數碼錄音和回放技術(shù)自1981年開(kāi)始引入消費電子領(lǐng)域。自那以后，數字系統的能力不斷遭到質(zhì)疑，包括能否重現老唱片的細微差別和“特質(zhì)”，并捕捉高頻信號及相關(guān)背景，這對于希望完美欣賞音樂(lè )和電影的高保真愛(ài)好者來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。
從事數字音頻系統開(kāi)發(fā)的工程師所面臨的挑戰當然還不止這些。最基本的，是如何在整個(gè)處理過(guò)程中獲得高質(zhì)量輸入。在早期的數字記錄階段，采樣率非常低；即便在今天，CD唱片速率也只能達到44.1KHz，與當前直接數字流(DSD)等純數字格式所能實(shí)現的潛在采樣率相比，顯然要低得多。
雖然上世紀80和90年代“數字灌錄”的再版發(fā)行對CD的大面積普及有所幫助，但對于解決數字系統所面臨的復制問(wèn)題卻并無(wú)建樹(shù)。這些問(wèn)題中包括“預振鈴”：即回放系統中由于數字濾波器所引起的在第一個(gè)音符發(fā)出之前所能聽(tīng)到的回聲。
圖１：將數字信號轉換回模擬信號——更高的分辨率(更細的量化電平)和／或更快的采樣率將會(huì )減小量化誤差。時(shí)鐘抖動(dòng)則會(huì )引入額外的誤差。
抖動(dòng)是發(fā)燒友和專(zhuān)業(yè)人員都知道的存在于數字復制早期的另一個(gè)問(wèn)題。抖動(dòng)產(chǎn)生的原因有兩個(gè)，一是由于用于定時(shí)音頻采樣的時(shí)鐘的隨機抖動(dòng)，另一個(gè)則由電源電壓的不穩定造成。在隨機采樣抖動(dòng)情況下，聽(tīng)眾聽(tīng)起來(lái)就好像是背景噪音，如果抖動(dòng)與音頻信號相關(guān)的話(huà)，其結果就像失真。圖１顯示由于時(shí)鐘問(wèn)題，平滑的模擬信號可能被過(guò)晚或過(guò)早采樣，不過(guò)這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)下面一些措施得以解決：
如今日益流行的MP3/MP4格式將原始音源中的低采樣率問(wèn)題與MP3/MP4格式中利用的數據壓縮技術(shù)中由于不良時(shí)鐘所引起的抖動(dòng)問(wèn)題混淆在了一起。換句話(huà)說(shuō)，通過(guò)MP3/MP4壓縮技術(shù)后原始信號中更深層次的數據丟失了，因為它們需要的是抓住“數據塊”，并放棄所有它們認為無(wú)關(guān)緊要的部分，從而獲得更加緊湊的文件格式。
除抖動(dòng)引起的各種挑戰外，還存在不少其他方面的問(wèn)題，如低采樣率和壓縮率、早期的數字復制系統在采樣過(guò)程中遭遇的信噪比過(guò)低問(wèn)題，以及在復制過(guò)程中存在的總諧波失真(即THD)百分比過(guò)高等。
向超高音質(zhì)轉移
于本世紀初引入的DSD錄音格式，其設計初衷是為了解決對原始音源采樣率過(guò)低的問(wèn)題。DSD為原始信號提供了超高采樣率，但仍然解決不了音樂(lè )發(fā)燒友們在進(jìn)行數字復制時(shí)所面臨的關(guān)鍵難題，它們包括前面所提到的預振鈴和抖動(dòng)，以及后振鈴、相位延遲和傳輸頻帶衰減等。雖然超級音頻CD(SACD)格式保證了原始音源的質(zhì)量，但卻無(wú)法解決如何利用數字系統再現高品質(zhì)信號所引發(fā)的問(wèn)題。
正因如此，SACD格式從未真正騰飛，截至目前我們發(fā)現，這種格式的發(fā)行量?jì)H為4,500-5,000左右，而采用MP3錄制格式的i-Tune銷(xiāo)量，僅僅在2008年一年就超過(guò)了50億。從這點(diǎn)來(lái)看，追求極致音質(zhì)的人，將不得不開(kāi)始慢慢返回模擬音源，重拾老唱片，去尋求更具深遠意義的音頻體驗。
混合信號單元：實(shí)現高質(zhì)量的關(guān)鍵
為了在數字環(huán)境中改善用來(lái)再現模擬聲音的電子設備質(zhì)量，音頻系統行業(yè)也采取了一些措施，包括引入ADC和DAC。但是，這畢竟不是直接手段，而且仍然需要考慮以下幾個(gè)方面：
1. DAC轉換過(guò)程中適度的音頻濾波
從上世紀80年代初的CD，直到今天的MP3等數字系統，用戶(hù)所遭遇的主要難題之一，都是與DAC本身相關(guān)的數字濾波問(wèn)題。當重建信號時(shí)，DAC會(huì )引入一個(gè)誤差分量，從而破壞原始音源。
可以證明，上述問(wèn)題中最重要且最具破壞性的仍然是預振鈴問(wèn)題，即在聲音產(chǎn)生前就能夠聽(tīng)到回聲，這是DAC中FIR濾波器存在的基本問(wèn)題。在聲音還未發(fā)出之前就能夠聽(tīng)到，這不符合自然規律，因而聽(tīng)眾對此非常敏感——這也成為數字回放系統中的棘手問(wèn)題。傳統DAC中的濾波器包以前只關(guān)注與頻率響應相關(guān)的控制問(wèn)題，而忽略了時(shí)域問(wèn)題。
預振鈴可以通過(guò)采用最小相位濾波器來(lái)解決，但是如果單獨應用則會(huì )導致后振鈴(異常的余音)的增加，而且會(huì )導致信號群延遲失真的增大。但由于人們對后振鈴并不敏感，因為余音和回聲本來(lái)就是自然的事情，所以很顯然目標仍然是減小各種失真。
圖2：先后使用各種不同的濾波器即可減小預振鈴以及其他數字失真的不良影響。
通過(guò)提供寬范圍的濾波并一同使用各種濾波器，即可以解決上述的失真問(wèn)題(見(jiàn)圖2)。線(xiàn)性濾波器、非半帶濾波器，以及最小相移濾波器都可以使用。由于制造商和終端用戶(hù)可以改變這些濾波器的影響，故通過(guò)仔細選用濾波器并組合來(lái)適配音源信號的自然特性以及所聽(tīng)音頻的風(fēng)格，就有可能實(shí)現最佳的再現音質(zhì)。
2. 與聲音純度相匹配的動(dòng)態(tài)單元
歐勝公司提供的各種濾波器產(chǎn)品都與一個(gè)復雜的動(dòng)態(tài)單元匹配(DEM)過(guò)程相結合，后者可為多比特信號提供深入處理，從而將帶內噪聲和失真降低到盡可能低的水平。
多比特信號可以被分解成一系列獨立的Δ/Σ調制信號,在降低帶內噪聲和失真之后,再重新把這些分解開(kāi)的信號組合到一起產(chǎn)生輸出信號。DEM過(guò)程中可以采用多通道方案，以確保Δ/Σ調制過(guò)程之后的信號中每個(gè)部分都具有最高的清晰度和保真度，這將在重現中實(shí)現盡可能最高的輸出信號質(zhì)量。
通過(guò)在DEM過(guò)程中采用多通道技術(shù)，就有可能確保在低頻重現中極大減小誤差。此外，信號的線(xiàn)性度也得到了改善，原因是原始DAC信號的每個(gè)分量都呈現在為了實(shí)現最高保真度所進(jìn)行匹配過(guò)程的各階段中輸入和輸出的等效頻率上。
3. 多階超高性能的Σ/Δ架構
實(shí)際上，高性能Σ/Δ架構的重要性對于DAC單元的整體性能來(lái)說(shuō)怎么強調都不為過(guò)。
該Σ/Δ架構負責接收輸入的數字信號，并監控輸出脈沖，當輸入的二進(jìn)制信號與輸出的脈沖串之間出現差異時(shí)，便生成一個(gè)誤差信號。隨后，其中的Σ單元開(kāi)始工作，將由Δ單元所提供的誤差信號加到結果中去，再提供給低通濾波器，該濾波器對模擬信號進(jìn)行細微的調整，來(lái)補償二進(jìn)制信號與脈沖串之間的差異，這樣做確保了最終結果中聲音的保真度和清晰度。
最初包括Σ/Δ調制器的DAC系統主要都是單比特解決方案，很快設計師發(fā)現，這種解決方案對語(yǔ)音信號只能提供非常粗糙的量化，其中伴有大量的無(wú)用噪聲，故必須在DAC過(guò)程后進(jìn)行濾除。隨后便出現了多比特系統，16-24位的信號被送入一個(gè)插值濾波器，隨后進(jìn)入一個(gè)多階Σ/Δ調制器，以此來(lái)改善帶外噪聲以及信號鏡像。
對于歐勝公司來(lái)說(shuō)，其技術(shù)關(guān)鍵是采用了最復雜的多階Δ/Σ架構，并將其與復雜的DEM技術(shù)及業(yè)界領(lǐng)先的信號濾波技術(shù)相結合，從而提供了極為出眾的音頻體驗。
圖3：音頻數模轉換系統
ADC和DAC——元器件鏈的核心
盡管如今DSD技術(shù)能夠為消費者提供最高質(zhì)量的音源信號，但如果要想為音樂(lè )發(fā)燒友提供盡可能高的質(zhì)量，還必須注意：整個(gè)元器件鏈上的每一部分都很關(guān)鍵。從到音箱的電源線(xiàn)和輸入設備，以及控制單元，為終端用戶(hù)所提供的每一個(gè)單元環(huán)節都必須具有盡可能高的質(zhì)量，同時(shí)還必須具有價(jià)格競爭力。
而對于那些愿意對語(yǔ)音系統進(jìn)行較大投資的發(fā)燒友來(lái)說(shuō)，超高保真度最為重要。這意味著(zhù)重現設備的元器件鏈上的每一個(gè)單元都必須具有最佳性能。而該鏈條的核心則是ADC和DAC。
盡管現代技術(shù)和設計已經(jīng)大大改進(jìn)了ADC和DAC的性能，然而在繼續改善語(yǔ)音質(zhì)量方面始終面臨壓力，在高端音頻市場(chǎng)上尤為如此。歐勝公司始終不斷地承諾來(lái)面對這些挑戰，為數字時(shí)代中的消費者提供高質(zhì)量的音頻體驗。 |
