數字音響

數字音響包含的範圍很廣，既包括各種數位化的原聲信號，各種數位化的設備，也包括協調這些信號和設備的各種協定和標準。它涉及到聲學、美學和人體生物學等諸多方面。簡單的講，數字音響是由硬體加軟體構成的。

基本介紹

• 中文名：數字音響
• 範圍：數位化的原聲信號，數位化的設備
• 特點：信噪比高 失真度低
• 性質 ：技術

原理

音響技術是研究聲音信號的轉換、記錄、傳送和重放的專門綜合性技術。數字音響技術是指在音響技術的基礎上，對原聲信號(合樂、聲樂等)進行一系列數字處理後，再恢復成高質量的模擬聲音信號的技術。數字音響技術已深入到日常生活的各個方面，從家庭影院、汽車音響到個人音樂播放器，無不體現出數字音響的優越性。伴隨著信息技術的不斷發展，數字音響技術不斷發展和創新，其核心關鍵技術不斷完善，使得音響行業的數位化、智慧型化前景美好。

數字音響包含的範圍很廣，既包括各種數位化的原聲信號，各種數位化的設備，也包括協調這些信號和設備的各種協定和標準。它涉及到聲學、美學和人體生物學等諸多方面。簡單的講，數字音響是由硬體加軟體構成的。

從原理上來講，數字音響技術首先應該是原聲信號的數位化，其次才是音響設備的數位化。原聲信號的數位化是將音頻模擬信號轉換成音頻數位訊號，進行傳送或儲存，然後將這些音頻數碼信息又還原成音頻模擬信號，其間實行了兩次轉換，即模數轉換A/D和數模轉換D/A，後者現在一般由數字功率放大器完成。

而音響設備的數位化指得是為適應數字音頻信號的傳送或儲存，對設備整體電路進行調整或改進，使之能夠傳遞、儲存或處理數字音頻信號。

因此，本文從軟體(原聲信號的數位化方法和壓縮方案及格式)和硬體(數字功率放大器)兩個方面來論述數字音響技術的發展和關鍵技術。

數位技術

原聲語音信號可以看成是模擬信號，其數位化就是將這些模擬信號進行模數轉換變成數位訊號。最早的原聲語音信號數位化採用的是PCM(Pulse Code Modulation)技術即脈衝編碼調製技術。1967年，日本NHK技術研究所首先把將通信技術中的PCM技術引進音響領域，從此標誌著數字音響時代的開始。

2.1典型的原聲信號數位化方法

原聲信號的數位化一般從信號的波形、信號的參數等方面入手，可以分為波形編碼、參數編碼和混合編碼等。

波形編碼力圖使還原出的語音波形與原語音信號波形一致，這種數位化的方法適應能力強、編碼後的語音質量好，但所需的編碼速率高。這類方法的典型代表有前述的脈衝編碼調製(PCM)、自適應差分脈衝編碼調製(Adaptive Difference Pulse CodeModulation，ADPCM)、連續可變斜率增量(ContinuouslyVariable Slope Delta，CVSD)編碼調製[2]等。其中CVSD編碼由於其抗突發錯誤能力較強，在移動通信、軍事通信和衛星通信等領域得到了廣泛地套用。

參數編碼的編碼對象是原聲信號的特徵參數，通過對這些參數的提取及編碼來保持原聲語意，其特點是編碼速率較低，合成語音質量較差，如線性預測編碼(Linear Prediction Code，LPC)、多脈衝激勵線性預測編碼(Multi Pulse Excited Linear Prediction Code，MPELPC)[3]等。

混合編碼編碼對象包括了原聲信號的波形和參數，針對參數編碼語音質量低的缺點，混合編碼採用合成-分析的方法，能夠在中低速率上獲得高質量的語音編碼，節省傳輸信道容量及存儲量。其典型代表如線性預測編碼(Code Excited Linear Prediction，CELP)、短時延碼激勵線性預測編碼(Low-DelayCode Excited Linea rPrediction，LD-CELP)、矢量和激勵線性預測編碼(Vector Sum Code Excited Linear Prediction，VSCELP)等。

針對不同的編碼方式，歐洲廣播聯盟和3GPP國際組織等機構組織陸續推出了EAAC+、AMR-WB+和G.729.1等編碼標準，用以規範編碼方法，極大促進了語音信號的數位化進程。

音頻格式

由前述編碼方式得到的數字音頻信號一般都比較大，要降低磁碟占用，就只有降低採樣指標或者進行壓縮。降低指標意味著音質的降低，因此研究人員把工作重點放在數字音頻信號的壓縮上，陸續研發了各種壓縮方案。由於用途和針對的目標市場不一樣，各種音頻壓縮方案所達到的音質和壓縮比也不一樣，因此產生了多種典型的數字音頻格式。具體如下:

(1)WAV格式。WAV壓縮是基於PCM編碼的壓縮方案。它能達到相同採樣率和採樣大小條件下的最好音質，在Windows平台下，所有音頻軟體都能夠提供對它的支持，因此，WAV格式被大量用於音頻編輯、非線性編輯等領域。同時，它也被作為一種中介的格式，常常使用在其他編碼的相互轉換之中。

(2)MP3格式。MP3格式誕生於上世紀八十年代的德國，所謂的MP3也就是指的是MPEG標準中的音頻部分，也就是MPEG音頻層。MP3具有不錯的壓縮比，使用LAME編碼的中高碼率的MP3，聽感上已經非常接近源WAV檔案，但其在較低碼率下表現不好。總的來說，這種壓縮格式音質好，壓縮比比較高，被大量軟體和硬體支持，套用非常廣泛，是當今主流的壓縮壓縮編碼之一。

(3)OGG格式。OGG有著出色的算法，可以用更小的存儲空間和碼率獲得更好的音質，尤其在中低碼率下表現突出。128kbps的OGG比192kbps甚至更高碼率的MP3還要出色，但其高頻表現一般。OGG具有流媒體的基本特徵，但現在還沒有媒體服務軟體支持，因此基於OGG的數字廣播還無法實現，其市場表現無法和MP3相提並論。可以說，OGG是一種非常有潛力的壓縮編碼方案。

(4)MP3PRO格式。作為MP3的改良版本的MP3PRO表現出了相當不錯的素質，它採用SBR插入技術，在64kbps碼率下表現極為突出，高音豐滿，但其低頻表現不佳。主要適用於低要求下的音樂欣賞。

(5)WMA格式。WMA就是WindowsMediaAudio編碼後的檔案格式，由微軟開發，其研發的目的市場就是網路音頻。在64kbps的碼率情況下，WMA可以達到接近CD的音質。WMA支持防複製功能，可以限制播放時間和播放次數甚至於播放的機器等。WMA也支持流技術，可以一邊讀一邊播放，因此WMA可以很輕鬆的實現線上廣播，由於目前版本的Windows中加入了對WMA的支持，且WMA有著優秀的技術特徵，這種格式被越來越多的人所接受。

(6)APE格式。APE是Monkey’s Audio提供的一種無損壓縮格式，可以提供50-70%的壓縮比。其壓縮音質非常好，在現有不少無損壓縮方案種，APE是一種有著突出性能的格式，令人滿意的壓縮比以及飛快的壓縮速度，適用於高品質的音樂欣賞及收藏。

(7)ACC格式。AAC(AdvancedAudio Coding，高級音頻編碼技術)是杜比實驗室為音樂社區提供的技術。AAC最大能容納48通道的音軌，採樣率達96KHz，並且在320Kbps的數據速率下能為5.1聲道音樂節目提供相當於ITU-R廣播的品質。和MP3比起來，它的音質比較好，也能夠節省大約30%的儲存空間與頻寬。它是遵循MPEG-2的規格所開發的技術。

此外，還有MPC、VQF和FLAC等壓縮格式，但其影響力和使用情況不如上述典型格式。

數位技術

經過二十多年的發展，音響設備的數位化已基本完成，包括音源的數位化(如CD、DVD等)，音頻控制裝置的數位化(如數字調音台、數字效果器等)。但由於高速控制和線性穩定等技術瓶頸的制約，音響設備的核心部分)))功率放大器的數位化發展比較緩慢[5]。因此，本文主要討論功率放大器的數位化問題。

3.1數字功率放大器

模擬的功率放大器經過了幾十年發展，在這方面的技術已經相當成熟，但始終無法解決效率、成本、音質這三個問題。從二十世紀八十年代早期開始，許多研究人員致力於開發不同類型的數字放大器，這种放大器直接從數字語音數據實現功率放大而不需要進行模擬轉換，這樣的放大器通常稱作數字功率放大器或者D類放大器。它具有兩大優點:效率很高;模擬信號轉換為數位訊號輸入，能夠很好的與數字音源播放機對接。D類功放的效率高達80%至90%以上，且功耗較小，但是它的保真度較差。為了解決這個問題，美國Tripath Technology公司研發了一種保真度好、效率高的音頻功率放大器，即T類功率放大器。其核心是/Digital Power Processing(tm)(DPP(tm))0數字功率處理技術。T類功放的動態範圍更寬，響率回響平坦，群延遲小。DDP(tm)的出現，把數字時代的功率放大器推到一個新的高度。目前的絕大部分數字功率放大器均為D類功放或T類功放。

研究進展

2008年，意法半導體(ST)公司宣布，推出了一個高質量的單片音頻數字功率放大器STA510F。該產品能夠向8歐姆立體聲負載輸出最高每聲道100W的功率。其特色是音質高、功耗低、製造成本低，適合目前流行的快速增長的套用產品，如無線產品、個人和家庭音頻系統等。這個數字功率放大器代表了目前最先進的數字功率放大技術，它的出現，為設計低成本、高效能、外觀緊湊的數字音響系統提供了可能。

此外，先鋒電子於2008年12月也正式推出兩款全新的多聲道數字功率放大器SC-LX81及VSX-LX51，這兩款數字功率放大器均具備最新HDAudio解碼功能和自動聲場校準技術，採用了最新全頻段相位控制技術(Full BandPhase Control)，能有效改善多聲道揚聲器的相位特性，並套用新的低音管理系統，能有效補償重低音揚聲器和主聲道之間的相位延遲，達到更佳的多聲道環繞效果。

伴隨著數位訊號處理技術、通信技術和計算機技術等信息技術的發展，音頻信號的編碼、壓縮和解碼等技術日趨先進和高效，超大規模積體電路、高性能運算晶片和大容量存儲介質等電子技術的套用也將音響設備的數位化推向一個新的高度。在這些技術的支持下，數字音響技術的發展進入了一個全新的階段，並表現出高音質、高碼速、高集成、低功耗等特點。可以說，數字音響技術的發展空間巨大，發展前景光明，值得深入研究和探討。

主要特點

1.

數字音響記錄形式是二進制碼, 重放時只需判斷“0”或“1”。因此, 記錄媒介的噪聲對重放信號的信噪比幾乎沒有影響。而模擬音響記錄形式是連續的聲音信號, 在錄放過程中會受到諸如磁帶噪聲的影響, 要疊加在聲音信號上而使音質變差。儘管在模擬音響中採取了降噪措施, 但無法從根本上加以消除。

2. 失真度低

在模擬音響錄放過程中, 磁頭的非線性會引入失真, 為此須採取交流偏磁錄音等措施, 但失真仍然存在。而在數字音響中, 磁頭只工作在磁飽和及無磁兩種狀態, 表示1 和0, 對磁頭沒有線性要求。

3. 重複性好

數字音響設備經多次複印和重放, 聲音質量不會劣化。傳統的模擬盒式磁帶錄音, 每復錄一次, 磁帶所錄的噪聲都要增加, 致使每次復錄要降低信噪比約3 dB, 子帶不如母帶, 孫帶不如子帶, 音質逐次劣化。

4. 抖晃率小

數字音響重放系統由於時基校正電路作用, 旋轉系統, 驅動系統的不穩不會引起抖晃,因而不必要求像模擬記錄中那樣的精密機械系統。

5. 適應性強

數字音響所記錄的是二進制碼, 各種處理都可作為數值運算來進行, 並可不改變硬體, 僅用軟體操作, 便於微機控制, 故適應性強。

6. 便於集成

由於數位化, 因而便於採用超大規模積體電路, 並使整機調試方便, 性能穩定, 可靠性高, 便於大批量生產, 可以降低成本。