關于高分辨率音頻系統(tǒng)的發(fā)展分析

我們熟悉生活中的各種聲音。當我們放松時或在旅途中，會使用家里或者車里的各種播放器和個人設備來收聽我們喜歡的音樂。音樂伴隨著我們成長，而且我們也將音樂視作生活的一個重要組成部分，共同的音樂喜好，把我們和朋友、家人聯(lián)系起來，我們一同欣賞，一同跳舞，一同歌唱。

從黑膠唱片到如今的數(shù)碼錄音，音頻技術已經(jīng)經(jīng)歷了較大的變化。時至今日，很多人都見證了這個無所不在的技術在品質、便利性以及普及性方面的重大發(fā)展。

追溯歷史

盡管也存在其他更早的音頻采集技術，但黑膠唱片是第一個廣泛使用的技術，并且持續(xù)時間超過了一個世紀。它提供了相對簡單的音頻捕獲流程，不過播放帶寬、音量、清晰度和分辨率都較為有限?？捎脦捴饕赊D動速度決定，而轉動速度則依不同國家而異，主要基于同步電機和電源線頻率。錄音裝置甚至還具備一定的可移動性，這一點我們可以從1916年Chief Blackfoot（見圖1）的早期記錄看出。

圖1：早期的黑膠唱片和回放技術，早于麥克風、放大器和電機出現(xiàn)。

來源：維基百科

記錄的保真度與轉速相關，主要轉速分為每分鐘78轉、45轉和33 1/3轉。在黑膠唱片之前，也使用了幾種其它材料，例如蟲膠漆、玻璃和鋁，但最終黑膠唱片成為了大眾的主要音頻媒介。（一個有趣的備注：黑膠唱片最初被吹捧為牢不可破。）

盡管黑膠唱片可允許多次錄制記錄單聲道音頻，但也帶來了一些音頻質量問題，如爆聲，嘶嘶聲和劃痕，這可能導致記錄的音頻出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象。但是，黑膠唱片易于購買、儲存和使用，播放器也相對便宜，這是第一次為大眾提供了真正的錄制音樂。

早期的黑膠唱片是機械式而非電子式。最早的是無馬達基于動量的固定轉速旋轉器，并且沒有麥克風，沒有晶體管，沒有膽管，也沒有放大器。不過電子技術的開發(fā)和發(fā)展永遠改變了這一切。

下一代記錄媒介——磁帶

磁帶大大地改變了唱片業(yè)。在纖維素化合物涂上氧化鐵，這種物質組成的磁帶緊貼著一個記錄頭走過，創(chuàng)建能夠被擦除和重新記錄的聲音備份。磁帶幾乎作為唯一的捕捉和記錄專業(yè)音樂和音頻的媒介已經(jīng)存在了幾十年，并且目前仍然有模擬音頻發(fā)燒友在使用。

但磁帶也會導入誤差。因為這種塑性媒介的拉伸以及壓縮會導致磁帶出現(xiàn)失真和抖動問題。此外，保真度受限于磁帶傳送速度，使用英寸每秒來度量。然而，磁帶也帶來了一些創(chuàng)新，如立體聲、配音和多音軌。

早期的開盤式錄音磁帶占據(jù)并持續(xù)主導了專業(yè)音頻領域。對于普通大眾，則引入了盒式錄音帶和八軌音帶系統(tǒng)。這些磁帶便于使用，價格低廉，并且可以配備一個記錄標簽，從而防止音頻被抹掉。盡管如此，高保真受限于磁帶速度，最終更高奧斯特評級的DAT磁帶可以捕捉非常高的帶寬并回放更高頻率的波形。

更佳的技術——數(shù)字記錄

當模數(shù)轉換器可用于捕獲波形以及數(shù)模轉換器可用重建這些音頻時，人們便進入了音頻記錄的數(shù)字新時代。通過使用麥克風、濾波器和微控器，可以采樣音頻并進行存儲。這一過程并不牽涉任何物理移動部件（除了麥克風和揚聲器膜片）。

數(shù)碼錄音消除了機械運動導致的磁帶失真和抖動，也避免了黑膠唱片物理媒介缺陷導致的爆聲和咝咝聲。但正如其它任何技術，這里也存在著權衡。

不同于機械模式下移動速度是限制主因，數(shù)字技術中頻率分辨率取決于采樣率，并且動態(tài)范圍取決于總線寬度。標準采樣速率應用于各式應用中（見表1）。采樣率直接影響再現(xiàn)波形的精度。此外，模數(shù)波形的數(shù)字本質生成了一個帶有尖銳基波頻率轉換的階梯波形，這也導致了失真現(xiàn)象（參照圖2）。特殊過濾器可以減少失真。

圖2：雖然抗矩齒濾波器凈化了模數(shù)輸入端信號，數(shù)模輸出端也需要一個濾波器來補償可能導致帶外噪音和失真的尖銳梯形轉換。

來源：維基百科

同步數(shù)字采樣捕獲的輸入數(shù)據(jù)也會出現(xiàn)采樣率相關失真。奈奎斯特采樣定理表明，采樣頻率必須至少兩倍于你想捕捉和/或再現(xiàn)信號的頻率。任何周期性波形具有一個向上的電壓擺幅和一個相應的負電壓擺動。為了捕獲了合理的可重現(xiàn)信號，你需要在高點和低點采樣以獲取整個電壓擺幅。如果采樣時隙無法與最大頻率的高峰和低谷同步，你將無法在數(shù)字域中真實重現(xiàn)模擬波形。這就是為什么更高采樣率可以提升捕獲數(shù)據(jù)精度的原因。

音頻愛好者可以辨別出欠采樣時的帶寬受限效果，并且認為采樣率過低時，即使它們滿足奈奎斯特采樣定理，實際波形呈現(xiàn)的豐富諧波將會缺失。這就是為什么更高的采樣率正將極限推進至超聲波區(qū)域，這時物理上基本上聽不出任何損失。

由于半導體技術的進步，更小的工藝線寬帶來位寬更大的模數(shù)和數(shù)模轉換器，并且它們的速度可以更快。使用的采樣率五倍于最低奈奎斯特極限的現(xiàn)象并不少見，這可以更好地捕獲和再現(xiàn)波形，同時生成更大的動態(tài)范圍。采樣位寬在32位甚至更高的情況也并不少見，采樣寬度越寬，動態(tài)范圍越大（參見圖3）。

圖3：動態(tài)范圍決定響度步進分辨率，并直接受到模數(shù)轉換器分辨率的影響

來源：Soundbooth CS4/ CS5/數(shù)字音頻

模數(shù)和數(shù)模轉換器的架構也直接關系著動態(tài)范圍。早期的低分辨率模數(shù)轉換器可以使用閃存轉換器技術，提供8位左右的較快采樣。由于分辨率每增加一位需要將電路元件的數(shù)量提升一倍，這種做法無法適用于早期線寬較大的半導體工藝。

隨著半導體速度的增加，逐次逼近型架構通過使用采樣和保持來提供音頻范圍內的位寬更大的轉換總線。隨著工藝尺寸的微細化，使用閃存轉換器技術來實現(xiàn)10、12、16和18位分辨率又變得可行?，F(xiàn)代的24位轉換器可以使用各種新型和改進結構，比如過采樣，采樣率每秒192K已成為新的高端音頻標準。

影響從輸入到輸出音頻質量的另外一個因素是數(shù)字流水線內實現(xiàn)的編解碼器類型。編解碼器（CODEC，源自COmpresor-DECompressor，壓縮-解壓）對數(shù)據(jù)流進行編碼以進行傳輸或者存儲，采用的壓縮技術可以是有損的也可以是無損的。顯而易見的是，有損編解碼器效率更高，但不會完全重現(xiàn)原始波形。