數字時代里的模擬語音

數碼錄音和回放技術自1981年開始引入消費電子領域。自那以后，數字系統的能力不斷遭到質疑，包括能否重現老唱片的細微差別和“特質”，并捕捉高頻信號及相關背景，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重要。

從事數字音頻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質量輸入。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題卻并無建樹。這些問題中包括“預振鈴”：即回放系統中由于數字濾波器所引起的在第一個音符發出之前所能聽到的回聲。

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減小量化誤差。時鐘抖動則會引入額外的誤差。

抖動是發燒友和專業人員都知道的存在于數字復制早期的另一個問題。抖動產生的原因有兩個，一是由于用于定時音頻采樣的時鐘的隨機抖動，另一個則由電源電壓的不穩定造成。在隨機采樣抖動情況下，聽眾聽起來就好像是背景噪音，如果抖動與音頻信號相關的話，其結果就像失真。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格式中利用的數據壓縮技術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關緊要的部分，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、早期的數字復制系統在采樣過程中遭遇的信噪比過低問題，以及在復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燒友們在進行數字復制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量，但卻無法解決如何利用數字系統再現高品質信號所引發的問題。

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。從這點來看，追求極致音質的人，將不得不開始慢慢返回模擬音源，重拾老唱片，去尋求更具深遠意義的音頻體驗。

混合信號單元：實現高質量的關鍵

為了在數字環境中改善用來再現模擬聲音的電子設備質量，音頻系統行業也采取了一些措施，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轉換過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，用戶所遭遇的主要難題之一，都是與DAC本身相關的數字濾波問題。當重建信號時，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，因而聽眾對此非常敏感——這也成為數字回放系統中的棘手問題。傳統DAC中的濾波器包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。

預振鈴可以通過采用最小相位濾波器來解決，但是如果單獨應用則會導致后振鈴(異常的余音)的增加，而且會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格，就有可能實現最佳的再現音質。

2. 與聲音純度相匹配的動態單元

歐勝公司提供的各種濾波器產品都與一個復雜的動態單元匹配(DEM)過程相結合，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的信號組合到一起產生輸出信號。DEM過程中可以采用多通道方案，以確保Δ/Σ調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，這將在重現中實現盡可能最高的輸出信號質量。

通過在DEM過程中采用多通道技術，就有可能確保在低頻重現中極大減小誤差。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在為了實現最高保真度所進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

實際上，高性能Σ/Δ架構的重要性對于DAC單元的整體性能來說怎么強調都不為過。

該Σ/Δ架構負責接收輸入的數字信號，并監控輸出脈沖，當輸入的二進制信號與輸出的脈沖串之間出現差異時，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果中去，再提供給低通濾波器，該濾波器對模擬信號進行細微的調整，來補償二進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，很快設計師發現，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插值濾波器，隨后進入一個多階Σ/Δ調制器，以此來改善帶外噪聲以及信號鏡像。

對于歐勝公司來說，其技術關鍵是采用了最復雜的多階Δ/Σ架構，并將其與復雜的DEM技術及業界領先的信號濾波技術相結合，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技術能夠為消費者提供最高質量的音源信號，但如果要想為音樂發燒友提供盡可能高的質量，還必須注意：整個元器件鏈上的每一部分都很關鍵。從到音箱的電源線和輸入設備，以及控制單元，為終端用戶所提供的每一個單元環節都必須具有盡可能高的質量，同時還必須具有價格競爭力。

而對于那些愿意對語音系統進行較大投資的發燒友來說，超高保真度最為重要。這意味著重現設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。

盡管現代技術和設計已經大大改進了ADC和DAC的性能，然而在繼續改善語音質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，為數字時代中的消費者提供高質量的音頻體驗。