各通道的延遲。測試系統(tǒng)配置圖如圖1所示。

2.2 實驗數(shù)據(jù)

在測試過程中，在臺式機(jī)上將8軌道信號同時播放，其中軌道1-4連接內(nèi)置華碩聲卡，軌道5-8連接外置創(chuàng)新聲卡。

實驗1：從400Hz開始，每300Hz生成一個脈沖信號，共生成8個軌道音頻信號（400-2500Hz），400Hz、700Hz、1000Hz、1300Hz等分配至內(nèi)置聲卡，1600Hz、1900Hz、2200Hz、2500Hz等分配給外置聲卡，均為單聲道、16位、采樣率48kHz；

實驗2：將實驗1的軌道與頻率的對應(yīng)順序顛倒，即頻率為2500Hz、2200Hz、1900Hz、1600Hz信號傳送至內(nèi)置聲卡，1300Hz、1000Hz、700Hz、400Hz等稍低頻率的音頻信號傳送至外置聲卡。

3 實驗結(jié)果

實驗1結(jié)果：對于同一個聲卡而言，各通道之間基本無延遲。但是外置聲卡與內(nèi)置聲卡之間延遲比較明顯：外置創(chuàng)新聲卡（軌道5-8，頻率1600-2500Hz）比內(nèi)置華碩聲卡（軌道1-4，頻率400-1300Hz）延遲約高50ms，如圖2所示。

實驗2結(jié)果：2500Hz（內(nèi)置聲卡、軌道1）、2200Hz（內(nèi)置聲卡、軌道2）延遲最小，1900Hz（內(nèi)置聲卡、軌道3）、1600Hz（內(nèi)置聲卡、軌道4）比軌道1與軌道2延遲高約10ms，400-1300Hz的較低頻率部分由外置聲卡傳送，延遲明顯高于內(nèi)置聲卡，約高40-50ms。

4 結(jié)束語

實驗結(jié)果顯示，同一聲卡的不同聲道之間，用戶基本感知不到音頻的延遲，而內(nèi)置聲卡與外置聲卡的延遲出現(xiàn)明顯差異。另外，由于房間存在環(huán)境噪聲，如外部噪聲、玻璃窗的聲音、電腦主機(jī)翁鳴聲，以及反射聲等對錄音造成了一些影響，導(dǎo)致錄制的頻率成分較寬，且相鄰頻率的差異比較模糊，如無法明顯分別出400Hz與700Hz的區(qū)別。因此實驗結(jié)果難以確定精確延遲，但是呈現(xiàn)出了明顯的規(guī)律。下一步將在更寬頻率范圍、更好的環(huán)境、更多的級聯(lián)聲卡及更多通道中測量各聲卡的延遲。

[參考文獻(xiàn)]

[1]曾廣興.立體聲技術(shù).現(xiàn)代音響技術(shù)應(yīng)用，1998：廣東科技出版社.

[2]王啟發(fā).5.1聲道環(huán)繞聲制作系統(tǒng).音響技術(shù)，2008（4）：p.45-47.

[3]劉東.享受虛擬7.1聲道音效碩美科.G945，游戲耳機(jī).微型計算機(jī)， 2010（028）：p.76-76.

[4]韓偉.NHK更高臨場感的未來電視研發(fā)近況.有線電視技術(shù)， 2010（003）：p.10-15.

[5]曹玉雯，姜波.22.2聲道系統(tǒng)的發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)化.電聲技術(shù)，2012.36（12）： p.77-82.

[6]梁華.數(shù)字影院多聲道環(huán)繞聲技術(shù)的新發(fā)展.演藝科技，2012.4：p.007.

[7]巫毒.多聲道環(huán)繞立體聲耳機(jī)一覽.計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2002.11：p.005.

[8]種蘭祥，閻麗，張首軍.基于計算機(jī)聲卡的多通道數(shù)據(jù).西北大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版），2002.32（6）.