文／珊迪、林彥君
在說明 DAC 為何物之前，請先想像一個畫面，喜愛的歌手在錄音室中高唱著新歌，而你現在正用電腦播放著歌曲，從錄製音樂到播放音樂的過程中，實際上是將類比音源錄製成數位資訊，再由數位資訊轉換回類比音源的過程，在一邊享受音樂的片刻，也一邊來了解 DAC 在這轉換過程中所扮演的角色吧！
類比訊號 vs. 數位訊號
DAC（ Digital to Analog Converter）又稱為數位類比轉換器，是數位播放系統中不可或缺的重要角色，它能將數位訊號還原回類比訊號。不論以 CD、電腦或手機播放數位音訊檔案，都必須經由 DAC 的處理，才能將訊號送至擴大機進行放大，再透過喇叭將美妙的音樂播放出來。
「類比訊號」與「數位訊號」的原理是什麼，彼此之間又有哪些差異，究竟哪一種系統比較好呢？所謂的同步模式與非同步模式是怎麼一回事？本期所附贈的 USB DAC 又是什麼神兵利器？且讓我們來一探究竟。
為了複製生活中的各種美好體驗，人們發明了許多工具來記錄影像、聲音，早期的工具皆以「類比（Analog）」的形式記錄，如底片相機、黑膠唱片、卡式錄音帶等。近年來，由於數位產業的興起，人們轉而擁抱各種「數位（Digital）」工具，數位相機、CD、MP3 逐漸取代過往沖洗底片、將卡帶換面的回憶。
究竟什麼是「類比訊號」，什麼是「數位訊號」呢？說明白點，「類比」其實就是「連續、不可被量化」的意思。 類比訊號不論在時間、空間與強度上都是連續的，每一個時間點都有相對應的訊號。造物者所創造出來的世界，諸如光影明暗、聲音、溫度等五感的體驗，皆以「類比訊號」的形態存在於我們的日常生活中；反之，「數位」的特性則為「不連續、可量化」的。
這樣說明或許還是有點抽象，可用圖像來理解兩種訊號的差異。圖 1 左為類比的影像，色彩是連續的，日常所見的自然美景以及相機底片皆屬於類比影像；中間則是以數位方式呈現的影像，將原始的影像切割成許多小區塊，並在區塊中填入單一色彩，藉此還原出真實的影像，電腦螢幕呈現的畫面即為數位影像。
與真實的景象相比，要表現自然的漸層色彩，數位的呈現方式似乎略顯不足，但若能用更多的資訊量記錄彩虹的軌跡，藉由更細的寬度、更多的顏色與層次去描繪色彩的變化，數位影像便可十分逼近類比影像，呈現出如圖 1 右方的效果，肉眼幾乎難以分辨兩者的差異。
回到音響應用的主題，數位、類比音訊轉換的方式與圖像原理是相同的，只要藉由更精細的層次去分割與組合，數位訊號經過轉換一樣可以達到幾可亂真的聲音表現，這一切成敗與否與 DAC 息息相關，以下將更進一步的說明類比音訊與數位音訊的差異，以及兩者之間如何轉換。
類比音訊的錄製與播放
真實的聲音訊號是一連串連續的「壓力」變化，壓力變化速度越快，表示音訊頻率越高，而音訊的振幅越大，其響度越大（如下圖）。
因此，記錄類比音訊必須含有兩大資訊 —「時間與振幅 」，人們絞盡腦汁研發技術，便是為了能精確地記錄並重播這兩大資訊。
早期的類比錄音工程利用機械式或電磁學技術，將音訊波形一五一十地刻在黑膠唱盤上，軌跡記錄下「振幅」資訊、旋轉速度則紀錄「時間」資訊，屬於類比的紀錄方式。播放黑膠唱片時，重播速度必須與原先的錄製速度相同，如果播放時改變了速度，就等於改變了原來音訊的頻率，而音軌之起伏越接近原來的音訊波形，振幅的忠實度也就越高。
唱針依靠細微的振動還原唱片上記錄的聲音波形，那些波形都是我們肉眼看不到的超微小刻痕（如上圖）。在黑膠母帶刻製、壓制量產、唱針循軌重播等每一步驟裡，只要有任何額外的振動、細微的灰塵或轉速上的些微差異，都會構成原有音訊波形裡沒有的變異部分，也就會造成聲音的失真。
類比訊源的聽感自然寬鬆，十分迷人，只是聆聽環境的限制條件多，進入門檻較高，且難以完美複製。因此，播放簡單、傳輸不易失真、容易保存與編輯的數位訊源逐漸變成當今音源製作的主流。要將類比訊號數位化是一個複雜的過程，而如何將數位訊號還原回類比訊號又是另一門學問。以下簡單介紹聲音訊號是如何被數位化記錄保存，而硬邦邦的數位訊號，又是如何轉變為我們耳朵裡聽見的美妙音符。
類比音訊的數位化
數位音訊與類比音訊相同，在記錄時必須同時保存原有的時間與振幅兩大資訊。
將音訊數位化最常使用的方法為「脈衝編碼調變（Pulse Code Modulation, PCM）」，包括下列 3 個步驟：取樣（Sampling）、量化（Quantizing）、編碼（Encoding）。
所謂「取樣」，是依據特定的時間單位，把音訊切割成每秒數千到數萬個片段，並選取音訊裡的時間資訊（如上圖中綠線）；而「量化」則是把每一個取樣點的振幅資訊記錄下來，並以數字表示（如上圖的藍點）；「編碼」則是把數字，轉化成電腦看得懂的「0101…」以方便記錄和保存。
由此可知，「取樣」保留了時間資訊，「量化」則保留了振幅資訊。
在音訊收錄時，將類比訊號數位化的機器稱為「ADC」（Analog to Digital Converter，類比數位轉換器）。音訊數位化的檔案是一連串的二進位編碼數值，播放時須經由「DAC」（Digital to Analog Converter，數位類比轉換器）將數位訊號重新轉換成連續的類比訊號，才能將訊號送入擴大機進行放大，再透過單體（喇叭）播放出來。
DAC 會將這些「字組」以同一參考時序轉換，形成相對的電壓或電流，再經過低通濾波器將訊號波形變得滑順，恢復成原本的類比音訊波形。可由下圖來了解類比音訊經過轉換，變為二進位編碼數值，再轉換回類比音訊的過程。
再談取樣量化與編碼
收錄音訊時取樣的速度稱為「取樣率」，單位是 Hz，取樣率 44.1 kHz 代表每秒鐘對音樂取樣了 44,100 次。取樣率越高，所記錄的音訊波形就越接近原始訊號。如果希望能完整地記錄所求的訊號頻寬，則取樣頻率必須大於訊號頻率的兩倍，稱為「奈奎斯特定理（Nyquest law）」。
人類聽覺的頻寬約為 20 Hz－20 kHz，理論上，以 40 kHz 以上的速度對聲波進行取樣，便能還原出 20 kHz 以下的聲波。經過取樣後，必須把每一個取樣點的振幅資訊記錄下來，量化的級距分得越細，記錄到的振幅資訊就越接近原本的波形。由於電腦只看得懂 0 和 1，量化後，必須再把十進位的數值轉換成電腦看得懂的 0 跟 1。
一個 0 或 1 稱為 1 bit（位元），2 bit 的 0 跟 1 可以表現出 22 = 4 種階層的能量與波形差異，3 bit 可表現出 23 = 8 種階層，16 bit 可以表現出高達 216 = 65,535 種階層，而到達 24 bit 時，則可表示約 224 = 1,677 萬種階層。
1,677 萬種階層，這驚人的數字代表了數位記錄時可達到的細微程度，正如前面所提到的圖形概念，音訊記錄時使用的位元數越多，其在聲音上的「解析度」也越高。
觀察量化級距分成 4 階與 8 階所得到的波形（上圖的藍色線條），可看出取樣率越大、量化級距越細，則失真越小，所得到的波形也越完整。
現今的數位錄音技術已可達 384 kHz / 32 bit，而半導體廠商也已經有對應的 768 kHz / 32 bit 的 ADC 晶片，由於以 96 kHz / 24 bit 或 192 kHz / 24 bit 所錄製出來的音質已經非常優異，目前錄音工程多使用此規格。然而，以 96 kHz / 24 bit 或 192 kHz / 24 bit 錄製出來的音樂，所占的記憶體容量非常龐大，受限於儲存媒介的容量限制，當轉錄製到 CD 時，檔案規格會降至 44.1 kHz / 16 bit。
理論上，44.1 kHz 的取樣率已可還原人耳所能聽見的最高音，不過，人耳雖然聽不見 20 kHz 以上的聲波，卻能感覺到細微的差異。經過實驗證實，以 96 kHz 甚至是更高的取樣率所錄製出來的音樂，音樂聽起來會更開朗透明，可有效提升整體的音質，此外，在收錄時提高取樣率，也可確保 20 kHz 以下的頻段能更完美地被保存下來。
由於科技進步，許多玩家早已不滿足於 CD 的音質，線上音樂商店紛紛推出比 CD 更高規格的母帶音訊檔案。不過，有了 96 / 192 kHz、24 bit 高取樣高解析的數位音樂檔案，也要有同等級的 DAC 把它解碼還原成類比訊號才行，因此，購買時要特別注意 DAC 可支援的取樣率與聲音解析度，不然空有高規格的訊源也是白忙一場。
如前所述，取樣率與解析度固然是越高越好，但高取樣率與高解析度伴隨而來的就是較大的資料量，需要較大的記憶體來儲存。以一首雙聲道錄製、長度 4 分鐘的歌曲為例，96 kHz / 24 bit 錄製出來的音樂所占的記憶體容量高達 138 MB，就算是44.1 kHz / 16 bit，也需要 42MB 的記憶體空間。一般的隨身裝置並沒有那麼大的儲存空間，為了可以儲存更多的歌曲，各種數位檔案的壓縮技術便應運而生，壓縮音檔的相關說明，可參考本期「大哉問」單元。
本文摘自《音響入門誌》vol. 3：DAC 篇
