认识数位音响：数码OR模拟转换器浅释

月非月 · 发表于 2006-11-1 06:29:00

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在制作比一专题之先，我们考虑到读者对数码/模拟转换器的诸多疑惑，所以尽量搜罗一些数位音响器材身上可能会出现的专有名词，然后以最清晰易懂的文字来说明给各位知晓，希望能在这些文字之中，让各位对数位音响能够有一些概略的认识。

数位/类比转换晶片（digitaltoanalogueconverteric）

我们都知道，当数位音响在工作的时候，最后的一个程序就是将经过处理的数位讯号给转换成人类双耳所能听见的类比讯号（analoguesignal）。然而在这一个转换过程之中，通常我们会采用两种方式来将数位讯号还原。一种是传统的多位元方式，另一种就是随后才发展出来的单位元的脉冲转换方式。当然，这一些复杂的处理过程都必须使用大型的积体电路（lsi）来完成，要不然这些处理器的体积将会大的十分的惊人。以下就将两种工作方式分开简略说明。

单位元方式：

所谓的单位元数位类比转换就是数位讯号在经过多倍（cd音响的标准取样频率44.1khz的倍数）超取样的方式作取样处理之后，再经过一个多重噪音整型程序（noiseshaping），最后送入一个被动式的类比滤波器之中转换成为类比讯号。大多数单位系统的转换过程都是以pwm（pulsewidthmodulation，脉冲宽度调变）的方式来进行，然而飞利浦独家发展的位元流（bitstream）转换方式却是采用pdm（pulsedensitymodulation，脉冲密度调变）的方式来完成，这两种处理方式一般来说无法相容。

单位元数位/类比转换的优点是处理过程较为单纯，造价低廉，而且可以不必像多位元系统一般必须很精确的要求每一个讯号位元的精确度，所以可以在一定的制作成本之内取得相当理想的转换精确度与极低的失真度，相当适用于一般的中低价位的数位/类比转换流系统。单位元的数位/类比转换流程一般可以分为几大类，像是最常见的飞利浦元流方式、日本ntt所发展的mash(multistagenoiseshapping，多阶噪音整型)以及新兴的deltasigma方式等几类。这些转换晶片的工作方式虽然不太相同，但是多倍超取样以及多次噪音型技术的采用却是共通的。

多位元方式：

多位元的数位/类比转换方式是比较早被发展出来的转换技术。它的工作方式比较复杂，对处理过程之中的精确度要求也比较高。多位元的处理方式可以分为两种，一种是所谓的电流加法式，另外一种则是较为常见的电阻梯型式。电流加法式的工作原理有一点儿类似打摩斯电码一般，处理晶片之中有一组事先依2的平方根所建立的内码，这些内码会控制一个电流产生器，然后依处理晶片所接受到的数据控制电流产生器的接通或是断开，就像数位资料之中的0与1一般，产生了一连串对应于原数位讯号的电流。这些电流讯号最后再经过一个电流/电压（i/v）转换程序转变成电压讯号，就可以得到逐点变化的类比讯号。而电阻梯形式就比较简单而常见了，它就是先在数位转换晶片之中建立一组由电阻所构成的梯形转换网路，所谓的梯形其实就是代表了讯号的类比波形，经过取样滤波处理后的数位讯号在送入这一组转换网路之后就直接被转换成一般的类比讯号输出。

一般来说，多位元的数位/类比转换方式对于工作流程之中的精确度要求比较高，要不然会产生比较严重的失真。

例如在采用电流加法型的处理晶片时，若是电流产生器的瓜速度不够快的话，那么就产生大量的开关失真。相对的若是采用电阻梯形式的话，若是电阻排列的精密度不够，那么讯号就会成为不完美的锯齿波，声音的失真之大自然是无可避免。但是多位元系统若是处理得当的话，不但转换的精确度相当高，也会有速度快、动态大的优点，所以目前几乎所有的高价系统都仍然采用多位元的数位/类比转换系统，但是大多对转换器的解析度、精确度及误差等要求很高，所以造价也不便宜。目前较为常见的多位元转换晶片有美国的ultraanalogue20400、burrbrownpcm63p以及analoguedevice1862等几颗，当然还几颗较为特殊的日本制d/a晶片，这些我们会在下文介绍。

数位接收晶片（digitalreceiveic）

当数位转盘将cd片中所烧录的讯号以光学方式读取而出之后，经过一组解码ic的转换，成为一组包含音乐资讯及时脉讯号的数位资料。这些数位资料在经过cd转盘上的各种输出介面（诸如大家相当熟悉的75欧姆同轴式rca、at&t玻璃光纤、日本eiaj的toslink塑胶纤、bnc、专业的110欧姆aes/ebu平衡式，甚至还有theta所独有的single-mode单模式光纤）之后以一种制式的s/pdif（sony/philipsdigitalinterfaceformat，新力/飞利浦数位介面格式，这是在数位音响发展之初，荷兰的飞利浦及日本的新力所协议商定的一种数位讯号传输方式，音乐讯号是和时脉讯号混合在一起而被送出，在到达数位/类比解码器的时候才又被分开处理）方式经过同轴导线或是光纤的传输而送达数位/类比转换器的输入介面。拉收晶片就是在数类转换器的最前端把关，负责数位讯号的接收及锁定的一块重要晶片。经由数位接收晶片的接收-侦测并锁定之后，混合着音乐资讯及时脉讯号的数位讯号才能进入数类转换器的处理程序。一般的接收晶片大多可以自动侦测数位讯号的频率，然后加以锁定，像是一般卫星解码器a模式的32khz讯号、cd转盘的44.1khz讯号以及dat、dcc工作所需的48khz等取样频率，对一般的数位接收晶片来说都不会有什么配合上的问题。但是值得注意的是，数位接收晶片的品质造成相当大的影响，像是近年来最热门的话题jitter（时基误差）的存在，若是接收晶片的品质及精确度足够的话，先前混在数位讯号之中的jitter就比较不会有再恶化的现象。常见的数位接收晶片有美国crystal的cs8412、ultraanalogue的aes20，此外还有日本的ym3623b等。

月非月 · 发表于 2006-11-2 03:49:00

数位滤波（digitalfilter）

数位滤波这一个部分对于数位音响的工作流程来说，是一个非常重要的部分。所谓的“滤波”就好像滤泡式咖啡之中的滤纸一般，它可以将咖啡之中的残渣滤除，然后留下纯净的咖啡以供饮用。数位滤波器的工作原理也是一样，它是利用一个经过预设的处理程序来将某些不须要的讯号给滤除，只留下后续处理所需要的讯号资料，以避免这些多余的讯号对后续的处理程序产生干扰，一是多倍超取样（oversampling），另一个就是杂音整形（noiseshaping）。所谓的超取样就是增加取样频率之中的取样过程，使得取样频率更宽。这样子做有什么好处呢？其实很简单，就好像筛选黄豆一般，若是你想要找到一百颗完整的黄豆的话，从一万颗黄豆之中来找要比你从一千颗黄豆之中去找要来得容易。

当初在制定数位音响的工作模式时，由于厂家们认为数位音响的工作频段上限只须到达20khz就足够了，所以就将取样频率给设定在44.1khz。但是后来的人才慢慢发现，这一个受限的取样频率其实就是数位音响声音呆滞平版、缺乏空气感的元凶，于是就发展出提升取样频率的方法作为改善音质的手段。取样频率的提升通常是以44.1khz的倍数而为之，四倍就是176.4khz，八倍则是352.8khz，以此类推。将讯号经过多倍超取样之后再作处理的确可以改善讯号还原后的品质，但是如此也引发了另一个问题，那就是负责运算处理资料的部分要更加的精密，处理速度也要更快，要不然必定无法将这些资料处理妥当，造成失真。所以并不是取样倍数越多就越好，这还要看处理器的运算能力够不够才行。在这里最好的例子就是美国ead的dsp-7000数字/模拟转换器，这一部转换器的内部有四倍与八倍超取样的切换选择，根据大多数用家的使用经验显示，似乎还是以四倍超取样的时候声音较好。

在这个部分就是各hi-end厂商大出奇招的地方了，撇开一些运用现成晶片的厂商不谈（因为其数码滤波部分的处理程式已经是内建，运算能力已定，无法改变），某些厂商为了要求最精确的声音表现，特地引进了先进的dsp（digitalsignalprocessing）方式来改进处理器的运算速度。所谓的dsp方式其实并不复杂，它就是运用独立的处理器来处理数位资料，而通常这一个处理器是必须由软体程式来驱动，所以各厂商就可以自己在一片可改变程式的只读记忆体晶片（erasbleprogramablerom，ep-rom）上写入独家的驱动程式，然后驱动处理器工作。通常会运用在数码滤波方面的微处理器大多是mortorola的dsp56001，这个处理器的运算能力相当强大，就像一部微型电脑一般，只要驱动程式够优秀，它的处理能力是相当惊人的。dsp方式的数码滤波器的处理精确度高、速度快，唯一的缺点当然就是成本非常高，无法很普及的运用在所有价位的数码转换器身上。目前也只有几家hi-end厂商如theta、wadia、vimak以及krell等几家愿意且有能力如此大费周章的运用这种数位滤波技术，大部分的厂家在考虑了研发成本及制作成本之后，大多还是采用了现成的数码滤波晶片。像是日本npc的5803、美国burrbrowndf1700等几片，都是一般数码转换器中常见的滤波晶片。不要以为使用现成晶片的系统就比较落伍，这要牵涉到许多部分的配合问题，marklevinsin的no.30仅采用npc的5803就是一个好例子。

类比滤波器（又称低通滤波器low-passfilter）

多位元系统在经过数位/类比转换的程序之后，必须以一个含有特定斜率（slope）的滤波器将处理器在超取样过程之中所产生的周期性倍频讯号（如88.2khz、176.4khz等）给滤除，只留下我们所须的讯号，要不然这些衍生而出的高频频滤带将会使得功率放大器过荷，并干扰了正常的讯号品质。

电流/电压转换（i/v）

前面我们曾经说过，数位资料在进入数位/类比转换晶片之后就会产生一连串对应于原类比讯号的电流脉冲。这些电流脉冲必须再经过一个转换的程序将这转换为电压讯号，才能够被子完整的还原成类比讯号，并进入一般扩大机的放大线路作讯号放大。这一个转换程序在一般的数类转换器之中大多是以运算放大器（operationalamp，也就是俗称的opamp）来完成，取其构造简单且工作状态稳定之优点。

但是也有许多厂家认为这一个部分非常的重要，单用一个运算放大器来完成整个转换程序的话可能不太够理想。所以有些厂商就在这个部分用上了重料，像是全由晶体构成的放大线路、重量级的电源供应等，有的厂家甚至还用上了真空管来作讯号放大或是缓冲的工作。

去加重（de-emphesis）

早期的cd唱片在制作的时候，为了改善高频部分的延伸和噪讯比，所以就在制作母带的时候先以压缩的技术将一些高频的杂讯混入讯号之中，然后在还原成类经讯号时就以一组调解线路来将之还原，并滤除那些后来加入的高频杂讯。这一种先将声音压缩处理然后再加以还原的技术就如同卡带的杜比噪音衰减线路一般，对于改善声音的噪讯比的确有效果，但是也会带来一些副作用，例如动态受限或是音质劣化等。近年来由于数位录音的技术大大进步，工作母带也大多改用全数位方式来制作，因此几乎已经不再需要运用此种技术就可以获得相当高的声音品质及噪讯比，所以近年来已经很少有cd唱片运用此种技术来制作，备有去加重线路的数位处理器也一天比一天的少。

相位转换（phase）

在将录音母带转换成数位母带的时候，常常会由于工作人员的疏忽而使得录音之中的相位发生错误，而产生相位的误差。通常在数位唱片之中所发生的相位误差都是反转180度，这就好像把幻灯片给翻转来看一般，整个音场之中的音像都会产生涣散的现象，低频也会变得松散。这种现象可以透过转换器身上的一个相位反转开关来改正，使得相位恢复正常。

数位音量控制（digitalvolumecontrol）

近年来由数位音响科技之中所衍生出来的一种周边技术。所谓的“数位音量控制”是指机器的音量是透过一组软运算程式来直接衰减控制，而非透过传统的类比式电位器而为之，如此可以确保讯号的的解析力及噪讯比，不会受到音量电位器的污染。数位音量控制技术大致上有三种，第一种就是以软体运算的方式计算出在某音量的状况之下所需要的衰减值，然后再策动一组音量电位器或是音量ic来将音量衰减，基本上其工作区间还是在类比的部分，很多号称数位音量控制的前级扩大器就是使用这一种方式。另一种数位音量控制就比较复杂了，它通常也是使用一组运算软体来计算出所需的衰减值，然后再通知转换器之中的类比放大部分（也不是i/v转换部分，因为这一种控制方式大部分式出现在数类转换器的身上），直接在这里用音量ic以衰减增益的方式来进行音量调节。这种音量调整方式的音杂较少，但是由于i/v转换的过程对于数位系统的解析力有着决定性的影响，通常输出衰减几个db其解析度就会下降一个bit。所以在运用此技术作音量衰减的时候，必须很注意解析度的问题，尤其是电平极低时候，要尽量避免使解析力低过标准的14位元解析力。最后一种方式是全数位式，它是先将输入讯号经过一个类比/数位转换器（a/d）转换成数位讯号，然后在透过运算软体控制讯号的衰减度，最后再还原成类比的讯号。这种方式所受的干扰很小，但是同样要注意到解析力的问题，还有a/d及d/a部分的品质也会影响声音的表现。

数位介面处理器（digitalinterphaseprocessor，简称dip）

这是一种置于数位转盘及数位转换器之间的处理器，可以有效的改善数位音响的音质。其实dip的工作原理很单纯，它就是利用一组主动式的处理线路来重新处理数位讯号之中的时基内码（timebase），并防止讯号中的jitter（时基误差）有再恶化的现象，是一种相当有效的数位处理器材。

水月清清 · 发表于 2006-11-2 18:56:00

谢谢发布，好东西，不错，点赞了啊！

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[DIY发烧] 认识数位音响：数码OR模拟转换器浅释

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