數(shù)字時代里的模擬語音

數(shù)碼錄音和回放技術(shù)自1981年開始引入消費(fèi)電子領(lǐng)域。自那以后，數(shù)字系統(tǒng)的能力不斷遭到質(zhì)疑，包括能否重現(xiàn)老唱片的細(xì)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和電影的高保真愛好者來說至關(guān)重要。

從事數(shù)字音頻系統(tǒng)開發(fā)的工程師所面臨的挑戰(zhàn)當(dāng)然還不止這些。最基本的，是如何在整個處理過程中獲得高質(zhì)量輸入。在早期的數(shù)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(dá)到44.1KHz，與當(dāng)前直接數(shù)字流(DSD)等純數(shù)字格式所能實(shí)現(xiàn)的潛在采樣率相比，顯然要低得多。

雖然上世紀(jì)80和90年代“數(shù)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(shù)字系統(tǒng)所面臨的復(fù)制問題卻并無建樹。這些問題中包括“預(yù)振鈴”：即回放系統(tǒng)中由于數(shù)字濾波器所引起的在第一個音符發(fā)出之前所能聽到的回聲。

圖１：將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換回模擬信號——更高的分辨率(更細(xì)的量化電平)和／或更快的采樣率將會減小量化誤差。時鐘抖動則會引入額外的誤差。

抖動是發(fā)燒友和專業(yè)人員都知道的存在于數(shù)字復(fù)制早期的另一個問題。抖動產(chǎn)生的原因有兩個，一是由于用于定時音頻采樣的時鐘的隨機(jī)抖動，另一個則由電源電壓的不穩(wěn)定造成。在隨機(jī)采樣抖動情況下，聽眾聽起來就好像是背景噪音，如果抖動與音頻信號相關(guān)的話，其結(jié)果就像失真。圖１顯示由于時鐘問題，平滑的模擬信號可能被過晚或過早采樣，不過這個問題可以通過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題與MP3/MP4格式中利用的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)中由于不良時鐘所引起的抖動問題混淆在了一起。換句話說，通過MP3/MP4壓縮技術(shù)后原始信號中更深層次的數(shù)據(jù)丟失了，因?yàn)樗鼈冃枰氖亲プ　皵?shù)據(jù)塊”，并放棄所有它們認(rèn)為無關(guān)緊要的部分，從而獲得更加緊湊的文件格式。

除抖動引起的各種挑戰(zhàn)外，還存在不少其他方面的問題，如低采樣率和壓縮率、早期的數(shù)字復(fù)制系統(tǒng)在采樣過程中遭遇的信噪比過低問題，以及在復(fù)制過程中存在的總諧波失真(即THD)百分比過高等。

向超高音質(zhì)轉(zhuǎn)移

于本世紀(jì)初引入的DSD錄音格式，其設(shè)計(jì)初衷是為了解決對原始音源采樣率過低的問題。DSD為原始信號提供了超高采樣率，但仍然解決不了音樂發(fā)燒友們在進(jìn)行數(shù)字復(fù)制時所面臨的關(guān)鍵難題，它們包括前面所提到的預(yù)振鈴和抖動，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，但卻無法解決如何利用數(shù)字系統(tǒng)再現(xiàn)高品質(zhì)信號所引發(fā)的問題。

正因如此，SACD格式從未真正騰飛，截至目前我們發(fā)現(xiàn)，這種格式的發(fā)行量僅為4,500-5,000左右，而采用MP3錄制格式的i-Tune銷量，僅僅在2008年一年就超過了50億。從這點(diǎn)來看，追求極致音質(zhì)的人，將不得不開始慢慢返回模擬音源，重拾老唱片，去尋求更具深遠(yuǎn)意義的音頻體驗(yàn)。

混合信號單元：實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的關(guān)鍵

為了在數(shù)字環(huán)境中改善用來再現(xiàn)模擬聲音的電子設(shè)備質(zhì)量，音頻系統(tǒng)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方面：

1. DAC轉(zhuǎn)換過程中適度的音頻濾波

從上世紀(jì)80年代初的CD，直到今天的MP3等數(shù)字系統(tǒng)，用戶所遭遇的主要難題之一，都是與DAC本身相關(guān)的數(shù)字濾波問題。當(dāng)重建信號時，DAC會引入一個誤差分量，從而破壞原始音源。

可以證明，上述問題中最重要且最具破壞性的仍然是預(yù)振鈴問題，即在聲音產(chǎn)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(fā)出之前就能夠聽到，這不符合自然規(guī)律，因而聽眾對此非常敏感——這也成為數(shù)字回放系統(tǒng)中的棘手問題。傳統(tǒng)DAC中的濾波器包以前只關(guān)注與頻率響應(yīng)相關(guān)的控制問題，而忽略了時域問題。

預(yù)振鈴可以通過采用最小相位濾波器來解決，但是如果單獨(dú)應(yīng)用則會導(dǎo)致后振鈴(異常的余音)的增加，而且會導(dǎo)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?yàn)橛嘁艉突芈暠緛砭褪亲匀坏氖虑椋院茱@然目標(biāo)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(yù)振鈴以及其他數(shù)字失真的不良影響。

通過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題(見圖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。由于制造商和終端用戶可以改變這些濾波器的影響，故通過仔細(xì)選用濾波器并組合來適配音源信號的自然特性以及所聽音頻的風(fēng)格，就有可能實(shí)現(xiàn)最佳的再現(xiàn)音質(zhì)。

2. 與聲音純度相匹配的動態(tài)單元

歐勝公司提供的各種濾波器產(chǎn)品都與一個復(fù)雜的動態(tài)單元匹配(DEM)過程相結(jié)合，后者可為多比特信號提供深入處理，從而將帶內(nèi)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(dú)立的Δ/Σ調(diào)制信號,在降低帶內(nèi)噪聲和失真之后,再重新把這些分解開的信號組合到一起產(chǎn)生輸出信號。DEM過程中可以采用多通道方案，以確保Δ/Σ調(diào)制過程之后的信號中每個部分都具有最高的清晰度和保真度，這將在重現(xiàn)中實(shí)現(xiàn)盡可能最高的輸出信號質(zhì)量。

通過在DEM過程中采用多通道技術(shù)，就有可能確保在低頻重現(xiàn)中極大減小誤差。此外，信號的線性度也得到了改善，原因是原始DAC信號的每個分量都呈現(xiàn)在為了實(shí)現(xiàn)最高保真度所進(jìn)行匹配過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(gòu)

實(shí)際上，高性能Σ/Δ架構(gòu)的重要性對于DAC單元的整體性能來說怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。

該Σ/Δ架構(gòu)負(fù)責(zé)接收輸入的數(shù)字信號，并監(jiān)控輸出脈沖，當(dāng)輸入的二進(jìn)制信號與輸出的脈沖串之間出現(xiàn)差異時，便生成一個誤差信號。隨后，其中的Σ單元開始工作，將由Δ單元所提供的誤差信號加到結(jié)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(xì)微的調(diào)整，來補(bǔ)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(jié)果中聲音的保真度和清晰度。

最初包括Σ/Δ調(diào)制器的DAC系統(tǒng)主要都是單比特解決方案，很快設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)，這種解決方案對語音信號只能提供非常粗糙的量化，其中伴有大量的無用噪聲，故必須在DAC過程后進(jìn)行濾除。隨后便出現(xiàn)了多比特系統(tǒng)，16-24位的信號被送入一個插值濾波器，隨后進(jìn)入一個多階Σ/Δ調(diào)制器，以此來改善帶外噪聲以及信號鏡像。

對于歐勝公司來說，其技術(shù)關(guān)鍵是采用了最復(fù)雜的多階Δ/Σ架構(gòu)，并將其與復(fù)雜的DEM技術(shù)及業(yè)界領(lǐng)先的信號濾波技術(shù)相結(jié)合，從而提供了極為出眾的音頻體驗(yàn)。

圖3：音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

ADC和DAC——元器件鏈的核心

盡管如今DSD技術(shù)能夠?yàn)橄M(fèi)者提供最高質(zhì)量的音源信號，但如果要想為音樂發(fā)燒友提供盡可能高的質(zhì)量，還必須注意：整個元器件鏈上的每一部分都很關(guān)鍵。從到音箱的電源線和輸入設(shè)備，以及控制單元，為終端用戶所提供的每一個單元環(huán)節(jié)都必須具有盡可能高的質(zhì)量，同時還必須具有價(jià)格競爭力。

而對于那些愿意對語音系統(tǒng)進(jìn)行較大投資的發(fā)燒友來說，超高保真度最為重要。這意味著重現(xiàn)設(shè)備的元器件鏈上的每一個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(xiàn)代技術(shù)和設(shè)計(jì)已經(jīng)大大改進(jìn)了ADC和DAC的性能，然而在繼續(xù)改善語音質(zhì)量方面始終面臨壓力，在高端音頻市場上尤為如此。歐勝公司始終不斷地承諾來面對這些挑戰(zhàn)，為數(shù)字時代中的消費(fèi)者提供高質(zhì)量的音頻體驗(yàn)。