數(shù)字音頻中的DSD技術

數(shù)字音頻中的DSD技術

2002中南地區(qū)廣播電視技術年會優(yōu)秀論文二等獎

一、概述

    回顧數(shù)字音頻光盤的發(fā)展，自1983以來，CD以更寬的頻率響應、更高的信噪比、更大的動態(tài)范圍和更小的失真，加以輕、薄、小型、廉價、使用方便等優(yōu)點，迅速地取代了傳統(tǒng)LP密紋唱片市場。CD的數(shù)字音頻采用PCM多比特錄音技術，以每秒44.1KHz采樣頻率，16bit量化精度來記錄音頻數(shù)據(jù)。以后所開發(fā)的多種數(shù)字音頻產(chǎn)品，如：DAT、DCC、MD等也沿用這種格式。但PCM存在著一些難以克服的缺陷： （1）當采用44.1 KHz取樣頻率時，必須在22 .05KHz處采用急劇升降的數(shù)字濾波器，以防止基帶外的頻率成分混入。該種銳截止濾波器帶來的群延時失真明顯地劣化了高頻端的重放音質(zhì)。（2）對于小信號，PCM方式中由于量化噪聲的原因造成信噪比下降。為了解決這個問題而采用了一些改善措施。但這些措施隨之又帶來了新的問題，導致在聲音還原時人們很容易辨別出CD還原的數(shù)碼聲，具體表現(xiàn)在低頻生硬、單薄，中頻不夠透明，高頻有毛刺感等。迄今近20年來雖然這種技術雖然在不斷進步，量化編碼從16bit上升到24bit、32bit，采樣頻率提升到96KHz，即使這樣，其改善也是有限的。

    因此后CD時代的競爭表面上是SACD和DVD-Audio之爭，其本質(zhì)上是DSD技術和PCM技術之爭。它們的運用數(shù)字技術和格式完全不同，并且互不兼容。

二 DSD技術
DSD格式的推出，較大程度地改善了PCM存在的缺陷。DSD的取樣頻率為2.8224MHz，較傳統(tǒng)CD的取樣頻率 44.1kHz高出64倍，理論上可以把頻響范圍擴展至1Hz-400kHz，大大超越傳統(tǒng)CD20 kHz的極限。同時64倍于CD的超取樣頻率又可以使量化噪聲的大部分能量被轉(zhuǎn)移至音頻范圍之外，很容易被一個低通濾波器濾除�？梢姶司幋a技術就是通過大幅度地提高采樣頻率，來降低音頻范圍內(nèi)量化噪聲，同時使用 "噪聲整形電路"進一步把可聞頻帶（0 ~ 20kHz）內(nèi)的噪聲轉(zhuǎn)移到20kHz以上的超音頻范圍中去，有效地控制量化噪聲的分布以進一步提高信噪比。

    我們都知道，按照采樣定律進行采樣、量化和編碼的數(shù)字音頻信號，其信噪比決定于量化比特數(shù)，大約為量化比特數(shù)的6倍。因此在音頻系統(tǒng)中降低量化比特數(shù)就將增大量化噪聲。因此1bit信號流的噪聲是很大的。為滿足Hi-Fi放聲的要求，一般采用16bit量化。DVD-Audio格式就是采用這種思路，但量化比特數(shù)的提高，不僅使數(shù)字信號的碼率提高，而且所要求的A/D 轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換更精密，相應價格變高，因此量化比特數(shù)的提高有一定的限制。DSD技術為解決該問題采用了另一種降低量化噪聲的方法：采用過采樣，同時使用噪聲整形技術改變噪聲在頻率軸上的分布，并用濾波器濾掉20KHz以上的噪聲，來提高系統(tǒng)的信噪比。下面簡單討論DSD信號流的獲得、過采樣和噪聲整形。

2、過采樣

    如果數(shù)字音頻系統(tǒng)原來的采樣頻率為fs（通常為44.1KHz或48KHz），若將采樣頻率提高為Rfs, 并且R>1，則稱為過采樣，其中R稱為過采樣率。在這種采樣的數(shù)字信號中，由于量化比特數(shù)未改變，故量化噪聲功率也不變。這時的量化噪聲被均勻分布在0-Rfs/2頻帶內(nèi)，也就是音頻頻帶內(nèi)的噪聲降低了。過采樣系統(tǒng)的最大信噪比為 S/N=6.02m+1.76+10lg（Rfs/2fB） 式中fB為音頻信號帶寬，Rfs為過采樣頻率，m為量化的比特數(shù)。

    由公式可得，在過采樣時，采樣頻率提高一倍，即Rfs=4fB，則系統(tǒng)的信噪比提高3dB，換言之相當于量化比特數(shù)提高0.5bit。若R>>1， Rfs/2就遠大于音頻信號的最高頻率，使得均勻分布在0-Rfs/2頻率范圍內(nèi)的量化噪聲大部分被分布在音頻頻帶以外的區(qū)域。進一步采用噪聲整形技術使原來均勻分布的量化噪聲轉(zhuǎn)變成集中到高頻區(qū)的新的分布方式。雖然總的噪聲量沒有減少，但音頻頻帶內(nèi)的噪聲卻降低了。此時音頻頻帶外的噪聲雖然增加了，但可用簡單的低通濾波器加以濾掉。

    隨著采樣頻率的提升，相鄰采樣值之間的差別很小，可以對其差值進行量化，即采用差分脈沖調(diào)制（DPCM），使量化比特數(shù)減少。當采樣頻率足夠大，就可采用極限值1bit進行量化。這種1bit信號流只需要用一個簡單的低通濾波器取出其平均電平即可。

3、噪聲整形

    由于噪聲是在量化過程中產(chǎn)生的，噪聲整形的工作原理就是將噪聲分量進行負反饋，在反饋環(huán)路中加入網(wǎng)絡，使低頻反饋系數(shù)比高頻反饋系數(shù)大，從而降低了音頻頻帶內(nèi)的噪聲。圖2為有無噪聲整形電路之對比：

三、超級音頻光盤SACD

    SACD（Super Audio Disc）是一種采用DSD數(shù)字錄音技術的新型光盤，它的頻率范圍和動態(tài)范圍均比CD寬。一般分為三種結構：一種是單層HD（記錄20KHz~100 KHz超寬頻帶信號的高密度層），錄入DSD信號。它可以存儲9G字節(jié)的SACD格式的音樂。另兩種均為雙層光盤。其中一種是混合式雙層結構，即一層與CD相容，另一層為高密度錄音層HD層。它可以存儲4.7G字節(jié)的數(shù)據(jù)，大約是普通CD的6倍。HD層又細分成三軌，可分別載入2聲道訊號、6聲道訊號及其他資訊（如：片名、曲名、圖形和活動圖象等）。SACD雖然具有與CD相同的外形尺寸，但能夠提供比CD更好的音質(zhì)。SACD和CD光盤的比較如表1所示。

四、SACD的放聲系統(tǒng)

    目前大部分SACD光盤所接的放聲系統(tǒng)仍然是模擬式的。顯然，SACD對功率放大器和揚聲器的要求是非�？量痰�，傳統(tǒng)模擬式的性能已跟不上。電子管或晶體管功率放大器的發(fā)展已接近極限，很難再有突破性的進展。一些公司針對此紛紛推出自己的數(shù)字功放。索尼的TA-FB940R，日本Sharp公司推出的1bit數(shù)字擴大機。它們采用全數(shù)字式工作原理，因而頻率響應、動態(tài)范圍、瞬態(tài)響應好。并因其操作屬簡單的開/關切換形式，使它的熱量消耗只有傳統(tǒng)模擬放大器的五分之一左右，電源消耗只需約一半。新型數(shù)字功放的推出不僅為SACD系統(tǒng)提供了功率放大器的解決方案，并且又可用于所有雙聲道立體聲信號源，不論是模擬信號還是數(shù)字信號都可使用。

    數(shù)字揚聲器的研究進展不大，它的研究一直采用PCM系統(tǒng)，把二進制輸入信號直接轉(zhuǎn)換為聲波輻射，揚聲器本身完成D/A轉(zhuǎn)換。低比特數(shù)的PCM揚聲器性能不能滿足Hi-Fi放聲的要求，而高比特數(shù)的PCM揚聲器則結構復雜，若要保證一定的截止頻率，必須采用有足夠高階數(shù)的低通機械濾波器或聲學濾波器，這樣會使數(shù)字揚聲器結構復雜、加工困難。數(shù)字揚聲器若采用過采樣和噪聲整形技術可以減少對數(shù)字揚聲器的比特要求，甚至降低為1bit。設想揚聲器的輸入若是1bit信號，那么數(shù)字揚聲器只需是一個簡單的低通機械濾波器或聲學濾波器。不但簡化了結構，而且提高了重放性能，并為研究高質(zhì)量的數(shù)字揚聲器提供了一種新方法。相信不久以后，這種1bit數(shù)字揚聲器會得到實際應用的。

    其次，在硬件方面，SACD已先一步走到DVD-Audio之前，早在兩年前，SONY公司就有一款轟動業(yè)界的SCD-1問世。之后接踵而來的SCD-777SE、SCD-555、SCD-XB940，甚至影音兼容的DVP-S9000ES、Manantz公司的SA-1、SHARP公司的DX-SX1、先鋒公司的DXAX100等，不勝枚舉。而DVD-Audio陣容到目前為止也僅有松下、勝利、天龍等幾家公司的少量品種應市。在軟件供應方面也是SACD捷足先登，至今已有超過300款SACD唱片問世，國內(nèi)看到的也有近百種，其中SONY和Philips一方面憑借自己旗下的唱片公司源源不斷地出版SACD碟以示支持。另一方面更說服Telarc、DMP、拿索絲、DIGITAL等唱片公司加盟SACD陳營，不斷推出SACD軟件給廣大消費者造成了"先入為主"的極深印象。而DVD-Audio還在搖籃中就被計算機黑客破解了防盜版密碼，從而大大推遲了DVD-Audio唱片推出的時間表，這也是許多飽受盜版之苦的唱片公司暫不考慮對DVD-Audio陣營支持的主要原因。

    可以預測,采用DSD技術的SACD的前景光明,它會獲得迅猛發(fā)展,也許會成為后CD時代的音樂光盤的主流格式。

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