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在數位時代裡重現高品質類比語音

上網時間: 2009年11月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:ADC  DAC  高傳真 

數位錄音和播放技術自1981年開始導入消費電子領域。此後,數位系統的能力不斷遭到質疑,包括能否重現黑膠唱片的細微差別和‘特質’,並捕捉高頻訊號及相關背景,這對於希望擁有完美音樂和電影體驗的高傳真愛好者來說至關重要。

從事數位音訊系統開發的工程師所面臨的挑戰當然還不止這些。最基本的,是如何在整個處理過程中獲得高品質輸入。在早期的數位記錄階段,採樣率非常低;即使在今天,CD唱片速率也只能達到44.1KHz,與目前直接數位串流(DSD)等純數位格式所能實現的潛在採樣率相較,顯然要低得多。

雖然上世紀80和90年代‘數位灌錄’的再版發行對CD的大面積普及有所幫助,但對於解決數位系統所面臨的複製問題卻並無建樹。這些問題中包括‘預振鈴’:即播放系統中由於數位濾波器所引起的在第一個音符發出之前所能聽到的回聲。

抖動是數位複製早期的另一個問題。抖動產生的原因有兩個,一是由於用於定時音訊採樣的時脈的隨機抖動,另一個則由電源電壓的不穩定造成。在隨機採樣抖動情況下,聽眾聽起來就好像是背景雜訊,如果抖動與音訊訊號相關的話,其結果就像失真。圖1顯示由於時脈問題,平滑的類比訊號可能被過晚或過早採樣,不過這個問題可以透過下面一些措施得以解決:

圖1:將數位訊號轉換回類比訊號──更高的解析度(更細的量化電平)和╱或更快的採樣率將會減少量化誤差。時脈抖動則會導入額外的誤差。
圖1:將數位訊號轉換回類比訊號──更高的解析度(更細的量化電平)和╱或更快的採樣率將會減少量化誤差。時脈抖動則會導入額外的誤差。

如今日益流行的MP3/MP4格式,已經將原始音源中的低採樣率問題,以及MP3/MP4格式中利用的數據壓縮技術中由於不良時脈所引起的抖動問題混淆。換句話說,透過MP3/MP4壓縮技術後,原始訊號中更深層次的數據丟失了,因為它們需要的是抓住‘數據區塊’,並放棄所有它們認為無關緊要的部份,因而獲得更加緊密的文件格式。

除抖動引起的各種挑戰外,還存在不少其他方面的問題,如低採樣率和壓縮率、早期的數位複製系統在採樣過程中遭遇的訊息雜訊比過低問題,以及在複製過程中存在的總諧波失真(即THD)百分比過高等。

向超高音質轉移

於本世紀初導入的DSD錄音格式,其設計初衷是為了解決對原始音源採樣率過低的問題。DSD為原始訊號提供了超高採樣率,但仍然解決不了用戶在進行數位複製時所面臨的關鍵難題,它們包括前面所提到的預振鈴和抖動,以及後振鈴、相位延遲和傳輸頻帶衰減等。雖然超級音訊CD(SACD)格式保證了原始音源的品質,但卻無法解決如何利用數位系統重現高品質訊號所引發的問題。

正因如此,SACD格式從未真正騰飛,截至目前我們發現,這種格式的發行量僅為4,500-5,000左右,而採用MP3錄製格式的i-Tune銷量,僅僅在2008年一年就超過了50億。從這點來看,追求極致音質的人,將不得不開始慢慢返回類比音源,重拾舊時唱片,尋求更具深遠意義的音訊體驗。

混合訊號單元:高品質音訊關鍵

為了在數位環境中改善用來重現類比聲音的電子設備品質,音訊系統產業也採取了一些措施,包括導入ADC和DAC。但是,這畢竟不是直接方法,而且仍然需要考慮以下幾個方面:

1. DAC轉換過程中適度的音訊濾波

從上世紀80年代初的CD,直到今天的MP3等數位系統,用戶所遭遇的主要難題之一,都是與DAC本身相關的數位濾波問題。當重建訊號時,DAC會導入一個誤差分量,因而破壞原始音源。

可以證明,上述問題中最重要且最具破壞性的仍然是預振鈴問題,即在聲音產生前就能夠聽到回聲,這是DAC中FIR濾波器存在的基本問題。在聲音還未發出之前就能夠聽到,這不符合自然規律,聽眾對此非常敏感──這也成為數位播放系統中的棘手問題。傳統DAC中的濾波器以前只關注與頻率響應相關的控制問題,而忽略了時域問題。

預振鈴可以透過採用最小相位濾波器來解決,但是如果單獨應用則會導致後振鈴(異常的餘音)的增加,而且會導致訊號群延遲失真的增大。但由於人們對後振鈴並不敏感,因為餘音和回聲本來就是自然的事情,所以很顯然目標仍然是減少各種失真。

透過提供寬範圍的濾波並共同使用各種濾波器,即可解決上述的失真問題(圖2)。線性濾波器、非半帶濾波器,以及最小相移濾波器都可以使用。由於製造商和終端用戶可以改變這些濾波器的影響,故透過仔細選用濾波器並組合來適配音源訊號的自然特性以及所聽音訊的風格,就有可能實現最佳的重現音質。

圖2:先後使用各種不同的濾波器即可減少預振鈴以及其他數位失真的不良影響。
圖2:先後使用各種不同的濾波器即可減少預振鈴以及其他數位失真的不良影響。


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