升频比特处理释疑[译文]


harvey注:我自已曾经尝试过买了两个型号的廉价升频、升上变换DAC处理器,用了一段时间后,发觉还是用回10数年前一直用到今天的Wadia 2000 DAC处理器,它是一部标准的44.1kHz / 16bit数模转换器。所以升频、升上变换是不是好真是疑真疑假,众说纷纭。

近年来,发烧界数码玩家掀起了一股对数字音响器材进行“升频 (up-sampling)”和“升比特(up-bit)” 处理的热潮(为便于阅读,下文统称其为“上变换(up-conversion)”处理)。起因是由于DVD盘片上出现了以 96kHz / 24bit规格录制的音频信号,以及某些公司在做产品推广时,宣称他们的器材内使用了Snell & Wilcox插补器来对图像信号进行了倍线处理,可以令画质得到了有效的提高。

本文的目的旨在替您解开一些围绕在“上变换”处理技术周围的谜团。首先,所有线性 PCM(脉码调制)数字录音里的信息量都是有限的。如果录音室里的整套录音设备都处在最理想的条件之下,那么这些音乐信息记录的多寡与否,便只受制于取样频率(每秒钟从原模拟波形中提取多少个样本)和取样深度(用多少数据来描述那些样本。又称“量化精度”,以 bit为单位)。我们所熟悉的CD唱片的标准取样频率和取样精度,被规定为每秒44100次和16bit / 样本。

提升取样频率和取样精度,都能带来可察觉的音质改善,但前提必须是原始模拟信号,在被转换成数字信号以前,它的信息通路上没有重大的限制因素——因为一张用廉价麦克风来录制的96 kHz / 24bit唱片,听起来决不会比以44 kHz / 16bit规格录音的版本好多少。不过,一旦当你捕获了某特定的取样频率,和取样精度所能容纳的全部信息以后,所有在录音之时所丢掉了的信息,便再也找不回来了。用音频系统进行回放的时候,关键就在于要还原出数字录音里的每一个细节,以便尽可能多的重造出录音时想要抓住的原声信息。

1982年,当Sony和Philips联合推出C D系统时,两家公司在如何将音频信息最好的保存下来这一问题上,出现了分歧。鉴于当时技术的局限性,Sony认为最佳的办法是采用 44.1kHz / 16bit标准的数模转换器;而Philips则坚持采用14 bit的转换器,但是取样频率却高达176.4  kHz,是44.1 kHz的4倍。同时,Philips 还专门为此开发了一种被称为“超取样(over sampling)”的技术,那就是在原录音的样本之间,再插入 3个取样点。该过程的实现运用到了许多与高等数学相关的理论与技术,创造出了一个介于“真”声和原取样信号之间的信息还原状态。说得形象一点,此项技术的效用就好比是一个小孩在用画笔作曲线的连点游戏,在经过了“超取样”之后,他在单位距离内有了更多的点可以连接。既然点的密度高了,那么连起来的曲线,看起来自然就比原先的更加平滑。而从技术上来讲,现在这条曲线拥有了4倍于原样本的取样点,也即我们所说的“4倍超取样”。

其实,Sony和Philips在1982年所提出的两种CD规格在音频信息量上是一致的,只不过Philips采用的是较高的取样频率,和较低的量化精度把音频信号处理成了另一种格式而已。这种做法的优势就在于:当数字信号被转换回模拟信号以后,设计者能够使用音频特性更加优异的模拟电路。由于经过了对取样后的脉冲信号进行四舍五入取整数的量化过程,在数字信号被转换回模拟信号以后,它已不再像原取样信号那样保持连贯、平滑的波形了,取而代之的是一连串充满了细小“阶梯”的弧段。这些尖锐的梯状边缘所引至的失真,将以取样频率和取样频率的整数倍频率为中心,对称分布开来。以 44.1 kHz取样率录制的唱片为例,这些失真带,会出现在44100 Hz ± 20000 Hz的宽广范围内,同样受到影响的当然还有44100 Hz的倍频,如:88.2 kHz,  132.3 kHz,  176.4 kHz等等。

请注意:那些失真频带的最低端已经“侵袭”到了24.1 kHz(44.1 kHz减去20 kHz)。毫无疑问,这一频带距离人耳的听音范围实在是太近了,必须要用滤波器将它们有效地过滤掉,以避免音质受到严重的损害,比如:IMD互调失真,高音单元过载(甚至烧坏),放大器接收到大量的超声波信号等。正因如此,Sony在它们的第一代CD机上,使用了被称为“砖墙式滤波器”的滤波组件组:9-11 阶的模拟滤波器以极复杂的方式累加在一起,对音频信号进行滤波。在实际情况中,这一安排大大的劣化了音质,因为它会导致严重的相位漂移,以及频带内的涟波干扰等诸多问题。

相比较来说,Philips的设计思路则是要欺骗数 / 模转换器,让其以为它正在处理的是 176.4 kHz的信号。这就意味着,那些具有重大失真的频带都被推到了176.4 kHz和它的倍频附近。由于此时受影响的失真带宽仍然保持为± 20 kHz,所以这些频段的最下端到 156.4  kHz时就已完全截止,距人耳最敏感的听音频段已非常遥远。这样一来还使得设计方可以采用结构更加简单、性能更加优异的模拟滤波器。

Philips 的设计方案在此后相当长的一段时期内,受到了全球厂商的广泛青睐。因为自 1982 年以来,为了能够使用结构简单、性能优异的模拟滤波器,几乎每台CD 机都运用了超取样技术。近些年来,能够以更高的转换频率(4倍、8倍,甚至16倍超取样)还原出所有16 bit信息的 DAC(数 / 模转换器)芯片已经能在国际市场上找到。而随着科技的发展,大量的18-bit DAC,20-bit DAC,以及24-bit DAC又陆陆续续的面世了,这些芯片均能够在非常高的转换频率下运作并保持极佳的精确度。现在,即便是市场上最便宜的DAC也在诸多方面超越了 1982年最高技术所能提供的一切。


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