SACD真的比DVD-A优越吗？

myth

以下文章转自 现代音响技术 杂志 总第56期
原文由薛飞编译，原创作者不可考，考虑到文字上的谬误，部分内容有删节


虽然Philip公司发明了CD唱片，但直到20世纪80年代早期，SONY公司介入后才得以成功。当时SONY公司的主席森田秋雄（Akio Morita）的密友，指挥家卡拉扬（Karajan）先生，要求CD应该具有足够长的播放时间，可以把贝多芬（Beethoven）的第九交响曲整个装入一张CD唱片中。而不论指挥家以多么慢的节奏指挥，当时CD的最小反射坑尺寸和轨迹，以及16-bit数据，44.1kHz取样率，仍然应付充裕有余。
   
一开始，线性脉冲编码调制（LPCM）的16-bit/44.1kHz的编码规格就被指出对于声音的透明度还不够好。研究表明信噪比必须大于98dB，才能保证耳朵在最灵敏频段感觉不到认为痕迹。而且，44.1kHz的取样率导致了用于抗混叠滤波器（录音）和重整滤波器（重放）的通频带和截至频带之间仅有2kHz的过渡（或称警戒）带宽。
   
这个警戒带宽的狭窄性一直是争论的话题。使用44.1kHz的取样率，高于22.05kHz的信号将会混叠，即是在可闻频段产生四分音，这需要过滤掉。这就要求使用特性非常陡峭的低通滤波器，一些文章指出这会造成可闻的问题。DAT和DVD-A使用的48kHz取样率将警戒带宽加倍，但几乎没有报告说明为什么在取样率上一点点的提高，竟会造成声音质量的巨大差别。在最近的AES（美国音频工程师学会）论文中，对于人耳的最优化估计是把最大取样率设定在大约60kHz。
   
现在用于现行CD的数字技术问题正在消失。DVD-Audio碟片通过更小的反射坑尺寸，更紧密的轨距和稍短波长的激光实现的4.7GB容量，可以带给我们24-bit字长的5.1声道。而24-bit字长可以得到最大144dB的信噪比和同样底的失真水平。如此低的噪音和失真已经远低于人耳的听觉极限，甚至低于电路和半导体的热噪声极限。
   
对于前述的取样率，96kHz取样率带给我们28kHz的警戒带宽，介于听觉理论频带上限20kHz和乃奎斯特（Nyquist）频率48kHz的中间。这样使得抗混叠滤波器的特性曲线不需要那么锐利地转折，即不那么陡峭的先期滚降。这会降低脉冲前后缘的振铃现象。换句话说，如果仅需要保持2kHz的警戒带宽，那么我们可以用144dB信噪比录制高达46kHz的信号，假设你还能够听得见。
   
不管任何分割，24-bit字长，96kHz取样率技术可以用于5.1声道录音，使得DVD-A很好的超过了可闻域问题的限制。然而，因为版权保护制定缓慢，所以拖延了DVD-A的推出。但另一方面，由于它基于DVD技术，得益于规模经济效益，第一代的DVD-A唱机将会相对而言不那么昂贵。



    待续。。。。。。。。。。。。。。。。。

[此贴子已经被作者于2003-2-25 14:42:14编辑过]

draculalord

我倒觉得可能非这种对比
可能是编码方式优劣对比
以及以后对全数字功放和数字换能器支持的优劣上，呵呵

myth

同时，还值得关注的是另一种相竞争的标准：SONY/Philip公司的SuperAudio CD。相对于使用LPCM，SACD使用的是一种专用固定delta-sigma调制编码方式，叫做DSD（Direct Stream Digital）。而音响发烧友对于delta-sigma方式并不陌生，我在下面只做一个简单的介绍。

在最简单的delta-sigma调制模式中，一个1-bit转换器在一个反馈环路中进行超取样。按照定义，一个1-bit系统，无论是“开”或“关”状态，都受到非常高的量化噪声的困扰。然而，这个反馈环路把噪声能量整形，使得可闻频段的噪声降低到可接受的程度，而在可闻频段之外就增高。

音响发烧友对负反馈技术的怀疑已经有不少年了。但我不能理解，他们对delta-sigma调制方式却是毫无保留的认同。不像在放大器中的负反馈技术（放大器中的环路电路已经是线性的了），在delta-sigma转换器中使用的反馈环路被我们所能想象得到的最不线性的部件：1-bit A/D转换器所包围。

为什么有人要这么做？正如两点决定一条直线，按照定义，1-bit转换器的线性误差为零。通过噪声整形，我们可以做出有效解析度相当于任意字长多比特器件的转换器，只要我们的超取样率足够高，噪声整形阶数足够多。delta-sigma调制方式是一个有效的途径，可以通过用简单、廉价的单比特单元取代复杂的多比特ADC和DAC方式实现高解析度。而事实上，简单的转换器在设计上很复杂：在ADC部分的噪声整形和取样阶段，以及DAC部分的电流-电压转换和重整滤波阶段，必须对噪声和失真加以重视。

delta-sigma调制器也不是“免费的午餐”。围绕一个强非线性使用高数量级的负反馈，会导致空闲通道杂音的升高和限制循环数（效果上，转换器就像一个振荡器，即是没有信号输入仍然会输出重复的波形）。AES和IEEE（电力电子学会）发表的不少论文一经提及了这个问题，特别是对在分析、建模和消除这种非理想效应是所遇到的困难作了描述。这些半周期性的振荡已经被发现是可闻的，至少在使用测试信号时是这样。用Matlab软件做电脑模拟也很容易听出来（Matlab的文件输出可以通过声卡重放），但它们的半周期特性使得它们即便是在频域作电脑模拟时也很难被测量出来。在这些论文中，显示提高超取样和使用多于1-bit的编码器，可以降低噪音。事实上，现在所有使用delta-sigma调制的高性能ADC，都使用一个至少3码（如Crystal），甚至4码（如AKM）或5码（如dCS）的量化器，超取样率通常是128倍（相对于44.1kHz）或者更高。

也应该注意到单比特delta-sigma的比特流对于诸如时基误差、边缘速度和高能量带外噪声折叠入带内这类问题非常敏感，这些会导致更多的杂音和振荡。现在使用的所有高性能delta-sigma DAC 里使用的多级处理方式已经减少了这些问题。


待续。。。。。。。。。。。。。。。。。

draculalord

hehe,DSDvsPCM

myth

在DAC设计中，倾向于使用20bit或者更长的字节以及高达18bit的线性（包括Analog Devices，Crystal，甚至单比特的发明者Philips半导体公司）。一种通过离散DAC编码转换单元的先进技术可以将多比特DAC的线性误差随机化，并已广泛用于Hi-End级别的转换器。128倍的超取样率已经用于最高性能的DAC，如同在ADC中使用一样。Burr-Brown公司继续在其最高端产品中使用，这些DAC不是用负反馈，而依靠模拟配对技术来实现所要求的线性。

按照信息理论显示，在相同带宽/本底噪声条件下，delta-sigma数据流比线性PCM数据流携带的信息更少。因此，在输送到存储介质之前，用一个delta-sigma A/D转换器把比特流转换成线性PCM数据流的做法就显得有意义。在数字处理过程中，这个将高速低比特数据流转换成低速高比特流（例如采用一个A/D转换器）的电路单元，我们称之为抽样器（decimator）。抽样器减少了来自于A/D转换器的每秒钟数据比特总数量（比特位数乘以取样率），这样就把来自于A/D转换器的效率不高的delta-sigma数据流改换成了效率高的PCM数据流（在24/96规格的DVD-A中，即是每声道2.3兆比特每秒）。

在DAC设计中与抽样器相对应的DSP电路单元叫做插值器。它把输入的低速多比特数据流转换成高速率数据流，以驱动一个delta-sigma得DAC。在效果上，这个高效率的PCM数据流被转换成效率不高的delta-sigma数据流，以每秒钟更高的总比特率运行。请记住，我们创立delta-sigma数据流的原因是因为在制造DAC和ADC时，用这种方式可以做到廉价且方便，虽然解析度低，但运行速度快且天生线性良好。而制造速度较低，解析度高，可以直接以PCM数据流工作的转换器是很困难和昂贵的。这是效率不高的delta-sigma数据流可以存在的唯一原因。

使用0.12微米CMOS集成电路技术，设计良好的插值器和抽样器可以做得极其微小，因此成本几乎为零。然而，请注意我说的是“设计良好”。所有的数字运算必须适当处理，包括数据回路和扰动（dither）的加入。内部数据通道和滤波系数必须达到必要的宽度，以保证不会引入任何非线性成分。

请注意，插值器或者抽样器也可能会造成信号的失真。设计良好的插值器和抽样器在听感上是透明的，但设计不当也会造成可闻的错误。我几乎不怀疑，在一些CD唱机中使用的低档数字滤波器/插值器由于追求廉价，以致造成听感上的问题。但是糟糕的设计与抽样器/插值器概念中的固有问题不能混为一谈。


待续，下面就要接触到SACD的部分了。。。。。。。。。。。。。。。。。

horder

继续啊~~~

myth

以下是引用horder在2003-2-24 19:26:00的发言：
继续啊~~~

你不知道我很累吗？一个字一个字的打上去，我先歇息，ZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZ

horder

嘿嘿~~
我洗个澡先。回来再继续看~~~~

无心睡眠

好东西，你把这些集中一下，给你加个精。
不过要是摘抄的，需要写一下来源。

myth

通过SACD，SONY和Philips提供了一种编码效率不高，高取样率，低解析度的比特流产品。SACD使用的直接数据流数字编码技术（DSD）通过一个7阶的delta-sigma A/D转换器输出原始比特流。DSD仅使用单一比特来编码信号，与之相比，来自主流大厂的高性能ADC使用的却都是基于最新研究成果的3码甚至更高（的编码）。很明显，SONY/Philips的DSD系统超取样率只有64倍（相对于44.1kHz），这仅相当于今天使用的所有高性能ADC和DAC的取样率的一半。为了在20kHz之内用1-bit数据流获得更好的性能，在这样低的超取样率下必须使用一个7阶的调制器。调制器的级数越高，数码的分级数（比特数）越低，则除去1-bit量化器中的高频能量就越困难。当考虑到对于时钟抖动的敏感和时脉上升缘的时间匹配，情况会更糟。在高阶单比特系统中，带外噪声混叠进入通频带内的问题变得更难处理。

单比特编码，64倍超取样在DSD系统中每声道产生一个2.8224MHz的数据流，但DSD使用了效率不高的delta-sigma方式，如果观察DSD编码的1kHz纯音的宽带理论频谱，可以发现并没有在全频带内达到24-bit的性能，信噪比（S/N）在20kHz以上跌落得很快，因为来自1-bit编码器的量化能量变得很可观。DVD-A使用的24/96规格线性PCM可以在高达46kHz的全频段中提供24-bit的噪声和失真性能。

DSD使用delta-sigma调制器导致了高于20kHz的噪声上升得非常迅速。（级数越高，上升越快）。为了避免来自唱机的高频能量太高，在制作SACD母版时就需要100kHz模拟低通滤波器。即使如此，大量的带外噪声还是可能被漏过并到达功率放大器，能量也许高达系统满功率输出的十分之一。如果在放大器中不进行衰减，那么这个能量的数值就可能达到接近损坏高音扬声器的程度，这就是为什么SACD唱机要求在输出端使用额外的50kHz低通滤波器（虽然这对音质有害无益）。这些低通滤波器的使用，与DSD所宣称的宽阔频带和低相位是自相矛盾的。

使得delta-sigma数据流天生的数据效率不高的情况变得更糟糕的是，其使用的无损编码比DVD-A使用的基于PCM的MLP编码效率更加低。因为所有的高频能量都保留在数据流中（使用基于PCM的系统，这些能量将被抽取器据之门外），所以DSD数据对于高效率数据打包的相关性和敏感性更低。

为什么SONY和Philips推出一种媒体，可以提供比CD更高的解析度，但使用效率不高的编码方式，因而需要特别留心避免编码的稳定性问题，并需要模拟低通滤波器来保证重放系统没有相容性问题？因为他们宣称，解码数据流的DAC可以做得更廉价，并且可以以数据流方式彻头彻尾直接输送到功率放大器。

这番话作为市场销售用途听来不错，但事实上永远不会实现：如果1-bit数据从盒子里输出，那么它就可能被完美地拷贝。重要的是必须明白存储在SACD中的数据是加密的，而在1-bit数据流之前必须进行解密，以便输送到D/A转换器。SONY的第一台SACD唱机SCD-1和SCD-777ES，装备了分离的芯片用于数码操作和DAC阶段。

然而，我们猜想SACD唱机原本的目的也是出于LSI（大规模集成电路）芯片的考虑，用单一芯片将数据流解密，并产生模拟输出。这样，本已清晰的数据流不再需要放在芯片之外进行处理。这种做法并不是一种低成本方案，因为模拟和数码电路共存于一块芯片中，增加了制造的复杂程度。SONY通过采用分离芯片解决了这个问题，或者也可以用其他方式克服，或者因此造成音质的下降。

SONY公司清楚地意识到了这个问题，并在SCD-1和SCD-777ES的最新文章里进行了深入地探讨。指出了1-bit系统的问题，称之为振幅和时间轴，讨论了解决这个问题的复杂和昂贵的方案。

他们没有讨论到一个非常重要的问题是靠近取样频率一半值的非常高数值的噪声会返回到音频段。为了达到接近7阶调制器理论上应有的性能，串扰到参考电压上的时钟信号必须被衰减至一百万分之一才能达到真正的20bit性能，则很明显是不可能的。为了防止1-bit频谱中的噪声和杂音折叠进入音频基段，运算放大器（opamp）的性能必须非常优异。运放中的非线性，包括由于转换率造成的非线性，都可能导致这个问题。

所以如果电路的复杂程度并不一定因为把DSD编码的信号存储在SACD中而得到降低，也没有发现节省成本的地方，那么为什么SONY和Philips要这么做（选择DSD）？下面是我个人的猜想，也参考了从一位SONY公司的职员除获得的深层次背景信息。



待续。。。。。。。。。。。。。。。。。

[此贴子已经被作者于2003-2-24 21:29:43编辑过]

myth

以下是引用无心睡眠在2003-2-24 19:53:00的发言：
好东西，你把这些集中一下，给你加个精。
不过要是摘抄的，需要写一下来源。

我没时间了，尽快吧

[此贴子已经被作者于2003-2-25 14:36:21编辑过]

horder

这要慢慢看~~~

AthlonXP

intel准备支持SACD  ---和--- DVD audio,不知道未来会怎么样

螺旋测微器

以下是引用AthlonXP在2003-2-25 13:02:00的发言：
intel准备支持SACD---和---DVDaudio,不知道未来会怎么样

这两个东西在没有相应后端设备配套的情况下，根本就是吃饱了撑的。唱片公司在CD上吃足了苦头，关心的只是怎么防止数字复制，俺估计也就只能在小范围流行吧！未来还是以MP3类的东西为主流吧！另外，CD至少还有十年的寿命，除非唱片公司联合起来铁了心想淘汰它，呵呵！

draculalord

反正CD是不会淘汰的了，不然烧友手里一大堆唱片怎么办啊

horder

以下是引用draculalord在2003-2-26 12:48:00的发言：
反正CD是不会淘汰的了，不然烧友手里一大堆唱片怎么办啊

不是吧？？
CD当然会慢慢被淘汰。

horder

楼主怎么不写了？？

awego

dvd,赢定了！！