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源于艺术,高于技术。

 

漫谈DAC(一)

 

                                   
 

第一部分  数字音频系统的组成

一、CD唱机的构成

1.一体化结构的CD唱机

CD唱机用激光束作为唱针读取CD唱片上微小的信号“坑”。并把信号坑的有无转换成数字信号“1”和“0”,经过相关电路处理,最后还原成音频信号。CD唱机由四部分组成,第一部分是机芯。常见的机芯有抽屉式和顶置式,抽屉式机芯有一套装片机构,负责把唱片加载到主轴承片托上;顶置式机芯需要人工放置唱片。机芯另外包括有主轴及主轴电机、激光组件、遁迹电机及导轨。主轴电机带动唱片,以恒定线速度旋转。激光组件包括激光二极管、光敏接收管、镜片组、聚焦线圈和跟踪线圈。循迹电机带动激光组件前后移动,可以读取出CD唱片最里道和最外道的信号。第二部分是伺服控制电路,包括RF射频放大、CD-DSP、伺服电路、控制和显示等模块。RF射频放大电路把激光头拾取的微弱电信号加以放大,送CD-DSP芯片处理。CD-DSPCD唱机的核心部件,它完成EFM解调、误码校正、伺服控制、子码分离等关键工作。伺服电路包括聚集伺服、跟踪伺服、主轴伺服三部分。控制和显示电路负责按键管理、信号状态显示、CD-DSP工作状态控制等工作。这部分电路含有一个微处理器。第三部分负责把数字信号转换成模拟信号。第四部分是机壳和电源。

从上面可以看出,CD唱机的构成是相当复杂的。既有机械部分,又有电子线路。各部分间的干扰和影响是CD机制造商最难控制和解决的。

2.分体结构的CD系统

分体结构的CD系统把读取CD唱片的机芯、伺服系统和D/A转换部分分开,作成了独立的系统。两者之间用数字音频接口连接。

分体CD系统常见的这转盘+DAC的二分体结构,也见到把电源部分独立出来的三分体结构。分体CD系统的信号通路和一体结构CD唱机大体相似,只是中间多了数字音频接口(DAI)的发送器、接收器和传输媒介。由于转盘部分和DAC部分各有独立的机箱和电源系统,两者之间相互影响较小,比较容易把性能指标做好。一体化唱机中CD-DSPDAC芯片输出的是DO信号,即S/PDIF信号。经过媒介接口,如数字同轴电缆驱动线、Toslink光纤发送器、AT&T光纤发送器、脉冲变压器等,通过传输媒介(如数码同轴线、Toslink光纤等),到达媒介接收器,转换成TTL电平,经由DIR芯片解调出三线制信号,送到后续的DFDAC部分。

3.两种结构的性能比较

对于CD重放系统来说,噪声、时基精度、转换精度是影响音质的关键性因素。自然界里的声音信号是模似、连续的信号,它具有连续的时间和连续的振幅,这种信号经过数字化处理,记录到CD唱片里面,它在时间上和幅度上都是离散的。按照标准的CD规格,时间轴上按44.1kHz的频率取样,量化精度为16比特,因此任何一个信号,经数字化后,每秒钟都有44100个样值,每个样本取值于65千多个可能样值中的一个。由于取样频率是固定不变的数字量,所以CD唱片只以顺序的方式记录信号幅度的数字量。在还原CD唱片中的信息时,只有在正确的时刻按准确的幅度大小重建声音信号,才能尽可能地和原始信号一致。因此,对于这几个关键因素,我们分别予以说明。

噪声是信号源的大敌,也是CD系统的大敌。这里说的噪声,并不简单指像交流声之类的问题,而是指从DC到射频这样广大频率范围内的干扰问题。电网污染透过供电系统渗透进来,即使用电源滤波器,净化电源,也不能完全解决这个问题。数字、模似电路共用一个变压器,当然有好。那么是不是变压器越多越好呢?当然不是,变压器多了,可能把各部分的供电分隔开来,但是变压器的漏磁又成了一个主要问题,所以在一个CD系统中,变压器的最佳数量是2只,一只给数字电路部分供电,一只给模似电路部分供电。变压器应选用漏磁小的品种,如R型变压器。现在有一个新的发展趋势,在国外的顶级机种中,彻底抛弃交流供电系统,采用蓄电池供电,交流部分只供电池供电用。蓄电池的优点当然大家都知道,内阻小,电流大,没有任何纹波,是最纯净的电源。采用电池供电,可以和市电绝缘,把各种电网污染挡在了外面,因此,电池供电是最佳的供电方式。

在一体化的CD唱机中,机芯运转产生的振动,对于集成电路有不良影响。国外的研究表明,集成电路具有拾音效应,集成电路在工作时受到振动,将引起输出噪声增加。一方面要避免机芯的振动传播给电路板,另一方面应采用坚固厚重的机箱,隔绝空气中的声波振动。另外机芯伺服系统的电流变化也会对模似电路产生干扰,应选用噪声小的平衡驱动电路。分体系统没有这些问题。在CD系统里,数字电路对模似电路的干扰是最令人头痛的问题,数字噪声侵入模似线路的途径有许多种,一种途径是通过空间耦合,在20比特精度的CD系统里,DAC的最小电平变化是约5μV,如果有毫伏级的噪声串入,将是灾难性的后果,但是想要避免这类干扰,实际上很难做到,因为周围的其它器件都在喧闹地工作,以TTL电平高速地开关,频率达数兆赫至几十兆赫兹。这种开关动作,会产生大量射频辐射,进而被模似线路接收。这种情况一旦发生就很难消除,只能在线路设计、布局安排上事先考虑。

4.CD系统的时钟电路结构

CD系统中,有四种不同的时钟电路结构。一体化CD唱机有两种,分体CD系统有两种。

a型结构是最常见的形式之一。主时钟直接连接到CD-DSP芯片,然后由CD-DSP芯片产生各种定时信号给DAC芯片,包括数据和时钟信号。主时钟可以是独立的时钟电路产生,如精密时钟振荡器加上外围辅助电路,也可以简单到只是一只石英晶体,连接到芯片的时钟振荡器端子产生振荡。当然,两者在精度上是不同的,对主时钟的要求是越精确越好,越纯净越好。精度高的时钟产生极小的时基抖动,精度低的时钟会产生较大的时基抖动,从而影响音质。我们从时钟电路的复杂程度可以间接地判断CD唱机的档次。顶级机种的时钟系统是非常考究的。

a型结构的CD唱机以多比特为主,在1比特的DACCD唱机中,A型结构容易引起时基抖动,而1比特DAC对时基抖动又很敏感,所以开发了b型结构。b型结构主时钟直接连接到DAC芯片,为DAC芯片提供最纯净的时钟信号。CD-DSP芯片和DAC芯片的主从关系发生了颠倒,原来发CAD-DSP芯片为主,其它芯片(包括DAC)为辅,转变为DAC芯片为主其它芯片为辅这样一个格局。这种转变对音质的改善是显而易见的。b型结构从根本上解决时基抖动的问题,是一体化CD的最佳结构。

在分体系统中,也有两种不同的类型,只不过它们不再是CD-DSP芯片和DAC芯片之间的主从关系,而是转盘和解码器的主从关系。c型结构是最常见的分体结构,主时钟电路在转盘部分,时钟信号经过数字音频信号发送器、传输媒介、接收器等途径,由双相解调芯片还原出来。解码器部分的时钟就以此为准,所以在这种结构中,转盘部分的时钟精度对整个系统的音质影响很大,对传输环节的要求也比较高。不同的转盘,听起来声音表现不同,和时钟精度的指标有一定的关系。当然,转盘的读盘能力、误码率、纠错能力这些指标在很大程度上影响音色各音质。对于解码器来说,一般都设计有时基抖动的消除电路,能够在一定的程度上减小时基抖动,但要完全消除,达到主时钟的精度,目前还做不到。那么,有没有其它解决的办法呢?答案是肯定的,那就是d型结构。在这种结构中,主时钟从转盘中移动到了解码器中,解码器拥有系统中高精度的主时钟电路,为D/A转换电路提供了纯净的时钟信号,这种方式彻底消除了传输系统中的时基抖动问题,保证了D/A转换中两大参数之一的高精度化。转盘中的时钟移到了解码器中,为了保证两部分能够同步工作,需要通过单独的时钟接口把时钟信号送回到转盘。这一时钟回路中即使有一定的时基抖动,对音质也不会产生任何影响。因为D/A转换的节拍是直接受主时钟控制的,和转盘的工作时钟没有太大的关系。d型结构应该是最佳结构之一,有很好的发展前途,目前最大的问题是没有关于返回时钟接口的统一标准,这样,只有同一品牌的转盘和解码器能够以这种方式连接,影响了它的推广应用。

二、现行CD系统的规格及局限

普通的CD片,即指没有经过音质改善处理的CD唱片,已经被认定为某种带有数码味的声音,某种迟钝无生气的声音,某种中高音尖利毛燥的声音。要判断你现在所用的音响系统是否有这些问题,只要简单地播放一张小提琴的唱片就能知道。现行的CD标准,沿用了近二十年,已渐渐显现了老态,它是由SONYPHILIPS两家公司联合制订的。它规定了在十二厘米的塑料圆盘上数字音频信号的记录方式,音频信号作16比特量化,取样频率44.1kHz。这一规格,已超过了当时的技术水平,所以,最早的CD唱片,只记录了14比特的信息,CD唱机也只是14比特的,后来才增加到16位。随着技术的发展和人们经验的累积,CD的声音质量并有像最初根据常规的失真和频响测试所料想的那么好。许多CD唱机,技术指标非常高,然而听感并不一定好,这已是人们一致辞的共识,因为许多技术指标,仅仅反应了静态的性能,如单纯的odB正弦特性。对于信号发生器来说,THD+N指标有实际意义。对于音响器材,要还原好音乐信号,这些技术指标就太苍白了,缺乏说服力。我们知道,任何形波,在频谱上都可以分解为基波、二次、三次以至若干次谐波,谐波次数越高,幅度越小。这些谐波以及它们和基波的幅度比例,决定了乐器的音色。现行CD标准,是一种线性编码方案,对于基波等大幅度信号,作16比特量化时,有良好的分辨率。对于谐波幅度小的信号,只能作粗略的量化,因此对小信号的记录是不完全的,遗失了大量人耳能够分辨的细节,如果分配给谐波足够的分辨率,则基波可能早已超出了录音电平范围了。在音乐会现场,比谐波幅度小的还有各乐器及人声之间的拍音和现场声波多次反射后衰减下来的残响,这些信息构成了临场感,对于16比特量化精度,要完整地记录所有这些信息,是做不到的。

以前为了提高中高音信号幅度的分辨率,在录音时对中高音进行预加重处理,在解码时进行去加重,如老版本的“黄孩子”CD唱片,就有预加重处理。不知为什么,这种方法用得越来越小了。

现行CD标准的取样频率为44.1kHz,根据尼奎斯特采样理论,可以从数字信息中还原出20Hz~20 kHz的原始模拟信号。这里面有两个问题,一个是20 kHz的频率宽度是不是真的能达到人耳的听觉需要,第二是44.1kHz的取样频率是否真的能够完全还原20 kHz带宽内的所有信号。对于第一个问题,人们颇有争议,在一般单纯心理测试中,人耳无法对20 kHz以上的声音信号作出反应,成年人可能只能听到16 kHz以下的音调,而增加频带宽度,必然要求增加数据量,这样做的代价是高昂的。但是,据此认为既然人耳听不到20 kHz以上的声音,那么也就不必记录它。这种想法过于简单,许多真实乐器在20 kHz以上的频段还有充足的能量,有试验结果证明人能够感受到这些信息,高于20 kHz的信号能给声音带来“透明感”。这些情况至少提醒我们,在可能的情况下要避免频宽范围过小等制约因素,它是再现声音全部信息的一个要认真对待的条件。

对于第二个问题,尼奎斯特采样理论有一个限制条件,就是要求有一个理想的低通滤波器,这种滤波器在通带之内完全平坦,在通带之外完全衰减,另外还要求有线性的相位响应。在现实中,这各理想滤波器是不存在的,所以,反过来可知,当初确定的44.1kHz的取样频率取得过低了,不足以完全还原20 kHz以内的音频信号。另外,音频信号数字化后,时间上的分辨率不如幅度上的分辨率,人耳敏感的1kHz信号一秒钟时间内只有44.1个取样值,高频端的取样值更少,20 kHz的音频信号只有两个取样值。因此,现行的取样频率不利于中、高频信号的记录和还原。综合两方面的情况,现行CD标准对小信号、高频信号的记录和还原是不利的,需要有新的方案作进一步的改良。

三、CD规格改良的发展趋势

现行CD规格存在着局限性,那么未来的发展趋势又如何呢?形象化地说有三种方向:1.浓缩法;2.软硬兼施法;3.另起炉灶法。

1.高比特、高fs录音技术

浓缩法是一种录音处理技术,它对模拟信号以高比特、fs进行数字化处理,量化精度通常达2040比特取样频率高达88.2kHz96kHz。这种处理方式和大家熟悉的DDD方式有一定的区别,DDD三个字母分别代表数字录音、数字混音和数字刻录。第一个D所代表的数字录音,把模拟信号按照16比特44.1kHz的规格进行处理,因此在这一步,已经无可挽回地损失了许多模似信号中包含的音乐细节,任凭以后再怎么么处理,也无法去掉这类CD中的数码声。新的高比特、高fs的录音技术则有很大的不同,它的录音规格远高于现有的CD规格,因此,在它的数字母带中,包含了比CD中多得多的信息,可以保证音乐的细节都被完整地录下来。此后的处理最关键的一步,即母带上包含丰富的声音信息,需要进行浓缩处理,以便CD唱片能够存贮得下。简单地把低位数据去掉是不行的,因为这样就失去了高比特录音意义,为此,各唱片厂商开发了许多新技术,如TELARC20BIT技术,DENON24比特MASTER RECORDXrCDPMIHDCD等。基本上都是动用声音心理学的原理,采用高速数字处理技术,把人耳听不到的信息去掉,尽可能地减小音质损失,使数字母带上的信息大部分能浓缩到CD上去,这样制作出来的CD较普通的CD音质有较大的提高。在不改动音响器材的条件下,改善了CD唱片的播放质量。

2.HDCD技术

HDCD技术是一种在现有C框架之内的软件、硬件两方面的改良方案。现行CD规格是一种线性PCM编码方案,以16比特44.1kHz采样频率的方式记录数字音频信号。线性编码的优点是重放系统的硬件较简单,缺点是编码效率不高,如果有适当的非线性编码方案或压缩编码方案,将能把更多信息的音频信号存贮在普通的CD唱片上。VCD就是一个最好的例子,当然,VCD处理的是经过压缩的、数字化的视频信号。但是,我相信也能找到合适的音频压缩编码方案,把20比特至24比特88.2kHz96kHz的数字音频信息压缩至普通CD唱片内。这一改良方案最大的障碍是兼容性问题,这种特殊编码的唱片无法在普通CD机上播放,需要专门的解码器作还原。面对成熟的CD市场,丰富的软件,大量的重播设备,作出此种挑战,成功的机会不会太大,因为从性质上分析,这已经是一场革命而不是改良。美国的Keith O.johnson当初一定看清了这一局面,所以他选择了兼容的道路,开发了HDCD®,全称High Definition Compatible Digital。它可在在现行CD架构之下提高音质。第一,HDCD唱片在普通CD机上播放,效果优于普通唱片,第二,HDCD解码器播放普通唱片,效果也胜于标准解码方式,第三,用HDCD解码器放HDCD唱片,那更是充分发挥了HDCD技术的优势。HDCD唱片动态宏大,比普通CD6dB。大型音乐作品表现更佳,气势更大。HDCD把额外的一些数据存放在隐藏轨道里,经过解码还原,音乐细节特别好。空气感很好,堂音很丰富。我们聆听音乐会,现场的感觉和音响重放出来的效果总是有一种距离感。音乐会现场各种乐器发出的声波,在空间中互相互影响,形成了各种拍音和残响,强度很微弱,这些是临场感、音乐细节的构成部分。原先的CD制作过程,把这些信号丢失掉了,所以听起来比较干涩,有数码声。在HDCD中,尽可能地保留了这些微弱信号,因此,音质、临场感得到了大大的增强。另外,HDCD解码器内置有8种高频抖动方式,不同的抖动方式,音色是不同的,这又是为我们提供了一种高校音质的新方法。

HDCD能够在软件和硬件方面和现行系统兼容,又能有效地改善音质,因而有强大的生命力。我们可以预见,HDCD将会成为新一代CD的标准规格,前景看好。

3.DVD-Audio

DVD-Video已成为现实,虽说很不公正地把中国划为独立的第六区。但DVD-Audio还没有踪影。从市场角度看,虽说大家(特别是发烧友)热切地盼望它早日问世,世界各大唱片公司显然还不想让它过早诞生。一方面DVD-AudioCD构成威协,早年DAT问世时也遭到唱片公司的封杀,也就可以理解它们对DVD-Audio的态度了。另外,制作DVD-Audio,现有设备需要更新,这将是一笔不菲的投资,所以唱片公司要三思而行了。从技术角度看,制造24比特96kHz规格的录音和还原设备有相当难度。24比特等效于144dB的理论动态范围,从这个数据就知道这是一件多困难的事了。现有的器材,能作到120dB动态范围的,绝非廉价品,而这只相当于20比特的精度。BB公司自从90年开发出PCM63这一20比特D/A芯片,7年过去了未有更高级芯片推出,而BB公司的PCM63占芯片在Hi-EndDAC市场上的80%份额,可以说是这个领域中的权威。由此可以看出,技术上要有突破也非易事。DVD-Audio让我们耐心地等待吧。