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高音质D/A转换与音效放大IC特性探讨

作者:佚名    微机原理来源:本站原创    点击数:    更新时间:2008-2-20

 本文:
 多媒体产品(Multimedia)是指能够同时表现2种以上文字、图表、影像、声音与动画等讯息的产品,不过讯息虽多,但是结合影像与声音的影音多媒体,则一直占主流地位,因此能传达此类讯息的表现方式,如电视、电影,都被称为强势媒体。
 
 过去能播放影音多媒体的设备,体积都相当庞大。拜IT产业进步,IT与CE设备中,多媒体产品如雨后春笋,种类与数量愈来愈多,体积也有缩小化趋势,例如多媒体个人计算机、笔记型计算机、手机、游戏机、专业机(如电子字典、电子书阅读机)、MP3音乐播放机、可携式多媒体播放机(PMP)、个人数字导航设备(PND)等。
 
 由上述分类可知,IT/CE产品以影音应用产品为市场大宗,就算原非多媒体用途(如PC/NB,手机),也跨足影音领域。很明显,IT/CE产品从单纯的「计算器」走进消费性电子产品市场,进而创造广大商机,影像播放与声音聆听的多媒体需求,绝对是最重要的杀手级应用。
 
 当然,影音多媒体并不完全局限于娱乐用途,举凡商品或服务展示、简报、意见咨询、科学研究、教学训练、双向互动等各种用途,都可用多媒体实现。
 
 
 图说:原本以传输语音为主的手机,目前却被赋予丰富的娱乐用途,播放音乐亦是重点应用。图中的Nokia 6233甚至配备双扬声器,强化聆听音质。
 
 多媒体产品影音失衡 音效功能长期被忽略
 
 影音多媒体设计上,长久以来多半是由影像功能挂帅,无论是机构设计或是市场宣传,影像的诉求远远大于声音。例如IT设备中的笔记型计算机,强调多媒体用途者,多半以大屏幕与强力显卡为诉求,音效功能则多轻描淡写。
 
 反观CE产品类,也是如此,以多媒体手机为例,虽手机以传送语音起家,但是摇身变成多媒体手机后,几乎都以强调显示功能为主,甚至将多媒体手机分为单色、CSTN、STN、TFT、AM OLED等,完全以影像为分类主导,对声音则鲜少着墨,几乎没有研究将多媒体手机音效的进步,列为分类重点。
 
 这样的发展趋势,原因之一在于人类的感官中,80%是倚赖视觉,因此在多媒体中,视觉所占的重要性也相对提高。其次根据人类听觉特性,也不是所有的声音都能感受、分辨,许多音效压缩格式多将一般人耳无法查觉变化的音频舍弃,减少音讯编码的数据量,就算解压缩后的音质与来源不尽相同,对还原后的音质体验感受差异不大,此称为感知编码 (Perceptual Coding),因为讯号源已经处理略微劣化,多媒体播放出来的声音自然无法追求质量。
 
 再者,电子环境对于音效的质量,也是相对不友善的环境,充满噪声与干扰。传统的模拟音效环境,例如音响,无论讯源、前级、后级部分,虽有电子设备与电源,但是拥有良好的屏避与阻隔,设计者较能掌握、排除其对音质的干扰。
 
 但音效设计场景换到IT/CE设备,因电路版空间有限,不可能针对单一讯号进行太多遮蔽、改善,且受限成本考虑,通常也很难利用较好的电容或电感,来减轻或阻绝交换式电源供应器天生的噪声,加上其它设备的电磁波干扰,声音表现自然大打折扣。
 
 在如此发展趋势下,影音受重视的程度逐渐失衡,此点由多媒体中数字影像规格,由高度破坏性压缩的Mpeg格式进展到Mpeg2,甚至目前的各种HD规格,画质表现愈来愈清晰、分辨率不断飙升,追求质量的趋势相当明显。但数字音效却反其道发展,破坏性压缩的mp3格式甚至AC3等盘据主流市场,音质较佳的无失真压缩反而成了小小众。消费者长期受到此趋势影响,对于多媒体中声音质量的要求,多半也以「有声音」就好的态度面对。
 
 
 图说:MP3就是音乐播放产品,音乐的播放效果即音质优劣,便成为评断MP3的最终条件。不过目前许多厂商却在外型、功能上大做文章,似乎本末倒置。
 
 影像发展红海竞争 强化音质成多媒体产品差异化活路
 
 如前述,因影像功能获得的重视远大于声音,因此多媒体产品在影像部分的竞争相当激烈,但由于零组件多半由特定供货商提供,设计人员虽然可在布线、调整上,做出修正,取得更好的影像质量,但是实质差异通常不会太大,最后产品上市后,由于与竞争产品没什么差异,往往陷入白热化的价格战。这样的红海市场,相信是许多厂商的痛,却又不得不奋力肉搏,不过音效却可能成为多媒体产品拉开差异化的救赎。
 
 例如宏碁2007年,随着Santa Rosa平台,推出的一系列笔记型计算机,舍弃传统强调性能的宣传模式,而将诉求重点放在提高声音质量,以「有杜比,最动听」的口号,成功的打动消费者,因此在笔电市场创造亮眼销售佳绩。由此例可见,高音质的数字装置,并不是没有市场,只是过去没有选择,一旦有音质较佳的产品出现,就能够迅速拉开产品差异性。
 
 不过要设计好的数字音效装置,并不是那么容易,设计者首先要能掌握数字音效原理,了解数字音效原理、编码模式、音质好坏标准,接着认知目前影响数字音效质量的关键零组件。
 
 
 图说:宏碁笔记型计算机在2007成功以较佳的音效,拉出与对手产品的竞争差距,创造销售佳绩,就是以音效为产品创造差异化、提升竞争力的实例。
 
 音效原理与压缩格式掌握 设计高质量音效装置的第一步
 
 声音是一个笼统的名词,以物理性分析,声音由4种特性组成:
 
 1、音高:震动频率(Frequency),指单独一个音在整个音域中的位置。音根据音波振动的频率在音高上有高或低等分别。
 2、响度:震动幅度(Amplitude),声音的强弱称为「响度」,通常以「分贝」(dB)来表示响度大小。
 3、音色:震动波形(Wave Form),又称音品,声音在真实世界由震动产生,而不同的物体振动的原理和情况都不同,震动波形相异,就会形成各种不同的音色,如纤细、浑厚等。
 4、方位:音源(Source)与听者的相对位置,但人的双耳除了判断声音的方位之外,也可感受声音的空间感,空间感由声音的直接音(direct sound)、早期反射(early reflection)、回响(reverberation)等3部分重现。
 
 重现声音,对于数字音效来说,却具有天生上的难度,因为数字音效常常都是压缩、编码、重制后的产物,主要原因是为了满足储存容量的需求,因此利用音讯编码(Digital Audio Coding)可实现声音数字化后档案体积小、复制不失真、容易保存及保密等优点。
 
 音讯编码其中一种方式是以无失真 (Lossless) 为原则,意指当经过压缩过的讯号,再解压缩之后,可以还原成几乎与未经压缩的讯号质量一致,这种方法对音乐质量有较好的保障,然而所付出的代价是压缩率偏低,像DVD Audio规格采用的MLP (Meridian Lossless Packing) 就是无失真压缩的一例,压缩率只有50%左右。
 
 目前主流编码格式则反其道而行,为得到较高的压缩效率,根据人类听觉特性,将一般人耳无法查觉其变化的高低频数据舍弃,减少音讯编码的数据量,与解压缩后的数据不尽相同也无妨,这一种压缩方式泛称为感知编码 (Perceptual Coding) 或是感观式编码。
 
 音讯编码有许多种,针对声音的编码有PCM、ADPCM、DM、PWM、WMA、OGG、ACC、MP3Pro以及MP3等等;针对人类语音有LPC、CELP与ACELP等。
 
 
 图说:数字音效在编码时如果采用更高的取样率、或是数据分辨率,还原后的音质就越能够接近原音。
 
 音效评估标准掌握 设计高质量播放装置基准
 
 音乐好不好听,见仁见智,但是音质好不好,却可以精确评估。一般所谓音质好,就是发声装置能够真实重现上述4种声音的物理特性。换句话说,无论以模拟或数字方式重现,都以音频信号范围越准确、失真度与干扰(例如噪讯)越少,声音越能接近来源越好。
 
 以数字音效来说,又可分为语音类与音乐类重现。语音类相对较单纯,通常以5个等级评估,一般只要与音频率达到7Hz以上,并且使用者不察觉失真,即可评估为优良。
 
 但是IT/CE多媒体设备所播放的数字音乐,原音重现就相当困难,由于数字音乐本身通常就并非由来源100%转换,因此数字音乐的取样率,分辨率,压缩格式都会影响声音质量甚巨,再者如噪讯比(SNR)、总谐波失真(THD)等因素,也都会影响数字音乐质量。
 
 而且,数字音乐的质量评估,也较语音类困难许多,因为音乐重现质量优劣取决于多种因素综合评量,如声源(声压、频率、频谱等)、讯号(失真度、响度、动态范围、噪讯比、瞬态响应、声道分离度等)、音场与方位性(直接音、前期反射声、混响声、立体感、基准振动、吸声率等)、听觉特性(可听范围、各种听感)等。
 
 
 
 由于评估的要点众多,甚至连人声与音乐评估都必须分开处理,因此评估方式也较为复杂,分主观与客观2种方式处理。主观方式评估参数为立体感、定位感、空间感、层次感、厚度感等5大方向,由于主观方式较无标准可言,因此详细评估细节在此不多赘述。
 
 客观评估方式多以仪器或是测试软件评量,通常会有下列几种标准:
 
 1、总谐波失真(THD)
 
 失真是检验数字音乐是否接近原音重现的关键,若失真度太大,则其它评估标准表现再优异也没用。总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)则是检查的第一关。主要是评估数字音效是否有非线性失真(Nonlinear Distortion)产生。
 
 非线性失真是指输入信号经过处理后,输出时所产生的错误部分,而这个错误部分则与原本的输入信号完全无关,例如不是因破坏性压缩格式所造成,是在输入信号以外的频率产生的其它类错误信号。这些属于非线性失真的频率就称为谐波(harmonics),谐波产生的位置是原始信号频率的整倍数的位置,例如,1KHz的谐波就是2kHz、3kHz、4kHz。
 
 2、互调失真(IMD)
 
 互调失真(Intermodulation Distortion)是指2个频率间,因为频率混合所产生的和、差、乘积的失真频率,例如输入频率为2KHz与6KHz的讯号后,产生8KHz、4KHz、16KHz的讯号,甚至原始输入讯号2KHz与失真的8KHz,又可能产生10KHz的讯号,这些失真的讯号亦称为谐波,以数字播放装置来说,这些互调失真的谐波当然越少越好。
 
 3、相位失真(Phase Error)
 
 相位失真则是1种线性失真,系指音源信号在传输和放大过程中发生时间延迟。因为电子音讯设备,在其输出信号与输入信号之间一般是存在相位差,例如电容和电感对交流信号(电压或电流)具延迟作用。当一个交流信号经过电容、电感和电阻时,或多或少造成延迟现象,这会导致这个交流信号的幅度变化时间向后推迟一段时间,造成声音讯号不一致,对于需要定位性的声音,如立体声,影响更大。
 
 4、频率响应(Frequency Response)
 
 频率响应是对DAC/ADC转换器频率响应能力的评价标准之1。最佳状态是在每1个频率都能输出稳定,换句话说,输出质量越好的装置,频率响应曲线就越平直,反之则不但在高或低频衰减得很快(因为高低频讯号重建困难),在一般频段,即人耳对声音的可接收范围20HZ-20KHZ内,亦可能呈现抖动的现象,无论是曲线突起(功率增益过大)或下滑(功率衰减)都是音质失真的表现。
 
 5、噪讯比(Noise Level)
 
 讯噪比是指最大不失真讯号与噪音之间的比例,噪音分为2种,首先在数字音效的转换过程中,每个相关零件都可能产生噪声,并成为处理中的数字音效的一部分,这些讯号与输入信号无关,但却会随着讯号源进入下一个处理单元或是输出成声音,换言之,就是设备自己发出的噪音。此外,当有讯号发出时所伴随的调变噪讯(Modulation Noise),也是噪音的一种。噪讯比以S/N或SNR(dB)表示。于音效播放装置来说,比值当然越大越好,例如Hi-Fi音响的SNR>70dB,CD机要求SNR>90dB。在实际设计上,因为人耳对4~8kHz的噪声最灵敏,所以这个范围的噪声对于实际聆听的影响较大。
 
 6、动态范围(Dynamic Range)
 
 动态范围表示的是最大不失真信号与噪声值的比例,此处的噪声指的是没有信号输出时的噪声值。如音频信号无失真最强部分与最微弱部分之间的电平差,这个比值为越大越好。不过动态范围跟响度有关,并不是无限制的,即从最小的响度到最大不失真响度间的范围,以CD为例,其声音采样分辨率为16bit,因此动态范围就算毫无瑕疵,也只有65,536种响度变化,不可能超过。
 
 7、立体声分离度(Stereo Channels Crosstalk)
 
 单声道基本上不可能创造出立体感的声音,只有2声道以上才能办到,就是所谓的立体声。所谓声道分离度,就是指不同声道间立体声之间的隔离程度,通常用1个声道的信号电平与串入另1声道的信号电平差来表示,换句话说,就是数字播放器左(右)声道的声音,传到相对应另一声道的情况。这个数值越大越好。一般要求Hi-Fi音响分离度>50dB。。
 
 实际上,在数字信号中,要做到100%的左右声道独立是非常简单的事情,然而实际能够听的声音,却是模拟信号,而能发出模拟信号的设备,本身就无法达到这一理想值,就是串音(Crosstalk)了,为一种讯号干扰,模拟在线相邻讯号间的耦合干扰,会影响到彼此的讯号接收。例如在左声道的信号,也能在右声道取得一点点细微的相同信号,就会造成立体声无法达到听觉上的良好分离状态。
 
 此外,还有声道平衡度,是指2个声道的增益、频响等特性的一致性。否则,将造成声道或声相偏移。
 
 
 图说:透过软硬件设备与各种客观标准,音效可以评估优劣以及加以调整。
 
 先天不足可后天加料 音效合成亦是研发重点
 
 虽原汁原味是许多人追求音质表现极致的至高标准,但是因上述各种原因,通常无法达到,所以音乐播放过程中,数字数据的呈现结果最重要是要防止在模拟储存、和运作时所造成的音质损耗。但是如果无法避免错误时,则也可以利用后天的方式弥补、修正。
 
 例如以均衡器(Equalizer)能将不同频率范围的讯号分别滤出,然后再各别放大或缩小处理,最后再合成,藉此补偿讯号的频率衰减,使音质回复至接近原音,或者也能补偿输入的不足,即针对一个音程里的倍频点,可以去补偿与衰减,在聆听上,马上可以得到实时的修正,使音质达到接近理想状态。由于人类的听觉系统在低频及高频的接收上感受度较差,透过均衡器强化或补足声音的功能,能弥补人们在听觉上的盲点。
 
 如将频率为100Hz的组成泛音放大,就会让声音中100Hz左右的低频部分听起来更震撼一些,若觉得声音的低频部分不够明显,也可以用均衡器加以补足。像目前MP3播放器几乎都有Equalizer的功能,使用者可选定或自定不同的播放音场(抒情、爵士、摇滚、流行音乐等),充份表现出音乐的个性化。
 
 
 图说:均衡器目前已经以数字方式,内建在大部分的播放装置中,弥补声音表现的不足或展现个性化音乐风格。

 

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