高性能音频解决方案 - 音频/视频/显示 - 电子工程师俱乐部

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在历史上的某个时候，音频是当时最先进的技术。当美国爱迪生发明了留声机的时候，他宣告了一个革命性家庭娱乐时代的开始。人们可以在自己家里聆听预先录制好的音乐。不幸的是，爱迪生发明的固有声音质量是比较差的。而且，早期的基于金属箔的录音带的寿命也很有限，因此对更高音频质量和更长寿命的渴望导致了78虫胶(shellac)唱片的诞生。 　　
但声音质量由于当时使用的喇叭放大器的高噪音水平和非常低的音量水平仍谈不上完美。1940年哥伦比亚(Columbia)发明的33 rpm乙烯基LP唱片、真空管和随后的基于晶体管的电路、以及立体声唱片标示着在开发高性能音频解决方案方面又迈出了戏剧性的一大步。
　　
尽管一路上不时有新的技术出现，但只有1982年Philips和Sony推出的CD(紧凑型光盘)才促成了数字音频革命的真正开始。不过，尽管数字音频唱片和制造技术在传统唱片行业里被广泛使用，但回放设备仍然是模拟的。
　　
声音质量的大幅提升能否惠及普通消费者和数字音频格式的采用成为衡量未来音频系统的基准。
　
　　
这一音频技术发展史很大程度上聚焦在音频信号再现能力的改善上，以在家庭中尽可能精确地恢复原始的音频信号。
　　
这一原则已经在过去的数年中随着音频市场分裂成不同的缝隙市场而受到逐渐侵蚀，音频性能、格式和记录介质已经针对有关应用高度优化。如Mini Disc、便携式MP3播放机和DVD视频播放系统这样的新产品在为消费者提供新的音频体验的同时，也在强调它们并不是在朝高性能音频信号再现方向努力。
　　
最近大多数数字音频系统的研究集中在如何大幅降低为得到“近似CD”质量音乐的再现而所需的位速率。为了在窄带电话网络上快速传输大型声音文件或将它们快速存储在像闪存卡这样的固态媒介上，上述努力是非常需要的。例如，使用MP3对CD位速率进行编码可以将速率降低11倍，从12Mbps降到96kbps，但仍然能很好地再现原声。
　　
目前市场上有许多不同的音频压缩标准，其中一些标准在市场上比其它标准更加成功。大家比较熟悉的音频标准包括MP3、Dolby Laboratories的AC-3、Microsoft WMA和Franhofer Institute的AAC。传统的数据压缩技术(如Huffman编码或行程编码器)对音频数据的压缩效果不是很好。几乎所有的音频压缩标准都使用了人类听觉的心理声学模型。
　　
它们使用了三大关键技术。当要剔除低于最小听觉阈值的声音时，使用频率屏蔽技术。当一个大幅度信号非常接近另一个较低幅度的信号时，使用幅度屏蔽技术。从而小信号被大信号屏蔽，因此小信号将不被编码。最后，当不同音调在时间上非常接近时，使用时间屏蔽技术。从而可屏蔽掉在一个较柔和声音前或后的高音，并把它丢弃掉。
　　
　　
因此，还有谁在关心高性能？市场看起来就好像消费者不再渴望新的更高质量的音频标准。但尽管市场气氛冷漠，我们正处在提供超高质量数字音频的革命性时代的前沿。
　　
尽管最近才正式商业发布，DVD Audio是业内宣布的第一个高带宽、高分辨率音频系统。这一特殊音频格式是DVD论坛提出来替代CD的，它是DVD Video标准的一个派生格式，未来它可能允许回放以192 kHz采样率和高达24位分辨率录制的音频信号。
　　
DVD论坛是最早的对新的音频规范有决策权的机构，其成员包括：JVC、Panasonic、Pioneer、Samsung和Warner Brothers。一个由33家成员公司(10家原始DVD论坛成员、再加上包括英特尔公司和感兴趣半导体公司在内的其它公司)组成的独立组织准备付清开发1998年后期首次公开的DVD-Audio格式的入会费。
　　
DVD论坛的音频工作组公开了对3种类型的DVD音乐光盘和3种类型的DVD播放机的详细建议，它们都具备不同的性能。该规范支持：PCM和包括双声道24位96kHz和192kHz立体声录音在内的压缩音频格式、压缩4/5/6声道编程、甚至由24位96kHz前部声道数据和24位96kHz环绕声道数据组成的5声道方案。
　　
需要指出的是，DVD-Audio格式将与其它DVD格式相互共存。它们包括：
　　
•纯音乐DVD盘含有一个符合被提议的DVD Audio规范的音乐程序，它也可能含有文本、静态图片和一个可视的屏幕菜单。这类光盘可以在DVD-Audio播放机(它可以回放PCM音频，但不要求它回放Dolby Digital、DTS和MPEG音频)和电影/音乐组合播放机(它可以回放DVD-Audio光盘和符合当前DVD Video规范的光盘)上回放。
　　
•混合纯音乐程序(符合被提议的DVD Audio规范)和动态音乐视频(符合当前DVD Video规范)的组合光盘，音乐视频可以在组合(或通用)电影/音乐播放机和专用纯视频播放机(如当前市场上的那些型号)上回放。纯音乐程序可以在电影/音乐组合播放机和纯音乐播放机(它也可以播放音乐视频的音频部分)上回放。

•第三种类型光盘(它被看作是DVD Video规范的扩展)可以存储电影和音乐视频，但它也含有一个“音频导航文件”，该文件可使得视频内容的任何授权音频部分在专用DVD-Audio播放机上回放。可在纯音频播放机上回放的授权音频部分的格式可以是PCM音频、Dolby Digital、DTS和MPEG音频。
　
　　
数字音频的最常见数据格式是脉冲编码调制(PCM)。CD使用以44.1kHz采样频率录制的16位PCM数据，DVD-Audio盘也使用PCM数据格式，因此用来处理DVD-Audio数据的技术与CD是一样的。典型的系统架构如下图所示。注意：在sigma-delta DAC之前，有一个数字滤波器用来处理过采样和防止图像抖动。
　　
Alec H. Reeves在1937年发明了脉冲编码调制(PCM)，当时他在法国国际电话和电报公司工作。PCM在1962年首次用于电话传输，当时集成电路的发展使得这样的应用已具备实际意义。狭窄的4kHz声音频段采用8kHz频率进行采样，每个脉冲采用一个数字值进行编码，然后把这些数字值当作一个线性系列相似脉冲进行分时传输，每个脉冲采用及时从声波上的特定点上采样到的幅度进行编码。
　
　　
在过去的15年里，ADC和DAC系统的性能一直在稳定地增长。下面的音频DAC表简要列出了今天最先进的DAC和1986年最先进的DAC之间的性能比较。现在，将广泛的数字滤波技术集成进今天的DAC转换器中不仅在技术上是可行的，而且也非常经济。如Wolfson Microelectronics公司的DAC器件WM8740具有完全支持最新DVD-Audio标准、CD和其它使用PCM格式数据的数字音频系统的架构。
　
　　
DVD-Audio提供了空前的高质量音频回放潜力，不过，DVD-Audio并不是唯一的高质量音频标准。Sony和Philips也已经合作开发了一个称为Direct Stream Digital (DSD)的竞争标准。1999年在日本公布的Super Audio CD (SACD)与PCM格式CD和针对数字音频的DVD标准不兼容。
　　
DVD-Audio格式采用了线性PCM编码方法，与目前CD格式采用的一样，但最高采样频率提高到192 kHz，动态范围也增加到24位。作为对比，DSD格式采用了一个称为直接数字流(DSD)的编码技术，其最高采样频率为2.8224 MHz。DVD-Audio盘和Super Audio CD盘能够承载高达6个声道的环绕声信息。Super Audio CD系统还包括一个称为Direct Stream Transfer的无损编码方法，它可以将光盘上的数据减少一半，它使得单个高密度层就可以同时容纳一个多声道和两声道程序。在回放时，数据的恢复理论上不损害数据完整性。DVD-Audio也有一个称作Meridian Lossless Packing (MPL)的无损压缩方案，它执行一个类似的数据压缩处理。
　
　　
DSD的关键优势是理论上更简单的信号链。位流直接记录到光盘介质上，这可消除实现昂贵的数字滤波器的必要性。不过，对于准备采用DSD的音乐业界来说，它们必须购买新的设备。现有的混音台、录音控制台和数字录音机现在都不支持PCM。

一个不可避免的问题是，哪个系统能提供产生最高质量音频的潜力。不幸的是，今天还无法对此进行精确的评估，因为没有允许我们做出正确判断的素材。但完全可以说，这两个系统都可提供性能远超CD的潜力。我们将会看到另一场VHS对BETA的大战吗？在VHS对BETA的大战中，性能差的系统由于得到来自软件和零售行业的更好支持而变得更加流行。或者DVD-Audio和DSD将会共存？幸运的是，对工程师来说，一个播放机支持两种标准从技术上而言是可能的。
　　
消费者可能发现，他们在决定这两种新的下一代超级音频标准的未来时处于一个非同寻常的位置。很可能最成功的格式将是那个最能抓住消费者听觉的格式，而不是技术上最优秀的那个格式。
　　
与此同时，市场上好像对最新的互联网音频小玩意有很旺的需求，不过，没有人在大声呼唤这些超高性能的音频标准，除了那些准备付更多的钱购买一台Hi-Fi系统、一辆豪华汽车、以及想证明CD与DVD-Audio或DSD定性区别的音乐发烧友。
　　
因此你还烦恼啥？我相信有很多人问过如何发现新世界或到肯尼迪航天中心登月等类似的问题。他们怎么可能预见到超级能量的出现或适合于航天领域的硅芯片技术的加速度发展？
与此同时，这些下一代音频系统也不太可能像创造了一个新纪元那样激动人心，目前在这个星球上几乎看不到有一样东西可以在你的家里在你的眼前被重新创造出来，它能够超越音乐的某些最高性能所带来的情感影响。能够触及你的灵魂的那些东西是无价的。
　　
Julian Hayes目前是Wolfson Microelectronics公司的行销副总裁。他于1998年加入该公司并领导其音频业务的拓展。在加入Wolfson之前，他已在ADI公司工作了十年以上，其间他一直担任销售和行销方面的多个不同岗位。Julian Hayes拥有南安普顿大学的物理学荣誉学位，他的个人兴趣有骑车、高端Hi-Fi、cordon bleu烹饪和照顾家庭。