多bit数CD PK 1bit DSD 技术研究

胆粗粗

在其它网页上看到的一个文章, 关於 CD 与 DSD 之间的研究, 与大家分享一下.
我把重点贴在下面, 有些无关这主题的文字我就不贴上来啦, 那些都是关於业界的资料就不说了.

有关的文章是转载於这, 有兴趣的朋友可以去看看全文.
http://diy.pconline.com.cn/vocal ... y/0801/1217493.html

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舍遠求近，先談談常見的CD：

　　目前大家常用的音源載體中，公認最實用音質最好的就是CD了，人們在評論mp3、APE、FLAC等常用壓縮格式時，常用CD的採樣規格作標准進行對比。在接觸了bit、kHz、kbps等參數關鍵詞後，我們很自然的會對其再次進行比較。



　　何為CD呢？CD全稱Compact Disc，我們常說的CD實際上是CD規範中的音頻CD──CD-DA，全稱Compact Disc Digital Audio。它以cda為文件擴展名，通常採用44kHz、16bit的採樣率來存放信號，最長能夠存放74分鐘的音樂。

　　CD的標准包括了紅，黃，綠，橘，白及藍皮書，這些標准書為荷蘭飛利浦公司(Philips)聯合相關的公司所制定，因採用各不同的封面顏色而得名。所有的光盤格式都是以CD-Audio格式為基礎而發展的，CD-Audio的標准記在紅皮書內，而CD-ROM的標准則記錄在黃皮書上。



　　紅皮書與黃皮書是最常用到的標准書，但這只是眾多標准書的其中兩本。其它還有包括定義CD-I規格的綠皮書，定義VideoCD與KaoarkeCD規格的白皮書，白皮書內規格尚需要參考紅及黃皮書，另外還有定義CD-R，CD-E及MO規格的橘皮書，在橘皮書中包括定義CD-R盤片的規格，使CD-R光盤片可使用于任何一台光盤燒錄器，橘皮書中還定義了全新的檔案系統，這種檔案系統是為了可將資料分次存放在CD-R而定的，叫做多段式(Multi-session)寫入規格，藍皮書則記載加強型光盤片(CD-Extra)的規格，此種光盤片是以CD-Audio為基礎，利用Multi-session的方法將資料加于音樂軌的後面，使一般CD唱機無法撥放到資料軌(保護)，而計算機上的光驅則可順利抓到資料。

　　對于新的CD標准，或者是原有標准新加入的部份，均無法獨立成為一個單一標准，而需彼此參考，舉例來說，CD-R要記錄成為CD-Audio，需參考橘皮書與紅皮書，彼此缺一不可。有的時候，光盤片上可以記錄不只一種的CD標准。

重點所在──PCM（何為PCM）：

　　從CD的標准中引出了我們此次要說明的重點，採樣規格中兩項最常用到的規格bit/kHz。這包含兩個概念，前者是採樣精度，位數越多，可供聲音描述的數據量就越豐富；後者則代表採樣的頻率，頻率越高、間隔時間就越短，所獲得的聲音就越細膩流暢。這兩個規範的來自于CD早期定義時所採用的編碼方式──PCM方式。



　　PCM這個字眼相信DIY老鳥們已經聽過多次，但是其為何物呢？PCM（Pulse Code Modulation──脈碼調制錄音)，所謂PCM錄音就是將聲音等模擬信號變成符號化的脈衝列，再予以記錄。PCM信號是由[1]、[0]等符號構成的數字信號。與模擬信號比，它不易受傳送系統的雜波及失真的影響。動態範圍寬，可得到音質相當好的影響效果。

　　PCM脈碼調制數字音頻格式是70年代末發展起來的，80年代初由飛利浦和索尼公司共同推出。PCM的音頻格式也被DVD-A所採用，它支持立體聲和5.1環繞聲，1999年由DVD討論會發布和推出的。

　　PCM的採樣精度從14-bit發展到16-bit、18-bit、20-bit直到24-bit；採樣頻率從44.1kHz發展到192kHz。到目前為止PCM這提高的方項技術可以改善和面則越來越來小。只是簡單的增加PCM比特率和採樣率，不能根本的改善它的根本問題。

PCM遇到的問題：



　　PCM的主要問題在于： 1）任何PCM數字音頻系統需要在其輸入端設置急劇升降的濾波器，僅讓20 Hz - 22.05 kHz的頻率通過（高端22.05 kHz是由于CD 44.1 kHz的一半頻率而確定），這是一項非常困難的任務。2）在錄音時採用多級或者串聯抽選的數字濾波器（減低採樣率），在重放時採用多級的內插的數字濾波器（提高採樣率），為了控制小信號在編碼時的失真，兩者又都需要加入重複定量噪聲。這樣就限制了PCM技術在音頻還原時的保真度。

更貼近Hi-Fi的SACD：

　　SACD全稱叫Super Audio CD，即“超級音頻光盤系統”，它是由索尼和飛利浦公司合作開發的一款具有全面取代CD音源實力的最新格式的數碼系統。SACD採用DSD數字錄音技術，它的頻率範圍和動態範圍均優于CD。SACD是一種新型的光盤，它不是CD格式，而類似DVD光盤，播放時需使用SACD專用的播放設備。



　　SACD光盤結構大致與DVD相似，播放面有單面和雙面，信息層有單層和雙層。目前市場上的SACD光盤較多採用單面雙層結構，一層是0.6mm基片上儲存16bits傳統CD格式的信號，可與CD兼容，另一層是0.6mm基片高密度的半透明層，儲存SACD格式的信號，再將兩片基片像DVD盤片那樣粘合而成。這種光盤可以在普通CD播放機上播放，也可以在SACD播放機上播放，當然，兩者的音質是有差別的。

為何1bit能幹掉24bit──更有效率的DSD：

　　DSD技術除了應用在SACD中，也有直接運用于CD中的，不過不同的是應用于CD的DSD應用終結于錄音部分，壓盤與回放依然採用PCM編碼，而SACD的技術指標則遠優于CD。SACD的核心技術是DSD （Direct Stream Digital 直接數據流），它與CD、DVD-Audio的多bit錄制原理有根本的區別。


DSD的技術要點：

　　DSD的技術，簡單地講它是將信號以2.8224MHz採樣、經多階Δ-Σ調制，輸出1bit信號流。在整個SACD系統中，都按照1bit的規格進行編碼解碼，因此相比PCM少了採樣精度交替變換帶來的音質劣化。

　　多階（如：7階 7th Order）Δ-Σ調制器運用負反饋，將信號與上次採樣的波形進行比較（差分運算），“大于”便輸出“1”，“小于”便輸出“0”。利用求和器將波形在一個採樣周期中積累，以形成下次的比較波形。Δ和Σ則分別是差分和求和的含義。由此可見，1bit信號流是相對值，而傳統的PCM記錄的量化值是絕對值，1bit的效率被大大強化了！



　　上圖為一個正弦波經多階Δ-Σ調制後1bit數據流。圖中顯示，正半周，振幅越大，出現“1”越多；負半周，振幅越大，出現“0”越多。這個圖讓我們想起揚聲器發出的聲波在空氣中傳播的情形：正半周，紙盆推出，壓縮揚聲器前方的空氣，使空氣密度增加，振幅越大密度也越大；負半周，紙盆拉回，使空氣密度降低，振幅越大，密度也越低。由此可見，1bit信號流竟然反映的是原始的模擬信號作用于揚聲器後聲音在空氣中形成的疏密程度！目前，有的公司已經在研究開發數字功放和數字揚聲器，希望將1bit二進制的數據經過數字功率放大器放大後，直接提供給數字揚聲器，數字揚聲器既是一個簡單的低通濾波器，又是將電能轉換為聲能的換能器，這樣，不但簡化了結構，而且提高了重放性能。

DSD編碼 VS PCM編碼：

　　與傳統的PCM信號比較，1bit信號流調制過程較為簡單，而且精度高、成本低，解調過程更是簡捷方便。從理論上講，重放端僅需要一個RC積分電路就可成功地還原音頻模擬信號。同時，又從根本上剔除了PCM所固有的一些失真，使音頻信號得以高度的返真還原。


PCM編解碼對比DSD編解碼

　　DSD制式的取樣頻率為2.8224MHz，較傳統CD的取樣頻率 44.1kHz高出64倍，而總的信息容量為傳統CD的4倍。理論上可以把頻響範圍擴展至0Hz-400kHz，這就大大超越傳統CD的20kHz的極限。而64倍于CD的超取樣頻率，又可使聽域範圍的量化噪聲完全被分配到人耳的聽域之外(也就是說PCM中的低能量信號，為確保精度而加入的重複定量噪聲，可以將其分配到20kHz甚至更高的頻率外)。更因為DSD技術中又開發了所謂的"噪聲整形電路"可進一步把可聞頻帶（0 ~ 20kHz）內的噪聲進一步轉移到20kHz以上的超音頻範圍中去，從而令SACD的信噪比提升至120dB以上，這就是DSD編碼的另一個優勢。



　　但是另一方面我們也不得不看到採樣率對其構成的影響，假設輸入的聲音是一個動態很大的高頻信號，如果採樣率不能達到一定要求，還原出來的曲線誤差也會變大（採樣的兩個點內的音量變化足夠大的話，1bit的標量精度劣勢將會顯現）。

goodkawen

来长长见识·

sky-rossi

学习了。

csoapy

这篇也讲的不错：DSD vs PCM，神话与现实
https://www.mojo-audio.com/blog/dsd-vs-pcm-myth-vs-truth/