高性能音頻解決方案

　　在歷史上的某個時候，音頻是當時最先進的技術。當美國愛迪生發(fā)明了留聲機的時候，他宣告了一個革命性家庭娛樂時代的開始。人們可以在自己家里聆聽預先錄制好的音樂。不幸的是，愛迪生發(fā)明的固有聲音質量是比較差的。而且，早期的基于金屬箔的錄音帶的壽命也很有限，因此對更高音頻質量和更長壽命的渴望導致了78蟲膠(shellac)唱片的誕生。

　　但聲音質量由于當時使用的喇叭放大器的高噪音水平和非常低的音量水平仍談不上完美。1940年哥倫比亞(Columbia)發(fā)明的33 rpm乙烯基LP唱片、真空管和隨后的基于晶體管的電路、以及立體聲唱片標示著在開發(fā)高性能音頻解決方案方面又邁出了戲劇性的一大步。

　　盡管一路上不時有新的技術出現，但只有1982年Philips和Sony推出的CD(緊湊型光盤)才促成了數字音頻革命的真正開始。不過，盡管數字音頻唱片和制造技術在傳統唱片行業(yè)里被廣泛使用，但回放設備仍然是模擬的。

　　聲音質量的大幅提升能否惠及普通消費者和數字音頻格式的采用成為衡量未來音頻系統的基準。

　　這一音頻技術發(fā)展史很大程度上聚焦在音頻信號再現能力的改善上，以在家庭中盡可能精確地恢復原始的音頻信號。

　　這一原則已經在過去的數年中隨著音頻市場分裂成不同的縫隙市場而受到逐漸侵蝕，音頻性能、格式和記錄介質已經針對有關應用高度優(yōu)化。如Mini Disc、便攜式MP3播放機和DVD視頻播放系統這樣的新產品在為消費者提供新的音頻體驗的同時，也在強調它們并不是在朝高性能音頻信號再現方向努力。

　　最近大多數數字音頻系統的研究集中在如何大幅降低為得到“近似CD”質量音樂的再現而所需的位速率。為了在窄帶電話網絡上快速傳輸大型聲音文件或將它們快速存儲在像閃存卡這樣的固態(tài)媒介上，上述努力是非常需要的。例如，使用MP3對CD位速率進行編碼可以將速率降低11倍，從12Mbps降到96kbps，但仍然能很好地再現原聲。

　　目前市場上有許多不同的音頻壓縮標準，其中一些標準在市場上比其它標準更加成功。大家比較熟悉的音頻標準包括MP3、Dolby Laboratories的AC-3、Microsoft WMA和Franhofer Institute的AAC。傳統的數據壓縮技術(如Huffman編碼或行程編碼器)對音頻數據的壓縮效果不是很好。幾乎所有的音頻壓縮標準都使用了人類聽覺的心理聲學模型。

　　它們使用了三大關鍵技術。當要剔除低于最小聽覺閾值的聲音時，使用頻率屏蔽技術。當一個大幅度信號非常接近另一個較低幅度的信號時，使用幅度屏蔽技術。從而小信號被大信號屏蔽，因此小信號將不被編碼。最后，當不同音調在時間上非常接近時，使用時間屏蔽技術。從而可屏蔽掉在一個較柔和聲音前或后的高音，并把它丟棄掉。

　　因此，還有誰在關心高性能？市場看起來就好像消費者不再渴望新的更高質量的音頻標準。但盡管市場氣氛冷漠，我們正處在提供超高質量數字音頻的革命性時代的前沿。

　　盡管最近才正式商業(yè)發(fā)布，DVD Audio是業(yè)內宣布的第一個高帶寬、高分辨率音頻系統。這一特殊音頻格式是DVD論壇提出來替代CD的，它是DVD Video標準的一個派生格式，未來它可能允許回放以192 kHz采樣率和高達24位分辨率錄制的音頻信號。

　　DVD論壇是最早的對新的音頻規(guī)范有決策權的機構，其成員包括：JVC、Panasonic、Pioneer、Samsung和Warner Brothers。一個由33家成員公司(10家原始DVD論壇成員、再加上包括英特爾公司和感興趣半導體公司在內的其它公司)組成的獨立組織準備付清開發(fā)1998年后期首次公開的DVD-Audio格式的入會費。

　　DVD論壇的音頻工作組公開了對3種類型的DVD音樂光盤和3種類型的DVD播放機的詳細建議，它們都具備不同的性能。該規(guī)范支持：PCM和包括雙聲道24位96kHz和192kHz立體聲錄音在內的壓縮音頻格式、壓縮4/5/6聲道編程、甚至由24位96kHz前部聲道數據和24位96kHz環(huán)繞聲道數據組成的5聲道方案。

　　需要指出的是，DVD-Audio格式將與其它DVD格式相互共存。它們包括：

•純音樂DVD盤含有一個符合被提議的DVD Audio規(guī)范的音樂程序，它也可能含有文本、靜態(tài)圖片和一個可視的屏幕菜單。這類光盤可以在DVD-Audio播放機(它可以回放PCM音頻，但不要求它回放Dolby Digital、DTS和MPEG音頻)和電影/音樂組合播放機(它可以回放DVD-Audio光盤和符合當前DVD Video規(guī)范的光盤)上回放。

•混合純音樂程序(符合被提議的DVD Audio規(guī)范)和動態(tài)音樂視頻(符合當前DVD Video規(guī)范)的組合光盤，音樂視頻可以在組合(或通用)電影/音樂播放機和專用純視頻播放機(如當前市場上的那些型號)上回放。純音樂程序可以在電影/音樂組合播放機和純音樂播放機(它也可以播放音樂視頻的音頻部分)上回放。

•第三種類型光盤(它被看作是DVD Video規(guī)范的擴展)可以存儲電影和音樂視頻，但它也含有一個“音頻導航文件”，該文件可使得視頻內容的任何授權音頻部分在專用DVD-Audio播放機上回放。可在純音頻播放機上回放的授權音頻部分的格式可以是PCM音頻、Dolby Digital、DTS和MPEG音頻。

　　數字音頻的最常見數據格式是脈沖編碼調制(PCM)。CD使用以44.1kHz采樣頻率錄制的16位PCM數據，DVD-Audio盤也使用PCM數據格式，因此用來處理DVD-Audio數據的技術與CD是一樣的。典型的系統架構如下圖所示。注意：在sigma-delta DAC之前，有一個數字濾波器用來處理過采樣和防止圖像抖動。

　　Alec H. Reeves在1937年發(fā)明了脈沖編碼調制(PCM)，當時他在法國國際電話和電報公司工作。PCM在1962年首次用于電話傳輸，當時集成電路的發(fā)展使得這樣的應用已具備實際意義。狹窄的4kHz聲音頻段采用8kHz頻率進行采樣，每個脈沖采用一個數字值進行編碼，然后把這些數字值當作一個線性系列相似脈沖進行分時傳輸，每個脈沖采用及時從聲波上的特定點上采樣到的幅度進行編碼。

　　在過去的15年里，ADC和DAC系統的性能一直在穩(wěn)定地增長。下面的音頻DAC表簡要列出了今天最先進的DAC和1986年最先進的DAC之間的性能比較。現在，將廣泛的數字濾波技術集成進今天的DAC轉換器中不僅在技術上是可行的，而且也非常經濟。如Wolfson Microelectronics公司的DAC器件WM8740具有完全支持最新DVD-Audio標準、CD和其它使用PCM格式數據的數字音頻系統的架構。

　　DVD-Audio提供了空前的高質量音頻回放潛力，不過，DVD-Audio并不是唯一的高質量音頻標準。Sony和Philips也已經合作開發(fā)了一個稱為Direct Stream Digital (DSD)的競爭標準。1999年在日本公布的Super Audio CD (SACD)與PCM格式CD和針對數字音頻的DVD標準不兼容。

　　DVD-Audio格式采用了線性PCM編碼方法，與目前CD格式采用的一樣，但最高采樣頻率提高到192 kHz，動態(tài)范圍也增加到24位。作為對比，DSD格式采用了一個稱為直接數字流(DSD)的編碼技術，其最高采樣頻率為2.8224 MHz。DVD-Audio盤和Super Audio CD盤能夠承載高達6個聲道的環(huán)繞聲信息。Super Audio CD系統還包括一個稱為Direct Stream Transfer的無損編碼方法，它可以將光盤上的數據減少一半，它使得單個高密度層就可以同時容納一個多聲道和兩聲道程序。在回放時，數據的恢復理論上不損害數據完整性。DVD-Audio也有一個稱作Meridian Lossless Packing (MPL)的無損壓縮方案，它執(zhí)行一個類似的數據壓縮處理。

　　DSD的關鍵優(yōu)勢是理論上更簡單的信號鏈。位流直接記錄到光盤介質上，這可消除實現昂貴的數字濾波器的必要性。不過，對于準備采用DSD的音樂業(yè)界來說，它們必須購買新的設備?，F有的混音臺、錄音控制臺和數字錄音機現在都不支持PCM。

　　一個不可避免的問題是，哪個系統能提供產生最高質量音頻的潛力。不幸的是，今天還無法對此進行精確的評估，因為沒有允許我們做出正確判斷的素材。但完全可以說，這兩個系統都可提供性能遠超CD的潛力。我們將會看到另一場VHS對BETA的大戰(zhàn)嗎？在VHS對BETA的大戰(zhàn)中，性能差的系統由于得到來自軟件和零售行業(yè)的更好支持而變得更加流行。或者DVD-Audio和DSD將會共存？幸運的是，對工程師來說，一個播放機支持兩種標準從技術上而言是可能的。

　　消費者可能發(fā)現，他們在決定這兩種新的下一代超級音頻標準的未來時處于一個非同尋常的位置。很可能最成功的格式將是那個最能抓住消費者聽覺的格式，而不是技術上最優(yōu)秀的那個格式。

　　與此同時，市場上好像對最新的互聯網音頻小玩意有很旺的需求，不過，沒有人在大聲呼喚這些超高性能的音頻標準，除了那些準備付更多的錢購買一臺Hi-Fi系統、一輛豪華汽車、以及想證明CD與DVD-Audio或DSD定性區(qū)別的音樂發(fā)燒友。

　　因此你還煩惱啥？我相信有很多人問過如何發(fā)現新世界或到肯尼迪航天中心登月等類似的問題。他們怎么可能預見到超級能量的出現或適合于航天領域的硅芯片技術的加速度發(fā)展？

　　與此同時，這些下一代音頻系統也不太可能像創(chuàng)造了一個新紀元那樣激動人心，目前在這個星球上幾乎看不到有一樣東西可以在你的家里在你的眼前被重新創(chuàng)造出來，它能夠超越音樂的某些最高性能所帶來的情感影響。能夠觸及你的靈魂的那些東西是無價的。

　　Julian Hayes目前是Wolfson Microelectronics公司的行銷副總裁。他于1998年加入該公司并領導其音頻業(yè)務的拓展。在加入Wolfson之前，他已在ADI公司工作了十年以上，其間他一直擔任銷售和行銷方面的多個不同崗位。Julian Hayes擁有南安普頓大學的物理學榮譽學位，他的個人興趣有騎車、高端Hi-Fi、cordon bleu烹飪和照顧家庭。