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強勢來襲的數位潮流:你不可不知的 DAC(上)—《音響入門誌》

文/珊迪、林彥君

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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。

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圖 1 :類比影像(左)、低解析度數位影像(中)、高解析度數位影像(右)。圖/音響入門誌提供

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)。

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圖/音響入門誌提供

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。

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圖/音響入門誌提供

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)

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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。

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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。

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圖/音響入門誌提供

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。


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本文摘自《音響入門誌》vol. 3:DAC 篇

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活躍星系核

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。