SACD DSD技术的介绍(转帖)

sn27 · 发表于 2013-10-19 10:26

本帖最后由 sn27 于 2013-10-20 01:05 编辑


      DSD是录音方式，是用来录制SACD音频的。SACD是唱片格式，是原封不动地装载DSD录音的原始录音文件格式的。

      传统的CD采用的编码方式是PCM(脉冲编码调制)，就是把音乐依照同样的间距分成数段，然后用二进制数来量化其信号的强度。如图，每个记录点的时间间隔是1/44100秒（就是所谓的44.1kHz的采样频率），然后16比特就是2的十六次方，就是0～65536。就是用这个数来量化该时间点的信号的强度，这样把各时间的纵坐标的各个点连续起来，就是要记录的信号的波形了。

      DSD（Direct-Stream Digital）编码则跟PCM完全不同，DSD是利用脉冲密度调变编码将音频讯号储存在数位媒体上的。它的原理跟开关电源使用的脉冲宽度调变（PWM）类似，PWM是将模拟信号转换为脉冲波，转换后脉冲波的周期固定，但脉冲波的占空比会依模拟信号的大小而改变。DSD利用的脉冲密度调变，则是把模拟信号转换为脉冲波出现的密度，通过脉冲的密度大小来记录模拟信号的大小。

sn27 · 发表于 2013-10-19 10:27

   SACD为什么会使用DSD这样的完全跟传统CD用的PCM不同的编码方式呢？这个事情其实还是源于A/D模拟数字转换电路的设计方面。传统的CD是将近三十年前的技术标准了，旧的A/D模数转换电路的技术架构受到集成度、温度等因素的影响，其精度很难进一步提高。再加上，为了防止混叠噪音，要在信号输入的前面加上抗混叠滤波器，抗混叠滤波器的影响也是非常大的。所以旧技术在信噪比、线性度和精度方面都有一定的制约，甚至还容易产生离散的和不确定的输出，即所谓的“闪烁码”。对于我们音响发烧友来说，A/D技术的制约和影响，最直接的表现就是所谓的“数码声”的出现。

   SACD的DSD编码的核心技术简介

   新的架构的A/D模拟数字转换电路出现，把这些问题都予以改善了。这种新的架构的名字叫“Σ-Δ”（Sigma-Delta调变）架构，这种架构的A/D模数转换IC是目前精度最高的，这些IC广泛地应用在仪器仪表、工业控制和医疗监护设备等高端应用领域。对于唱片来说，DSD的出现就是缘于“Σ-Δ”的技术。这个技术对录音质量的贡献主要是源于两个核心，一个是“过采样”，一个是“噪音整形”。

sn27 · 发表于 2013-10-19 10:28

      如Σ-Δ模数转换电路原理框图所示，模拟信号经过一个滤波器之后，以64倍于CD采样率（44.1 kHz）的频率（2.8224 MHz）来进行“过采样”。采样所得的信号通过Σ-Δ调变器之后，产生一个初步的量化结果，然后再通过精准的数字滤波器，来得到最终的编码。

   “过采样”使得前面需要用模拟电子电路搭建的滤波器的截至频率提升到很高的频点，频点的精度对信号的影响减少了，对滤波器设计的性能要求也降低了，传统设备中抗混叠滤波器对录音质量的影响也可以消除了。

   而更重要的是Σ-Δ调变器的“噪音整形”作用。如Σ-Δ调变器的原理框图所示，它是根据现代数字信号处理的基础理论和技术而设计的。其信号处理有点类似于我们所熟知的功放中的负反馈，利用反馈和数字信号处理的算法，输出的结果对于输入信号来说，只是延迟而已，而对编码过程中产生的噪音则是实施了“整形”。

sn27 · 发表于 2013-10-19 10:29

从模拟信号到数字信号的调制，不可回避地会引入噪音和失真，这些噪音会在整个频谱均匀地随机出现。但是通过Σ-Δ调变之后，对均匀的出现进行了“整形”，使其变得在高频的地方出现的几率较高，而低频段的地方出现的几率较小。又缘于“过采样”，我们就把噪音和失真都挪到离音频频带很远的频率去了。最终再通过数字滤波器的截取，最后所得到的音频的信号能得到比原先PCM的编码方式具有更高的信噪比、更少的失真、更优越的线性度，以及更低的混叠。

sn27 · 发表于 2013-10-19 10:30

由于便于Σ-Δ调变器处理的信号格式就是DSD的编码格式，所以SACD的DSD编码就是源于这种新的高容量、高信噪比的“Σ-Δ”编码技术的，DSD的效果我们可以直观地参考一下这个图。一个脉宽为3微秒的脉冲模拟信号，PCM编码系统的输出结果和DSD系统的输出结果，相距甚远。DSD系统更能还原实际的真实情况。

sn27 · 发表于 2013-10-19 10:30

从实际的听感来说，DSD更能真实地还原音乐的本身，他所表达出来的乐器的音色纯正，少音染，非常接近真实乐器的音色，而且音场宽广，纵深感强，充满了空气感。而SACD则更是把这种高容量，高信噪比的载体扩展到多声道。SACD的这些技术上的优势是DVD-A或其他的高档制式所没有的。而更重要的是SACD已经被硬件和软件厂商所广泛采纳，STS Digital的马兰仕 “SACD鉴听王”现在出版到第12集，这个事情无遗又再一次证明了SACD的成功！

linshan · 发表于 2013-10-19 11:51

sn27 发表于 2013-10-19 10:27
SACD为什么会使用DSD这样的完全跟传统CD用的PCM不同的编码方式呢？这个事情其实还是源于A/D模拟数字 ...

如果不加入抗混叠滤波器噪声将会更大，这是pcm数字采样框架体系和物理层热噪声无法避免的必然。而把dsd数据转换为pcm信号后客观上产生了大量的噪声。pcm是在离散波形幅度和频响，而dsd实在离散波形的斜率，所以看上去dsd更像动态采样频率，而非pcm的静态采样频率。这个的确能节省存储空间。那么频响dsd是如何离散的？至于pcm的离散程度可以通过增加数据结构的位数和提升采样频率的方法来改善，现在已经这样做并且也商业推广了，dvd audio就是这样的产品。而dsd阵营恰是dvd audio阵营当地商业对手。

这篇文章要是没有离散数学和电声学、物理声学的基础，怕是太少人能看懂了。

linshan · 发表于 2013-10-19 12:01

下边的楼我真看不懂了。我也一直在找dsd方面的技术文档，以前sony来我这里招聘去东京做工程师，我以为只有进入sony技术团队内部才能接触到dsd的技术文档。你再多提供一下资料吧，很难得

newayjia · 发表于 2013-10-19 14:14

高手出现了，膜拜

只看懂了PCM. PMW

20-20 · 发表于 2013-10-19 14:34

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wfllsw0 · 发表于 2013-10-19 18:39

顶楼主。确实看不懂

，水太深了。。。望楼下有更通俗更直观的解释，等高手现身。。。

cenzhaoshan33 · 发表于 2013-10-19 20:07

关键是唱片公司不买帐我们是跟着唱片走的不是跟着技术走的

alanqd · 发表于 2013-10-19 22:00

显然，DSD最接近模拟信号。

高高手 · 发表于 2013-10-19 23:11

cenzhaoshan33 发表于 2013-10-19 20:07
关键是唱片公司不买帐我们是跟着唱片走的不是跟着技术走的

这才是核心，我们的专业录音和处理设备都是PCM的，你有什么好讲的呢？

sn27 · 发表于 2013-10-20 00:11

DSD的技术要点，简单地讲：它是将信号以2.8224MHz采样、经多阶Δ-Σ调制，输出1bit信号流。多阶（如：7阶 7th Order）Δ-Σ调制器，运用负反馈，将信号与上次采样的波形进行比较（差分运算），“大于”便输出“1”，“小于”便输出“0”。利用求和器将波形在一个采样周期中积累，以形成下次的比较波形。Δ和Σ则分别是差分和求和的含义。由此可见，1bit信号流是相对值，而传统的PCM记录的量化值是绝对值。

示意图为一个正弦波经多阶Δ-Σ调制后1bit数据流。图中显示，正半周，振幅越大，出现“1”越多；负半周，振幅越大，出现“0”越多。这个图让我们想起扬声器发出的声波在空气中传播的情形：正半周，纸盆推出，压缩扬声器前方的空气，使空气密度增加，振幅越大密度也越大；负半周，纸盆拉回，使空气密度降低，振幅越大，密度也越低。由此可见，1bit信号流竟然反映的是原始的模拟信号作用于扬声器后声音在空气中形成的疏密程度！

ZHEN.JZ · 发表于 2013-10-20 00:17

学习了、感谢分享。膜拜啊

sn27 · 发表于 2013-10-20 00:56

为了了解 D S D的编码过程，首先知道传统的P C M系统。如图 1 ( a ) 所示，输入信号经过高取样率，1比特量化后，进行数字抽取滤波，转为44.1K H z/1 6 b i t 的P C M信号进行记录。在回放端相反，先通过数字插值滤波器提高取样率，再经过∑一△调制器转为 1比特声音信号。这一信号经过模拟低通滤波器，就可以转变为模拟信号播放了。这也是目前大部分CD播放器中，输出信号处理部分的原理。这一系统的缺陷就是，在输入输出端都要有严格陡峭的模拟滤波器，这是很难实现的。另外，抽取和插值滤波器会带来重量化噪声。而 D S D系统省去了所有的滤波器，直接记录1比特声音信号，这就避免了上述问题。( 如图 1 ( b ) 所示)。

截图1382201702.png

english · 发表于 2013-10-20 16:06

高手出现了，膜拜

miaoxiao2001 · 发表于 2013-10-20 16:13

这个东西很是像我们单位的，某大型电子设备的工作原理，不过这原理70年代就有了。

wl_yt · 发表于 2013-10-20 22:41

“关键是唱片公司不买帐我们是跟着唱片走的不是跟着技术走的”
这是正解
也谢谢楼主的介绍