超取样

目录·超取样的定义
·超取样的原因
·超取样的作用
·CD机为什么要采取高比特和超取样?
·超取样与多比特
·超取样数字滤波器



超取样的定义
  取样是CD机中采用的一种技术,用于提高放音质量。CD片上的数据讯号被读出后,通过DSP电路的插值处理,将44。1KHz的标准取样率提升一倍到数倍,这就是超取样。
超取样的原因
  这是涉及到D/A转换之后的噪声滤除问题。数码讯号经过D/A转换之后,会在音频频带以外的高端产生一个镜象频带,这是一种噪声,必须用低通滤波器滤除,否则经过非线性器件后会折回到音频频带内,对放音效果产生很大的破坏。该镜像噪声频带的位置和取样频率有关,频率越高,镜像频带就离音频频带越远。对于标准取样频率来说,必须用衰减十分陡峭的滤波器才能滤掉靠近音频频带的镜像噪声。但衰减陡峭的滤波器很通俗读物设计, 相位失真很大,难免会影响到音频频带的高端部分,使音质下降,这就是早期的CD机数码味比较重的重要原因。如果采用超取样,就可以把镜像噪声推到远离音频频带的位置,这时只需要衰减平缓的低通滤波器就行了,设计难度大大降低,相位特性得以改善,使放音质量获得显著的改善。
超取样的作用
  超取样是CD机中采用的一种技术,用于提高放音质量。CD片上的数据讯 号被读出后,通过DSP电路的插值处理,将44。1KHz的标准取样率提升 一倍到数倍,这就是超取样。为什么要超取样呢?这涉及到D/A转换之 后的噪声滤除问题。数码讯号经过D/A转换之后,会在音频频带以外的 高端产生一个镜象频带,这是一种噪声,必须用低通滤波器滤除,否则 经过非线性器件后会折回到音频频带内,对放音效果产生很大的破坏。 该镜像噪声频带的位置和取样频率有关,频率越高,镜像频带就离音频 频带越远。对于标准取样频率来说,必须用衰减十分陡峭的滤波器才能 滤掉靠近音频频带的镜像噪声。但衰减陡峭的滤波器很通俗读物设计, 相位失真很大,难免会影响到音频频带的高端部分,使音质下降,这就 是早期的CD机数码味比较重的重要原因。如果采用超取样,就可以把镜 像噪声推到远离音频频带的位置,这时只需要衰减平缓的低通滤波器就 行了,设计难度大大降低,相位特性得以改善,使放音质量获得显著的 改善。
CD机为什么要采取高比特和超取样?
  高比特和超取样是改善激光唱机音质的重要手段。超取样可以减缓低通滤波器的衰减特性,降低相位失真,高比特则能减少因超取样数字滤波器带来的信噪比下降。
  在激光唱机中,数字信号经DAC转换后虽得到了模拟声频信号,但却存在多余的以441kHz整倍数的寄生频率成份,为此要用一个衰减特性很陡峭的低通滤波器加以滤除,但只要后级中稍有非线性,寄生频率与有用信号互相调制就将产生严重失真。而且衰减特性好的低通滤波器相位失真也大,同样会影响激光唱机的音质。所以在DAC前插入数字滤波器进行以取样频率4、8倍等的超取样,寄生频率便被转到更高频率,就能采用衰减特性较平缓的低通滤波器,从而大大改善相位失真。不过数字滤波器的引入将产生运算误差造成信噪比的下降,采用高比特DAC能减小信噪比的劣化,如20bit的DAC就能使信噪比的劣化减至忽略不计程度。如:NAKAMICHI(中道),CD45Z 单碟20bit, MB—100前置六碟 24bit。 自从1987年Philips公司生产的全球第一颗1bit(单比特或称为单位元)DAC芯片问世以来,Philips公司便将这种单比特技术全面应用于其公司的高、中、低不同档次的数码音响产品上。随后,某些日本厂家也将单比特技术应用于自己的HiEnd产品中。而在当时,除了Philips及日本的产品之外,其他国家的产品仍然采用的是多比特技术。对于单比特技术而言,实际上是在比特流技术理论的基础上演变成的不同数学模型用来处理经过量化的数码数据,由于近几年来美国在单比特技术上的卓越成就,使同为单比特的Delta Sigma方式大受好评,Delta Sigma方式不仅仅被广泛应用于中、低价位的数码音响系统中,更重要的是Delta Sigma方式还被相当多的厂家用于其生产的顶级Hi End器材中。
超取样与多比特
  取样是以一定的时间间隔对连续的模拟信号抽取样点的过程。每个取样点之间有一定的时间间隔,其重复频率为取样频率fs。CD碟中的CD信号取样频率为44.1kHz,即为每秒取样44100次。而量化就是把取样点的测量值变更成数字信号,16bit就是每点的取样值可量化为216种不同的数值中的一种来表示,由于量化过程中采用了四舍五入的方法。这就导致了每个取样点的测量值都存在舍入误差,而且这种误差将始终存在。数字系统虽然没有因录放而产生的沙沙声,但却存在这种与模拟录放性质完全不同的误差噪声,我们称之为量化噪声或量化失真,这是一种高频噪声。
  CD音响中,其44.1kHz取样信号波形的频谱如图1所示。为了让不属于原信号频谱范围的24.1kHz以上的频谱成分混入还原后的信号并且有效滤去量化噪声,则解调用的低通滤波器(LPF)应具有图1中虚线所示的滤波特性。为了获得如此滤波特性,必须用9~11级以上的模拟滤波器。但采用高阶模拟滤波器有以下缺点:
  1、在高阶模拟滤波中,信号频率越高,延迟时间增加越多,滤波器阶数越高,延时效果越显著。这样,谐音相位比基音相位多延迟使波形恶化。高频端比低频端多延迟引起相位失真,从而导致音质恶化。
  2、高阶模拟滤波器随温度变化会引起常数改变,从而使用阻断特性发生变化并使所用的运放产生噪声和失真。
  为了降低模拟LPF的阶数,采用在D/A变换之前插入超取样数字滤波器的方法。超取样就是将原数字信号的取样频率提高若干倍,如2倍、4倍……等腰三角形。超取样可以将音频数字信号中由于取样而增加的频谱向高端移动若干倍(与超取样分门倍数相同),从而使原模拟信号频谱与所增加的频谱的分开,量化噪声的频谱也就同时向高端移动,从而降低对滤波器陡峭度的要求。一般来说2fs需5~7阶LPF,4fs需3~5阶LPF,8fs需2~3阶LPF,而16fs只需1~2阶LPF就可以获得较为满意的效果。
  但是数字滤波器又为数/模变换系统带来了新的烦恼。这主要是由于数字信号在数字滤波器中要进行相乘加等运算,而伴随这种运算就必然产生误差。这种误差称为再量化噪声。这种再量化噪声相当于在原有量化哭声上再追加一种量化噪声,这样会恶化信噪比,所以采取了提高数字滤波器输出音频数据的比特数的办法。因为量化比特数越高,则量化等级越细,再量化噪声也越小,这样就进一步改善了音质。
  CD的取样频率为44.1KHz,这个规格的制定是根据Nyquist的取样理论而来,他认为要把类比讯号变成分立的符号(Discrete Time),取样时的频率至少要在原讯号的两倍以上。人耳的听觉极限约在20KHz,所以飞利浦在一九八二年推出CD时就将其制定为44.1KHz。取样是将类比讯号换成数码讯号的第一步,但精密度仍嫌粗糙,所以超取样的技术就出现了。一般八倍超取样就等于将取样频率提高到352.8KHz,一方面提高精度,一方面经过DAC之后产生的类比讯号比较完整,所需的低通滤波器(滤除音取样时产生的超高频)次数与斜率都可大幅降低,相位误差与失真也都会获得巨大改善。不过CD每隔0.00002秒才取样一次,超取样后样本之间就会产生许多空档,这时需要有一些插入的样本来保持讯号完整,而这样的任务就落在数码滤波器身上(Digital Filter)。比较先进的设计是以DSP(Digital Signal Processor)方式计算,以超高取样来求得一个圆滑曲线,例如Krell的64倍超取样,但目前只有Theta、Wadia、Krell、Vimak拥有这样的技术。另一类数码滤波是事先将复杂程式与在晶片中,有类似DSP的功能,日本Denon、Pioneer 皆有这样的设计。最普通的方法是利用大量生产的晶片,NPC、Burr-Brown都有成品供应,当然效果会受一些限制。
  在数码滤波之后,就进入DAC了,从这里开始有单比特与多比特的区别。多比特是数码讯号通过一个电流分配器(Current Switch),变成大小不同的电流输出,因为数码讯号是二进制关系,所以DAC的电流也以1、2、4、8的倍数排列。每一个比特分别控制一个电源分配器,随著音乐讯号变动,输出电流也跟著改变,接下来是一个速度很快的I/V转换线路,把这些电流变成电压,再接下来经过低通滤波器,完整的类比讯号就出现了。一个二十比特的DAC,其输出电流变化是1,048,576个,解析度已经相当高了。现在最常用的二十比特晶片有Burr-Brown的PCM-63与改良型PCM-1702,最贵的大概是Ultra-Analog的模组。
  比特流(Bitstream)是飞利浦八八年提出的技术,构造很单位。首先二进制的数码讯号进入一个有参考电压的模组中,输入讯号比参考电压高输出就是非曲直,反之则为0;第二个讯号再与第一个讯号比较,更高的就输出1,较低输出0…以此类推。因为它只比较间的大小,所以样本要增加,需要更高的取样频率,从早期的256倍到最新的384倍就是个好例子。只有一个比特的讯号会进入一个叫开关电容(Switched Capacitor)的DAC中,还原成类比讯号。常用的单比特晶片都是飞利浦制品,最早有SAA7320,现在则把SAA7350与TDA1547合在一起称为DAC7线路,Crystal也有类似产品。
  何者为优并无定论,唯一可以肯定的是绝大部分高价机种都是多比特设计。
超取样数字滤波器
  (OVER SAMPLING DIGITAL FILTER)
  指能去掉在采样频率的倍频率上产生的那些音频频谱的杂乱镜频的数字音频电路。一只8倍(8x)过采样的滤波器便会对每一输入采样产生7个新的采样,从而将采样频率增加8倍。过采样将这些杂乱的镜频移到更高的频率上,因而更便于滤除。

Copyright © 1999-2022 C114 All Rights Reserved | 联系我们 | 沪ICP备12002291号-4