一次测试：声卡抗混叠性能大PK！

2021-10-27 16:02 作者:造音星球 0人读过 | 我要投稿

经过“采样”系列的文章讲解，大家应该了解了什么是采样率、什么是采样深度、什么是抖动，以及高采样率的意义。其中，高采样率有一个特别重要的功能就是“抗混叠”。如果采样率不理想，则对于超过奈奎斯特频率的信号的采样会产生令人不适的混叠效应。那么，我们日常使用的音频接口，对混叠的应对方法是怎么样的呢？

今天这篇番外篇，是一次“实验报告”。我们使用了三个不同价位、不同型号的音频接口测试了抗混叠性能。在此，先特别感谢广州龙维电子科技有限公司和肖笙老师在这个测试过程中的大力支持和技术协助。

我们用到的声卡，分别是入门级的MIDIPLUS Studio 2 Pro、工作室常用的MOTU 828 MK3，还有顶级桌面声卡Apogee Symphony Desktop。这三个声卡的价位，从千元到万元以上，覆盖了各类用户的需求。在声卡性能测试方面，对于频率响应、动态范围、底噪、失真等参数，其实已经有很多团队进行过测试。不过对于抗混叠性能，我还真没有看过。

我们的测试过程非常简单：使用一个信号发生器，输出纯净的特定频率的正弦波和方波信号，分别进入到三个不同声卡的输入端口，在合适的电平下进行录音。通过控制信号发生器进行扫频，并分别在不同的采样率下进行录制，最后使用频谱图来观察频率的分布，就可以看到混叠发生的频段了。

在44.1kHz下，MIDIPLUS、MOTU、Apogee的声卡录制的扫频正弦波信号的频谱图如下：

有必要解释一下图片里各个元素的意义：

这个频谱图，我使用的是-96dB到0dB的显示范围，这意味着在16bit下，有效的信号内容。其中每一个竖线，其实是因为切换频率时，信号发生器产生的突变的信号，可以忽略：

其中，基频之上存在一条颜色比较淡的曲线，这就是谐波失真，但是他们并不算多，只能调一下频谱图的颜色尺度才能看清楚：

在低频率区域，可以看到一些一直存在的频率，这些是硬件设备中的嗡鸣(Humming)，和电气环境有关：

混叠的地方在这儿：在输入频率超过22.05kHz之后，信号仍然被记录下来，只不过频率越来越低，这就是欠采样后的高频信号：

其实还不只这么多，当我把频谱显示的动态范围调整一下之后，可以看到这些混叠是可以覆盖到整个频段的，而且三个声卡全无例外：

这也验证了一个结论：不存在（模拟电路中的）完美的砖墙滤波器。即使是最顶级的声卡，它的滤波器也存在滚降，只不过它们让声音衰减了很多，比人耳能察觉的更低罢了。并不能完全去除混叠！

通过波形，我们还能大概猜出每一个声卡的抗混叠滤波器的形状，大概是这样的：

在更高的采样率中，这三个声卡的表现又如何呢？

在96kHz和192kHz的采样率中，Apogee终于充分展现了顶级声卡的优势，实际上在96kHz和192kHz下，Apogee的抗混叠滤波器性能都更好一些，截止频率比另外两者更高（以192kHz为例）：

Apogee Symphony Desktop的截止频率比另外两个声卡都高一些，当然牺牲了一定的谐波失真，而MOTU 828mkiii对Humming的控制真的是最好的。

从时域波形也可以猜出来，Apogee的抗混叠滤波器在192kHz下滚降是最快的：

这些结论可以给我们什么样的启示呢？我认为有以下几点：

1. 声卡的抗混叠滤波器的设计是建立在“不破坏奈奎斯特频率以下的信号”的基础上的。也就是说，如果你的声卡的采样率是44100Hz，即使要录制的信号中有22049Hz的信息，也会被无损地录制下来。它们不希望因为抗混叠而影响到这些无辜的频率。

2. 声卡的抗混叠滤波器的曲线，总会控制到在18kHz以下（多数人耳可听部分）基本不会被干扰。比如我换成方波信号进行测试，即使对于这样的谐波丰富的声音，声卡也会让混叠不跑到18.5kHz以下：

3. 如果你希望你的声音尽量干净，请使用更高的采样率进行录制，比如96kHz，这将会尽可能保护一些高于20kHz的信号，尤其是在录制音效、拟音的过程中，后期很可能会对它的频率进行大改动，所以此时请确保在可用频率内尽可能干净。事实上，虽然我们熟知的编曲音源多数在44100Hz和48000Hz下采样，但是涉及影视音效的素材基本都是96000Hz采样的。

4. 很多效果器的建模过程中没有考虑到上采样的必要性，尤其是压缩类效果器。很多时候，我们会觉得“硬件压缩好像就是比软件的好听，不过有些软件压缩也确实不错”——这就是因为有些软件效果器中并不考虑上采样，混叠已经干扰到可听频率了。这一点要尤其注意，解决方法有两个：要不就统一使用96kHz等高采样率进行混音，要不就是用有上采样功能的插件。为了避免纠纷，我不公开我这个压缩器的具体品牌，只是请大家看看，混叠对插件效果的影响：

一个单纯的扫频信号：