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音頻D/A轉換與功放IC特性探討
文章來(lái)源: 更新時(shí)間:2010/9/28 14:27:00
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多媒體產(chǎn)品(Multimedia)是指能夠同時(shí)表現2種以上文字、圖表、影像、聲音與動(dòng)畫(huà)等訊息的產(chǎn)品,不過(guò)訊息雖多,但是結合影像與聲音的影音多媒體,則一直占主流地位,因此能傳達此類(lèi)訊息的表現方式,如電視、電影,都被稱(chēng)為強勢媒體。
 
 過(guò)去能播放影音多媒體的設備,體積都相當龐大。拜IT產(chǎn)業(yè)進(jìn)步,IT與CE設備中,多媒體產(chǎn)品如雨后春筍,種類(lèi)與數量愈來(lái)愈多,體積也有縮小化趨勢,例如多媒體個(gè)人計算機、筆記型計算機、手機、游戲機、專(zhuān)業(yè)機(如電子字典、電子書(shū)閱讀機)、MP3音樂(lè )播放機、可攜式多媒體播放機(PMP)、個(gè)人數字導航設備(PND)等。
 
 由上述分類(lèi)可知,IT/CE產(chǎn)品以影音應用產(chǎn)品為市場(chǎng)大宗,就算原非多媒體用途(如PC/NB,手機),也跨足影音領(lǐng)域。很明顯,IT/CE產(chǎn)品從單純的「計算器」走進(jìn)消費性電子產(chǎn)品市場(chǎng),進(jìn)而創(chuàng )造廣大商機,影像播放與聲音聆聽(tīng)的多媒體需求,絕對是最重要的殺手級應用。
 
 當然,影音多媒體并不完全局限于娛樂(lè )用途,舉凡商品或服務(wù)展示、簡(jiǎn)報、意見(jiàn)咨詢(xún)、科學(xué)研究、教學(xué)訓練、雙向互動(dòng)等各種用途,都可用多媒體實(shí)現。
 
 


 圖說(shuō):原本以傳輸語(yǔ)音為主的手機,目前卻被賦予豐富的娛樂(lè )用途,播放音樂(lè )亦是重點(diǎn)應用。圖中的Nokia 6233甚至配備雙揚聲器,強化聆聽(tīng)音質(zhì)。
 
 

多媒體產(chǎn)品影音失衡 音效功能長(cháng)期被忽略
 
 影音多媒體設計上,長(cháng)久以來(lái)多半是由影像功能掛帥,無(wú)論是機構設計或是市場(chǎng)宣傳,影像的訴求遠遠大于聲音。例如IT設備中的筆記型計算機,強調多媒體用途者,多半以大屏幕與強力顯卡為訴求,音效功能則多輕描淡寫(xiě)。
 
 反觀(guān)CE產(chǎn)品類(lèi),也是如此,以多媒體手機為例,雖手機以傳送語(yǔ)音起家,但是搖身變成多媒體手機后,幾乎都以強調顯示功能為主,甚至將多媒體手機分為單色、CSTN、STN、TFT、AM OLED等,完全以影像為分類(lèi)主導,對聲音則鮮少著(zhù)墨,幾乎沒(méi)有研究將多媒體手機音效的進(jìn)步,列為分類(lèi)重點(diǎn)。
 
 這樣的發(fā)展趨勢,原因之一在于人類(lèi)的感官中,80%是倚賴(lài)視覺(jué),因此在多媒體中,視覺(jué)所占的重要性也相對提高。其次根據人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)特性,也不是所有的聲音都能感受、分辨,許多音效壓縮格式多將一般人耳無(wú)法查覺(jué)變化的音頻舍棄,減少音訊編碼的數據量,就算解壓縮后的音質(zhì)與來(lái)源不盡相同,對還原后的音質(zhì)體驗感受差異不大,此稱(chēng)為感知編碼 (Perceptual Coding),因為訊號源已經(jīng)處理略微劣化,多媒體播放出來(lái)的聲音自然無(wú)法追求質(zhì)量。
 
 再者,電子環(huán)境對于音效的質(zhì)量,也是相對不友善的環(huán)境,充滿(mǎn)噪聲與干擾。傳統的模擬音效環(huán)境,例如音響,無(wú)論訊源、前級、后級部分,雖有電子設備與電源,但是擁有良好的屏避與阻隔,設計者較能掌握、排除其對音質(zhì)的干擾。
 
 但音效設計場(chǎng)景換到IT/CE設備,因電路版空間有限,不可能針對單一訊號進(jìn)行太多遮蔽、改善,且受限成本考慮,通常也很難利用較好的電容或電感,來(lái)減輕或阻絕交換式電源供應器天生的噪聲,加上其它設備的電磁波干擾,聲音表現自然大打折扣。
 
 在如此發(fā)展趨勢下,影音受重視的程度逐漸失衡,此點(diǎn)由多媒體中數字影像規格,由高度破壞性壓縮的Mpeg格式進(jìn)展到Mpeg2,甚至目前的各種HD規格,畫(huà)質(zhì)表現愈來(lái)愈清晰、分辨率不斷飆升,追求質(zhì)量的趨勢相當明顯。但數字音效卻反其道發(fā)展,破壞性壓縮的mp3格式甚至AC3等盤(pán)據主流市場(chǎng),音質(zhì)較佳的無(wú)失真壓縮反而成了小小眾。消費者長(cháng)期受到此趨勢影響,對于多媒體中聲音質(zhì)量的要求,多半也以「有聲音」就好的態(tài)度面對。
 
 


 圖說(shuō):MP3就是音樂(lè )播放產(chǎn)品,音樂(lè )的播放效果即音質(zhì)優(yōu)劣,便成為評斷MP3的最終條件。不過(guò)目前許多廠(chǎng)商卻在外型、功能上大做文章,似乎本末倒置。
 

 影像發(fā)展紅海競爭 強化音質(zhì)成多媒體產(chǎn)品差異化活路
 
 如前述,因影像功能獲得的重視遠大于聲音,因此多媒體產(chǎn)品在影像部分的競爭相當激烈,但由于零組件多半由特定供貨商提供,設計人員雖然可在布線(xiàn)、調整上,做出修正,取得更好的影像質(zhì)量,但是實(shí)質(zhì)差異通常不會(huì )太大,最后產(chǎn)品上市后,由于與競爭產(chǎn)品沒(méi)什么差異,往往陷入白熱化的價(jià)格戰。這樣的紅海市場(chǎng),相信是許多廠(chǎng)商的痛,卻又不得不奮力肉搏,不過(guò)音效卻可能成為多媒體產(chǎn)品拉開(kāi)差異化的救贖。
 
 例如宏碁2007年,隨著(zhù)Santa Rosa平臺,推出的一系列筆記型計算機,舍棄傳統強調性能的宣傳模式,而將訴求重點(diǎn)放在提高聲音質(zhì)量,以「有杜比,最動(dòng)聽(tīng)」的口號,成功的打動(dòng)消費者,因此在筆電市場(chǎng)創(chuàng )造亮眼銷(xiāo)售佳績(jì)。由此例可見(jiàn),高音質(zhì)的數字裝置,并不是沒(méi)有市場(chǎng),只是過(guò)去沒(méi)有選擇,一旦有音質(zhì)較佳的產(chǎn)品出現,就能夠迅速拉開(kāi)產(chǎn)品差異性。
 
 不過(guò)要設計好的數字音效裝置,并不是那么容易,設計者首先要能掌握數字音效原理,了解數字音效原理、編碼模式、音質(zhì)好壞標準,接著(zhù)認知目前影響數字音效質(zhì)量的關(guān)鍵零組件。
 
 


 圖說(shuō):宏碁筆記型計算機在2007成功以較佳的音效,拉出與對手產(chǎn)品的競爭差距,創(chuàng )造銷(xiāo)售佳績(jì),就是以音效為產(chǎn)品創(chuàng )造差異化、提升競爭力的實(shí)例。
 

 音效原理與壓縮格式掌握 設計高質(zhì)量音效裝置的第一步
 
 聲音是一個(gè)籠統的名詞,以物理性分析,聲音由4種特性組成:
 
 1、音高:震動(dòng)頻率(Frequency),指單獨一個(gè)音在整個(gè)音域中的位置。音根據音波振動(dòng)的頻率在音高上有高或低等分別。
 2、響度:震動(dòng)幅度(Amplitude),聲音的強弱稱(chēng)為「響度」,通常以「分貝」(dB)來(lái)表示響度大小。
 3、音色:震動(dòng)波形(Wave Form),又稱(chēng)音品,聲音在真實(shí)世界由震動(dòng)產(chǎn)生,而不同的物體振動(dòng)的原理和情況都不同,震動(dòng)波形相異,就會(huì )形成各種不同的音色,如纖細、渾厚等。
 4、方位:音源(Source)與聽(tīng)者的相對位置,但人的雙耳除了判斷聲音的方位之外,也可感受聲音的空間感,空間感由聲音的直接音(direct sound)、早期反射(early reflection)、回響(reverberation)等3部分重現。
 
 重現聲音,對于數字音效來(lái)說(shuō),卻具有天生上的難度,因為數字音效常常都是壓縮、編碼、重制后的產(chǎn)物,主要原因是為了滿(mǎn)足儲存容量的需求,因此利用音訊編碼(Digital Audio Coding)可實(shí)現聲音數字化后檔案體積小、復制不失真、容易保存及保密等優(yōu)點(diǎn)。
 
 音訊編碼其中一種方式是以無(wú)失真 (Lossless) 為原則,意指當經(jīng)過(guò)壓縮過(guò)的訊號,再解壓縮之后,可以還原成幾乎與未經(jīng)壓縮的訊號質(zhì)量一致,這種方法對音樂(lè )質(zhì)量有較好的保障,然而所付出的代價(jià)是壓縮率偏低,像DVD Audio規格采用的MLP (Meridian Lossless Packing) 就是無(wú)失真壓縮的一例,壓縮率只有50%左右。
 
 目前主流編碼格式則反其道而行,為得到較高的壓縮效率,根據人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)特性,將一般人耳無(wú)法查覺(jué)其變化的高低頻數據舍棄,減少音訊編碼的數據量,與解壓縮后的數據不盡相同也無(wú)妨,這一種壓縮方式泛稱(chēng)為感知編碼 (Perceptual Coding) 或是感觀(guān)式編碼。
 
 音訊編碼有許多種,針對聲音的編碼有PCM、ADPCM、DM、PWM、WMA、OGG、ACC、MP3Pro以及MP3等等;針對人類(lèi)語(yǔ)音有LPC、CELP與ACELP等。
 
 


 圖說(shuō):數字音效在編碼時(shí)如果采用更高的取樣率、或是數據分辨率,還原后的音質(zhì)就越能夠接近原音。
 

 音效評估標準掌握 設計高質(zhì)量播放裝置基準
 
 音樂(lè )好不好聽(tīng),見(jiàn)仁見(jiàn)智,但是音質(zhì)好不好,卻可以精確評估。一般所謂音質(zhì)好,就是發(fā)聲裝置能夠真實(shí)重現上述4種聲音的物理特性。換句話(huà)說(shuō),無(wú)論以模擬或數字方式重現,都以音頻信號范圍越準確、失真度與干擾(例如噪訊)越少,聲音越能接近來(lái)源越好。
 
 以數字音效來(lái)說(shuō),又可分為語(yǔ)音類(lèi)與音樂(lè )類(lèi)重現。語(yǔ)音類(lèi)相對較單純,通常以5個(gè)等級評估,一般只要與音頻率達到7Hz以上,并且使用者不察覺(jué)失真,即可評估為優(yōu)良。
 
 但是IT/CE多媒體設備所播放的數字音樂(lè ),原音重現就相當困難,由于數字音樂(lè )本身通常就并非由來(lái)源100%轉換,因此數字音樂(lè )的取樣率,分辨率,壓縮格式都會(huì )影響聲音質(zhì)量甚巨,再者如噪訊比(SNR)、總諧波失真(THD)等因素,也都會(huì )影響數字音樂(lè )質(zhì)量。
 
 而且,數字音樂(lè )的質(zhì)量評估,也較語(yǔ)音類(lèi)困難許多,因為音樂(lè )重現質(zhì)量?jì)?yōu)劣取決于多種因素綜合評量,如聲源(聲壓、頻率、頻譜等)、訊號(失真度、響度、動(dòng)態(tài)范圍、噪訊比、瞬態(tài)響應、聲道分離度等)、音場(chǎng)與方位性(直接音、前期反射聲、混響聲、立體感、基準振動(dòng)、吸聲率等)、聽(tīng)覺(jué)特性(可聽(tīng)范圍、各種聽(tīng)感)等。
 
 


 
 由于評估的要點(diǎn)眾多,甚至連人聲與音樂(lè )評估都必須分開(kāi)處理,因此評估方式也較為復雜,分主觀(guān)與客觀(guān)2種方式處理。主觀(guān)方式評估參數為立體感、定位感、空間感、層次感、厚度感等5大方向,由于主觀(guān)方式較無(wú)標準可言,因此詳細評估細節在此不多贅述。
 
 客觀(guān)評估方式多以?xún)x器或是測試軟件評量,通常會(huì )有下列幾種標準:
 
 1、總諧波失真(THD)
 
 失真是檢驗數字音樂(lè )是否接近原音重現的關(guān)鍵,若失真度太大,則其它評估標準表現再優(yōu)異也沒(méi)用?傊C波失真(Total Harmonic Distortion,THD)則是檢查的第一關(guān)。主要是評估數字音效是否有非線(xiàn)性失真(Nonlinear Distortion)產(chǎn)生。
 
 非線(xiàn)性失真是指輸入信號經(jīng)過(guò)處理后,輸出時(shí)所產(chǎn)生的錯誤部分,而這個(gè)錯誤部分則與原本的輸入信號完全無(wú)關(guān),例如不是因破壞性壓縮格式所造成,是在輸入信號以外的頻率產(chǎn)生的其它類(lèi)錯誤信號。這些屬于非線(xiàn)性失真的頻率就稱(chēng)為諧波(harmonics),諧波產(chǎn)生的位置是原始信號頻率的整倍數的位置,例如,1KHz的諧波就是2kHz、3kHz、4kHz。
 
 2、互調失真(IMD)
 
 互調失真(Intermodulation Distortion)是指2個(gè)頻率間,因為頻率混合所產(chǎn)生的和、差、乘積的失真頻率,例如輸入頻率為2KHz與6KHz的訊號后,產(chǎn)生8KHz、4KHz、16KHz的訊號,甚至原始輸入訊號2KHz與失真的8KHz,又可能產(chǎn)生10KHz的訊號,這些失真的訊號亦稱(chēng)為諧波,以數字播放裝置來(lái)說(shuō),這些互調失真的諧波當然越少越好。
 
 3、相位失真(Phase Error)
 
 相位失真則是1種線(xiàn)性失真,系指音源信號在傳輸和放大過(guò)程中發(fā)生時(shí)間延遲。因為電子音訊設備,在其輸出信號與輸入信號之間一般是存在相位差,例如電容和電感對交流信號(電壓或電流)具延遲作用。當一個(gè)交流信號經(jīng)過(guò)電容、電感和電阻時(shí),或多或少造成延遲現象,這會(huì )導致這個(gè)交流信號的幅度變化時(shí)間向后推遲一段時(shí)間,造成聲音訊號不一致,對于需要定位性的聲音,如立體聲,影響更大。
 
 4、頻率響應(Frequency Response)
 
 頻率響應是對DAC/ADC轉換器頻率響應能力的評價(jià)標準之1。最佳狀態(tài)是在每1個(gè)頻率都能輸出穩定,換句話(huà)說(shuō),輸出質(zhì)量越好的裝置,頻率響應曲線(xiàn)就越平直,反之則不但在高或低頻衰減得很快(因為高低頻訊號重建困難),在一般頻段,即人耳對聲音的可接收范圍20HZ-20KHZ內,亦可能呈現抖動(dòng)的現象,無(wú)論是曲線(xiàn)突起(功率增益過(guò)大)或下滑(功率衰減)都是音質(zhì)失真的表現。
 
 5、噪訊比(Noise Level)
 
 訊噪比是指最大不失真訊號與噪音之間的比例,噪音分為2種,首先在數字音效的轉換過(guò)程中,每個(gè)相關(guān)零件都可能產(chǎn)生噪聲,并成為處理中的數字音效的一部分,這些訊號與輸入信號無(wú)關(guān),但卻會(huì )隨著(zhù)訊號源進(jìn)入下一個(gè)處理單元或是輸出成聲音,換言之,就是設備自己發(fā)出的噪音。此外,當有訊號發(fā)出時(shí)所伴隨的調變噪訊(Modulation Noise),也是噪音的一種。噪訊比以S/N或SNR(dB)表示。于音效播放裝置來(lái)說(shuō),比值當然越大越好,例如Hi-Fi音響的SNR>70dB,CD機要求SNR>90dB。在實(shí)際設計上,因為人耳對4~8kHz的噪聲最靈敏,所以這個(gè)范圍的噪聲對于實(shí)際聆聽(tīng)的影響較大。
 
 6、動(dòng)態(tài)范圍(Dynamic Range)
 
 動(dòng)態(tài)范圍表示的是最大不失真信號與噪聲值的比例,此處的噪聲指的是沒(méi)有信號輸出時(shí)的噪聲值。如音頻信號無(wú)失真最強部分與最微弱部分之間的電平差,這個(gè)比值為越大越好。不過(guò)動(dòng)態(tài)范圍跟響度有關(guān),并不是無(wú)限制的,即從最小的響度到最大不失真響度間的范圍,以CD為例,其聲音采樣分辨率為16bit,因此動(dòng)態(tài)范圍就算毫無(wú)瑕疵,也只有65,536種響度變化,不可能超過(guò)。
 
 7、立體聲分離度(Stereo Channels Crosstalk)
 
 單聲道基本上不可能創(chuàng )造出立體感的聲音,只有2聲道以上才能辦到,就是所謂的立體聲。所謂聲道分離度,就是指不同聲道間立體聲之間的隔離程度,通常用1個(gè)聲道的信號電平與串入另1聲道的信號電平差來(lái)表示,換句話(huà)說(shuō),就是數字播放器左(右)聲道的聲音,傳到相對應另一聲道的情況。這個(gè)數值越大越好。一般要求Hi-Fi音響分離度>50dB。。
 
 實(shí)際上,在數字信號中,要做到100%的左右聲道獨立是非常簡(jiǎn)單的事情,然而實(shí)際能夠聽(tīng)的聲音,卻是模擬信號,而能發(fā)出模擬信號的設備,本身就無(wú)法達到這一理想值,就是串音(Crosstalk)了,為一種訊號干擾,模擬在線(xiàn)相鄰訊號間的耦合干擾,會(huì )影響到彼此的訊號接收。例如在左聲道的信號,也能在右聲道取得一點(diǎn)點(diǎn)細微的相同信號,就會(huì )造成立體聲無(wú)法達到聽(tīng)覺(jué)上的良好分離狀態(tài)。
 
 此外,還有聲道平衡度,是指2個(gè)聲道的增益、頻響等特性的一致性。否則,將造成聲道或聲相偏移。
 
 


 圖說(shuō):透過(guò)軟硬件設備與各種客觀(guān)標準,音效可以評估優(yōu)劣以及加以調整。
 
 

先天不足可后天加料 音效合成亦是研發(fā)重點(diǎn)
 
 雖原汁原味是許多人追求音質(zhì)表現極致的至高標準,但是因上述各種原因,通常無(wú)法達到,所以音樂(lè )播放過(guò)程中,數字數據的呈現結果最重要是要防止在模擬儲存、和運作時(shí)所造成的音質(zhì)損耗。但是如果無(wú)法避免錯誤時(shí),則也可以利用后天的方式彌補、修正。
 
 例如以均衡器(Equalizer)能將不同頻率范圍的訊號分別濾出,然后再各別放大或縮小處理,最后再合成,藉此補償訊號的頻率衰減,使音質(zhì)回復至接近原音,或者也能補償輸入的不足,即針對一個(gè)音程里的倍頻點(diǎn),可以去補償與衰減,在聆聽(tīng)上,馬上可以得到實(shí)時(shí)的修正,使音質(zhì)達到接近理想狀態(tài)。由于人類(lèi)的聽(tīng)覺(jué)系統在低頻及高頻的接收上感受度較差,透過(guò)均衡器強化或補足聲音的功能,能彌補人們在聽(tīng)覺(jué)上的盲點(diǎn)。
 
 如將頻率為100Hz的組成泛音放大,就會(huì )讓聲音中100Hz左右的低頻部分聽(tīng)起來(lái)更震撼一些,若覺(jué)得聲音的低頻部分不夠明顯,也可以用均衡器加以補足。像目前MP3播放器幾乎都有Equalizer的功能,使用者可選定或自定不同的播放音場(chǎng)(抒情、爵士、搖滾、流行音樂(lè )等),充份表現出音樂(lè )的個(gè)性化。
 
 


 圖說(shuō):均衡器目前已經(jīng)以數字方式,內建在大部分的播放裝置中,彌補聲音表現的不足或展現個(gè)性化音樂(lè )風(fēng)格。

 

 

   IT/CE類(lèi)的音效播放設備提升音質(zhì)的方式很多,不過(guò)從關(guān)鍵零組件下手,通常能展現立竿見(jiàn)影的效果,對于開(kāi)發(fā)上的難度來(lái)說(shuō),也相對較低,當然聲音表現在「一分錢(qián),一分貨」的情況下雖然提高了,但是也讓開(kāi)發(fā)案的成本,可能因此居高不下,但參考前篇的例證,提高音質(zhì)能夠拉開(kāi)與競爭產(chǎn)品的差距,應值得開(kāi)發(fā)者投資。
 
 音質(zhì)提高的關(guān)鍵零組件在于DSP、Codec、DAC、與放大IC,一個(gè)個(gè)都成為今日數字音樂(lè )播放裝置音質(zhì)展現的瓶頸,以下將分別探討。除零組件外,實(shí)際電路設計、EMI與差動(dòng)信號,連電源供應都會(huì )影響音質(zhì),如果采用高質(zhì)量零組件,卻敗在這幾個(gè)可能被研發(fā)人員忽略的細節,相信也會(huì )令開(kāi)發(fā)者遺憾。
 
 數字音效音訊處理關(guān)鍵 DSP勝過(guò)純軟件譯碼模式
 
 數字音效如前所述,幾乎都是壓縮格式,處理第一步,就是將壓縮格式經(jīng)譯碼還原,在PC類(lèi)的音效裝置上,這個(gè)步驟由于有強力CPU代勞,所以幾乎可以將此必經(jīng)過(guò)程忽略不計,但是其它CE等級的音效播放裝置,特別是最熱門(mén)的手持類(lèi)裝置,由于功耗與散熱限制較多,無(wú)法使用效能較高的CPU,故譯碼就成為音質(zhì)提升的第一個(gè)關(guān)鍵。
 
 許多兼具影音功能的多媒體裝置,多半采用多媒體處理器進(jìn)行譯碼,此種處理器包括TI的OMAP、Freesale的i.MX系列、ST的Nomadik、Renesas的SH-Mobile、NXP的Nexperia、ADI的Blackfin,以及Marvell的Xscale等。
 
 不過(guò)采用處理器譯碼的方式,基本上可歸類(lèi)為沒(méi)有硬件加速的純軟件譯碼,譯碼效率并不高,許多研發(fā)人員認為這部分對于音質(zhì)沒(méi)有影響,實(shí)際上的譯碼速度、精確度以及噪訊比等性能,通常較硬件譯碼表現略微遜色,因此終端輸出音質(zhì)也不用抱太多期待。此外,由于軟件譯碼,也不容易加入音效的后制處理,因此無(wú)法表現出音場(chǎng),或者是不同音樂(lè )頻譜的動(dòng)態(tài)調整等進(jìn)階音樂(lè )表現能力。
 
 因此,提升音質(zhì)的第一步,音訊譯碼應該用硬件處理為佳,在設計中加入采用純?yōu)橐粜ёg碼設計的DSP,讓譯碼精確度以及噪訊比等關(guān)鍵性能都有所提升,音質(zhì)自然會(huì )更好。甚至有的DSP還通過(guò)高音質(zhì)認證,如德州儀器(Texas Instruments,TI)推出的DA7xx系列,可同時(shí)執行DTS-HD Master Audio串流解碼、8聲道192kHz原聲音訊及所有后段處理。
 
 


 圖說(shuō):專(zhuān)業(yè)DSP需要為其開(kāi)發(fā)最佳化軟件,音效DSP亦然,其算法考驗設計者功力。
 
 

Codec位居音效裝置數字模擬轉換要津 亦是音質(zhì)掌握關(guān)鍵
 
 音效裝置輸入或輸出的是模擬訊號,人耳才能聽(tīng)到,但是中間所處理的全是數字訊號,兩者間的轉換,也是影響音質(zhì)的重點(diǎn),把數字音效數據轉換為可輸出的模擬訊號階段,因成本與布線(xiàn)等因素考慮,大多由音效Codec芯片所負責。
 
 大部分的Codec芯片,同時(shí)具有D/A(數字訊號轉換成模擬訊號)和A/D(模擬訊號轉換成數字訊號)轉換功能。音效輸出時(shí)利用的是D/A轉換功能。以接收到來(lái)源數字訊號相同情況下,D/A性能好壞直接決定音效裝置的輸出音質(zhì),所以包著(zhù)D/A的Codec芯片,其處理能力和訊噪比,對最終的聲音輸出質(zhì)量有很大的影響。
 
 Codec的性能好壞,可由性能規格進(jìn)行分析,例如支持可處理的數據位、取樣頻率、噪訊比、動(dòng)態(tài)范圍與各項失真值等,有些codec已支持HD格式,在數據呈現上比較漂亮,但真實(shí)音質(zhì)未必比較好。決定Codec音質(zhì)關(guān)鍵簡(jiǎn)述如下:
 
 1、DAC訊噪比:DAC是Codec中真正負責轉換工作的單元,其訊噪比高低,將直接關(guān)系到最終音效聲波輸出的訊噪比,因此其性能為Codec的核心參數。大部分Codec芯片此項數值約在95db,但實(shí)際上,最后是否是能夠達到供貨商標示的數值,還是會(huì )受到很多其它因素影響。
 
 2、Mixer訊噪比:Codec中有Mixer,也就是混音器,負責對聲音的迭加與混合處理,即可將2個(gè)或多個(gè)輸入音效流結合為1個(gè)輸出流,并可選擇各個(gè)輸入流的增益,所以Mixer噪訊比也是Codec影響音質(zhì)的因素,一般此項性能參數與DAC噪訊比約略相同或相近,差距在-1db左右。
 
 3、DAC通道數目:許多音效裝置已開(kāi)始支持多聲道,Codec芯片支持多信道能力,也是靠多信道DAC,其性能也會(huì )影響多聲道時(shí)音質(zhì)的表現。目前較新的Codec芯片大多已可以支持8通道的DAC轉換。
 
 4、PCM格式轉換時(shí)所支持的最高取樣分辨率、和取樣頻率:以音質(zhì)的角度分析,取樣分辨率越高,對聲音數據的處理能力就越強;取樣頻率值越大聲音訊號的分辨率就越高,聲音轉換中的失真就越小。Codec芯片一般可以最高支持192KHz取樣頻率以及24Bit立體聲A/D轉換和24Bit立體聲D/A轉換。
 
 5、A/D和D/A的頻率響應范圍:頻響范圍也是音質(zhì)中重要的指標,不過(guò)由于人耳的限制,只能聽(tīng)到20Hz~20KHz的頻響范圍,因此超過(guò)此頻率的聲音就算處理得再好,使用者也聽(tīng)不到,因此目前絕大多數的DAC頻響范圍,都在20Hz~20KHz之內。
 
 


 
 嫌包山包海Codec音質(zhì)不好 采用直接DAC音質(zhì)更上層樓
 如前所述,DAC目前大多已經(jīng)包在Codec內,不過(guò)以音質(zhì)的角度觀(guān)察,Codec號稱(chēng)樣樣通,可能就表示每樣表現都很平庸,例如在音頻信號處理上,Codec的精準度就不如獨立的DAC。
 
 再者,Codec的Jitter控制力也不如獨立的DAC,Jitter指時(shí)基誤差,會(huì )造成音質(zhì)劣化,成因并非震動(dòng)幅度等數據本身的錯誤,而是時(shí)間部分出錯了,造成聲音的波形扭曲,很明顯的,這對音質(zhì)高規格要求來(lái)說(shuō),絕對是一大殺手。
 
 除了處理能力比較差外,目前主流多通道Codec在設計上很難避免多通道間的干擾,音質(zhì)表現會(huì )比2聲道Codec差一些,因此講求多聲道支持,又兼顧音質(zhì)的設計,會(huì )改用多顆雙通道DAC的方式解決需求。
 
 雖然采用DAC的方式比Codec成本高,但是音質(zhì)比較好,目前講求音質(zhì)的裝置,越來(lái)越多采用專(zhuān)業(yè)DAC,如iPod、iRiver、Zune等。
 
 專(zhuān)業(yè)的高音質(zhì)DAC廠(chǎng)商不多,較著(zhù)名的有歐勝微電子(Wolfson)、德州儀器、恩智浦半導體(NXP Semiconductors)、Cirrus Logic等。
 
 DAC音質(zhì)判斷的標準與要點(diǎn),與前述的Codec差別不大,不過(guò)以規格來(lái)說(shuō),DAC的效能都略勝一籌,因此通常判斷的標準會(huì )更為嚴格,除了原本就被考慮的分辨率、取樣率,噪訊比、總諧波失真這幾項因素外,通常還會(huì )把有效位數(Estimated Number Of Bits,ENOB)、噪訊加失真比(SIgnal-to-Noise And Distortion,SINAD)、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范疇(Spurious Free Dynamic Range,SFDR)、
 差分性失真(Differential Non-Linearity,DNL)、積分性失真(Integral Non-Linearity,INL)等參數列入評比。
 
 DAC的硬件規格通常也比較好。以Wolfson的WM8978為例,噪訊比達98db,具有改良的HI-FI級數位信號處理核心,支持增強型3D硬件環(huán)繞音效,以及5頻段的硬件均衡器,以改善音質(zhì);并有一個(gè)可程序化的陷波濾波器,用以去除音效裝置因為顯示屏幕開(kāi)關(guān)或切換時(shí)產(chǎn)生的干擾噪音。
 
 除了DAC,許多播放音效的裝置,如果擁有錄音功能,那ADC的質(zhì)量也相當重要,判斷標準與DAC相同。
 
 


 
 放大IC攸關(guān)音質(zhì)與功耗 D類(lèi)放大成首選
 
 前述探討的幾個(gè)零件,都在于訊號轉換的部分,不過(guò)當數字音訊數據處理完畢,成為模擬的聲音訊號后,必須加以放大輸出,因此放大IC也是攸關(guān)音質(zhì)高低的重要環(huán)節。
 
 不過(guò)放大技術(shù)與音質(zhì)的關(guān)連性,卻不能完全以音質(zhì)的角度出發(fā),以傳統的Class A/AB放大技術(shù)來(lái)看,A類(lèi)放大的音質(zhì)最好,其原理是純粹的以模擬訊號進(jìn)行線(xiàn)性放大,音質(zhì)沒(méi)有失真。
 
 不過(guò),A類(lèi)放大雖具有最佳的信號傳真性,但卻相當耗電,一般來(lái)說(shuō),電能利用率只有20%~30%,例如供應100W電力給A類(lèi)放大裝置,最后真正輸出到喇叭發(fā)聲功率的只有25W左右,其余的75W通通損耗掉,除了電力效率不佳,高耗能也代表會(huì )產(chǎn)生高廢熱,常需要在放大晶體管上配裝大型的散熱片輔助散熱。對手持式裝置來(lái)說(shuō),高功耗與高熱都是設計上的原罪,開(kāi)發(fā)者避之唯恐不及。
 
 另一種B類(lèi)放大設計,雖省電性較佳,但信號失真影響音質(zhì)甚巨,因此衍生兼具兩者優(yōu)點(diǎn)的AB類(lèi)放大,在音質(zhì)與省電性取得較能接受的均衡點(diǎn),過(guò)去成為消費性音響領(lǐng)域最受歡迎的放大方式。
 
 但目前在數字播放裝置,越來(lái)越講求整體電路配置空間縮小、并且降低功耗讓產(chǎn)品更省電,以維持電池續航力等種種發(fā)展趨勢下,于1958年就提出的D類(lèi)放大(Class D Audio Power Amplifier),目前成為當紅炸子雞。
 
 D類(lèi)放大利用的原理為PWM(Pulse Width Modulation),作用方式類(lèi)似于主機板上交換式電源概念,即利用數字頻率波型的疏密來(lái)輸出模擬振幅的高低大小,頻率密則振幅高,反之頻率疏時(shí)則振幅降低。也因此運作模式,D類(lèi)放大亦被稱(chēng)為為數字式功率放大或數字功放。
 
 D類(lèi)放大省略了傳統AB類(lèi)晶體放大,在作成大功率機型時(shí)所需的大型變壓器、超大濾波電容,可改以小電容與類(lèi)似交換式電源供應模式(Switching Power)的小型變壓器取代,使得電能可以快速直接地驅動(dòng)喇叭單體。此運作模式提供了極高的電能利用率,純理論上是100%運用,實(shí)務(wù)上電能利用率也經(jīng)常在80%、90%水平。
 
 由上述驅動(dòng)模式即可發(fā)現,D類(lèi)放大電路當然在工作時(shí)不易產(chǎn)生高熱,所以可以免掉占空間的散熱片,此外,由于采用PWM模式,D類(lèi)放大電路所需的體積,會(huì )比傳統的功率放大電路小了許多,成本也較低,加上低耗熱優(yōu)點(diǎn),D類(lèi)放大電路非常適合塞在小小空間里。
 
 不過(guò)以音質(zhì)的角度檢視,D類(lèi)放大的缺點(diǎn)是以調變程序所形成的放大,其結果必然與原始信號有些出入,但在一般消費性產(chǎn)品的音樂(lè )播放上,其質(zhì)量可被接受,甚至在目前的技術(shù)下,D類(lèi)放大的音質(zhì)越來(lái)越好,特別是在低瓦數的狀況下。
 
 例如,以采用D類(lèi)放大器IRS2092S D的IRAUDAMP5設計方案,與同等級AB類(lèi)放大輸入比較,在1kHZ、接4Ω負載時(shí),80W以下區域,D類(lèi)放大的THD+N實(shí)際上是低于A(yíng)B類(lèi)放大器,而在60W附近,D類(lèi)放大的THD+N更是進(jìn)步到了0.005%的水平。
 
 只有在80W到140W區域,AB類(lèi)放大的性能才稍高過(guò)D類(lèi)放大,不過(guò)即使到了120W,D類(lèi)放大的THD仍不超過(guò)1%。對于大部分數字音效裝置來(lái)說(shuō),很少用到高功率,低功率的情況比較常見(jiàn),此時(shí)D類(lèi)放大的反而占有音質(zhì)優(yōu)勢。
 
 D類(lèi)放大的優(yōu)劣評估,在于供電抑制率(Power Supply Rejection Rate;PSRR)以dB為單位,PSRR必須盡可能高。對于音質(zhì)方面,則為總諧波失真加噪訊比(TDH+N)要求,此點(diǎn)以百分比(%)為單位,,THD+N則是盡量低,一般不超過(guò)10%,高標要求上還要低于0.1%、0.01%。不過(guò)THD+N建議與負載阻抗Rl、輸出功率(Output Power)、PWM的調變頻率(f)等做比較,才能準確判斷。
 
 此外,D類(lèi)放大有獨特的電子特性,因此在音質(zhì)評估時(shí),必須注意EMI電磁干擾問(wèn)題。因D類(lèi)放大IC會(huì )持續、頻繁地進(jìn)行晶體管的導通、關(guān)閉作業(yè),所以很容易產(chǎn)生電磁干擾,對于音質(zhì)當然有不利影響。因此越能降低降低電磁干擾的發(fā)散度的產(chǎn)品當然越好,不過(guò)此點(diǎn)在空間與成本許可的情況下,可用金屬外覆來(lái)屏蔽。
 
 此外,許多D類(lèi)放大IC在省電性、控制性、體積縮小、彈性、保護能力上都有所著(zhù)墨,形成各家的特色,大部分與音質(zhì)沒(méi)有太大關(guān)系,不過(guò)有些設計如果太過(guò)頭,對于音質(zhì)就會(huì )有影響。
 
 例如一些D類(lèi)放大IC減少后段的LC低通濾波電路質(zhì)量,如使用更小的電容,或根本省去電容(Cap-Free),甚至有些設計連外接電感都一并省去(LC-Free、Filter-Free),直接將揚聲器的音圈之漏電感來(lái)充當LC用,當然,此種D類(lèi)放大IC能夠達到相當小的體積,因其輸出接腳可與喇叭、耳機直接相連。
 
 雖此種設計方式可將體積縮至極小,但高頻部分未經(jīng)過(guò)濾就直接輸出,喇叭不易將20kHz以上的頻率發(fā)聲,即便發(fā)出人耳也聽(tīng)不到20kHz以上的頻率,但如果省過(guò)頭,也可能對可聽(tīng)范圍內的音質(zhì)產(chǎn)生負面影響。D類(lèi)放大IC的提供商有ADI、Cirrus Logic、MAXIM、Motorola、NS、Philips、Sanyo、ST、TI、TriPath等。
 
 


 圖說(shuō):D類(lèi)放大原理與AB類(lèi)放大比較。
 
 

零件優(yōu)秀一時(shí)之選 整合電路也需配合才能發(fā)揮最高音質(zhì)
 
 由于目前的數字音效播放裝置,大多在內部整合各種電路,以及相關(guān)的數字IC,為達產(chǎn)品體積的集縮需求,各項組件間靠的非常緊密,組件間將無(wú)法保持足夠的距離隔開(kāi)對音效處理組件的干擾,因此音樂(lè )透過(guò)模擬電路輸出時(shí),幾乎都可以聽(tīng)到程度不等的電子噪音夾雜其中。
 
 針對此問(wèn)題,在產(chǎn)品設計時(shí)就應該在印刷電路板規劃中,盡量將模擬電路和數字電路隔離,并確保模擬訊號布線(xiàn)遠離數字或功率開(kāi)關(guān)布線(xiàn)。
 
 此外,EMI干擾也是音質(zhì)殺手,開(kāi)發(fā)者當然有許多傳統方式針對EMI做減低或隔離,但是最有效的方式為差動(dòng)信號,即利用2個(gè)完全相同,但具有不同極性的訊號,取代單端電路。
 
 例如在一個(gè)對稱(chēng)布局中,2個(gè)路徑相鄰運作,一旦發(fā)生EMI干擾,則相同的EMI突波會(huì )被導入這2個(gè)信號中,但是,因為2個(gè)信號的接收側不同,所以EMI會(huì )被抵銷(xiāo),換言之,共模抑制比(common-mode rejection ratio,CMRR)越高,則抑制EMI的效果就越好。此外,兩個(gè)鏡像也能夠增大訊號,使任何殘余的噪聲都會(huì )較不明顯。
 
 再者,電源供應是數字裝置一定具備的組件,但也提供了噪聲干擾音質(zhì)的管道。對于線(xiàn)性電源供應產(chǎn)生的低頻電源線(xiàn)漣波,以及交換式電源供應器產(chǎn)生的高頻交換式噪聲,因此在設計上應該避免共享電源回路,此外,也可以藉由適當的穩壓器與高質(zhì)量電容器,加以過(guò)濾、抑制、消除,例如將低ESR電容放在音效IC的電源接腳附近,這可減輕交流噪聲影響,并且可以降低電源突波發(fā)生,
 
 音質(zhì)提高,除了本篇提到的關(guān)鍵零組件(主動(dòng)組件)外,被動(dòng)組件(電阻、電容)的用料也相當重要,除影響前述的電源濾波質(zhì)量,在音效處理路徑中的交連電容、回授電容以及電組,都會(huì )因為其自身的電子特性,影響輸出的模擬訊號質(zhì)量,這部分的設計調整,對于最后音質(zhì)的細節影響也頗大,不過(guò)這是在主動(dòng)組件已經(jīng)相差無(wú)幾的情況下,才能比較出差異。

 
 
 
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