你有没有遇到过这种情况：把录音设备的输入短接，或者接上麦克风但保持环境绝对安静，然后把监听音量开到最大——耳机里传来一阵微弱的“吱——”声，像某个固定的频率在响。
明明没有信号，噪声从哪来的？
如果你用的是ΔΣ架构的ADC（音频Codec几乎全是这种），这个噪声很可能就是“空闲音”。今天聊聊这个现象是怎么回事，以及怎么把它移出音频带。
一、空闲音是什么？
空闲音是指ΔΣ调制器在输入为直流（包括0V）时，输出端产生的一种固定频率的噪声分量。它不是随机噪声，而是一个有规律的单音或谐波成分。
为什么会有这个东西？ΔΣ调制器以远高于音频的速率（比如几MHz）对输入信号采样，输出一串1位或多位的数据流。当输入是稳定的直流时，调制器有时会“卡”进一种重复的周期模式，比如“01010101...”这种交替输出。
这个周期模式在频域上对应一个固定的频率。当这个频率落在20Hz-20kHz的音频带内时，就会被听到。
ΔΣ调制器基本结构
积分器、比较器和反馈DAC构成的环路，空闲音产生于调制器的周期性输出模式
实测频谱显示，输入空闲时，音频带内会出现多个高于底噪的杂散尖峰。而当输入一个很小的信号时（比如-60dBFS），这些尖峰就消失了。这说明空闲音只出现在输入接近直流的时候，一旦有实际信号，调制器就被“激活”，周期性模式被打断。
二、空闲音是怎么产生的？
ΔΣ调制器工作在极高的过采样率下。比如调制器时钟6.144MHz，音频输出采样率48kHz，过采样率就是128倍。输入直流时，比较器的输出会出现重复的“0101...”模式，在调制器时钟一半的频率处产生一个尖峰。
但是，实际芯片中还存在非理想因素：
这些因素会让尖峰频率发生微小偏移。当这个频率被数字抽取滤波器下采样到音频输出率时，就会折回到音频带内，形成一个可听的单音。
输入空闲时有一个明显的尖峰，幅度听起来很小，但如果后面接了高增益的功放或耳机放大器，这个噪声就可能被放大到可闻的程度。当输入一个小信号时，这个尖峰就消失了。
ADC输入空闲时的FFT频谱对比
上图为空闲状态（有明显尖峰），下图有小信号输入（尖峰消失）
三、怎么把空闲音移出音频带？
空闲音的频率与输入直流失调电压有关。通过人为增加一个小的外部差分失调电压，可以改变调制器的工作点，从而改变空闲音的频率。当失调电压足够大时，空闲音会被推到20kHz以上，移出人耳可听范围。
实际操作：在输入端加一个小失调
这个方法要求采用直流耦合输入——因为交流耦合电容会阻断直流，加了失调也没用。输入端通常通过电阻分压器偏置到电源电压的一半，然后在正负输入引脚之间串一个小电阻，产生差分失调电压。
引入直流失调电压的分压器方案
左边是正常偏置，右边是加入失调电阻产生电压差
失调电压的计算公式为：VOS = (VCC × ROS) / (2R + ROS)
举个例子：电源电压3.3V，分压电阻2.2kΩ，想要15mV失调，只需要在正负输入端之间串一个约20Ω的小电阻。
不同失调电压下的空闲FFT频谱
失调越大，空闲音尖峰向高频移动越明显
实测效果很明显。失调为0mV时，音频带内有多个尖峰；加到5mV，尖峰开始向高频移动；加到10mV，大部分尖峰已移到15kHz以上；加到15mV，所有尖峰都移到了20kHz以上，音频带内干干净净。
这个方法的代价是：直流耦合输入的SNR会比交流耦合低2dB左右，因为直流路径会引入更多1/f噪声。但对于录音设备、会议麦克风这类对底噪有极致要求的应用，这个取舍通常是值得的。
四、总结
空闲音是ΔΣ调制器在直流输入时产生的固有现象，不是芯片坏了。解决方法的核心思路是：改变调制器的工作点，把空闲音推到音频带外。
新一代ADC已经通过改进的内部设计，在音频带内获得了更优的无杂散性能。但如果你在做的是一个对静音底噪有极致要求的产品（录音室设备、助听器、高端会议系统），加一个小失调仍然是一个简单有效的硬件手段——用一颗电阻换一个干净的底噪，这笔账是算得过来的。 |
