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強勢來襲的數位潮流:你不可不知的 DAC(下)—《音響入門誌》

文/珊迪、林彥君

編按:在上篇文章中,介紹了我們現在從電腦播放的音樂,需要經過類比訊號轉換成數位訊號的過程,將聲音以數位方式儲存下來,當我們要聽的時候再重新轉換成類比音源。這中間的轉換需要透過 DAC(數位類比轉換器)來幫忙。接下來這篇將介紹我們生活中運用到的 DAC,你知道其實電腦中的音效卡就屬於其中一種 DAC 嗎?

傳送訊號的橋樑:數位傳輸介面

在撰寫知識家之前,也曾經以為只要耳機連接喇叭或電腦就可以直接聽音樂,後來才曉得,原來多媒體喇叭都有內建擴大機來放大訊號、電腦則有音效卡(也就是 DAC)處理數位訊源,才能如此方便地播放音樂。

不過,因為非專業的電腦音效卡有一定的限制,講究音質的聆聽者常利用外接式 DAC 獲得更高品質的音樂。外接式 DAC 無論在解碼晶片、電源供應、類比放大等方面,製作和設計都比一般內建音效卡更加講究,是提升電腦音樂播放的利器。在操作上,不論是從電腦或 CD 播放器將數位訊號輸出至 DAC,均需透過「數位傳輸介面」傳輸,常見的有以下幾種:S / PDIF、USB、Firewire、AES / EBU、HDMI、乙太網路線等,其中又以「S / PDIF」及「USB」在家用音響界最為普遍,以下將簡單介紹這兩種介面的應用。

長距離傳輸 機器 vs. 機器

「S / PDIF」,全名為 Sony / Philips Digital Interconnect Format,是 Sony 和 Philips 這兩大製造業巨頭在 80 年代為家用器材所制定出來的數位訊號傳輸介面,主要應用於 CD 播放器。同軸與光纖(如下圖)所傳輸的信號都是「S / PDIF」格式,是相同種類的數位資料,只是使用的接頭形式不同而已。

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而「USB」介面則是由 Intel 與 Microsoft 於 90 年代倡導發起,其開發的最初目的並不是用來傳輸數位音樂,主要應用於電腦。發表初期普及度遠不如 S / PDIF,因此早期的 DAC 多配備「S / PDIF」介面。然而近幾年,幾乎每台電腦、智慧型手機都配有 USB 介面,隨著這些電子裝置的盛行,USB 的普及度也大幅提升,甚至超越 S / PDIF 介面。再加上網路及音樂播放軟體的發達,只要透過電腦便可輕鬆聆聽自己喜愛的音樂,電腦、手機等裝置逐漸取代實體 CD,成為主流的聆聽方式。

以 USB 作為傳輸介面的「USB DAC」也乘著這股風潮一躍而起,透過電腦已有的插槽取代內建的音效設備,輕鬆提升聆賞品質。

短距離傳輸 晶片vs. 晶片

前述提及的 S / PDIF 與 USB 都是屬於「機器」與「機器」之間的數位訊號傳輸介面,適用於長距離的傳輸,但 S / PDIF 與 USB 格式的訊號均無法直接傳送到 DAC 晶片,必須先把訊號轉換成 DAC 晶片看得懂的「I²S(Inter-IC Sound)」格式,才有辦法做數位與類比的轉換。

「I²S」是「晶片」與「晶片」之間傳輸數位訊號的介面標準,適用於短距離的傳輸。因此,一台 DAC 中除了有 DAC 晶片以外,還必須有對應的 S / PDIF 接收晶片或 USB 接收晶片,將訊號轉換成 I²S 後,再傳輸至 DAC 晶片做處理(如下圖)。

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點擊看大圖。圖/音響入門誌提供。

USB 接收晶片的品質好壞對訊號音質影響很大,價差可差至百倍,一個好的 USB 接收晶片是音質優異的 USB DAC 的基礎。

同步與非同步

不論是「機器」或「晶片」間的資料傳輸,發送端與接收端都必須要協調彼此間的步伐,接收與發送速度的一致性,是「資料能否如實傳遞」的關鍵。讓兩端同步發送與接收最簡單的解決方式,就是發送端把資料(Data)與時脈(Clock)同時傳給接收端,告知接收端發送的頻率是多少,接收端即依照此時脈的頻率接收資料。如剛剛圖片所示,S / PDIF 會將 Clock 編碼進 Data 裡一起傳送,I²S 則可同時分別傳送 Clock 與 Data,這兩者都稱為「同步模式」。

而 USB 介面當初設計時只能單獨傳輸 Data,無法同步傳輸 Clock,因此發送端與接收端須有各自的 Clock,兩端各依照自己的 Clock 工作,稱為「非同步模式」。試想,USB DAC(接收端)與電腦(發送端)要如何在各自有自己的 Clock 的情形下一起工作,而不會步伐不一致出現錯誤呢?

以下進一步來了解 USB DAC 的傳輸模式。

傳送資料,默契很重要:USB DAC 的三種傳輸模式

想像棒球場上,投手與捕手之間要培養默契,傳遞訊號就像是投手(發送端,電腦)與捕手(接收端,USB DAC)之間的丟接球,為了維持兩者之間的工作順暢,USBAudio 與電腦間協定出三種傳輸模式:自由傳輸模式(Synchronous)、改良的自由傳輸模式(Self Adaptive)與迴授式傳輸模式(Asynchronous)。

這三種模式,也常被稱為同步模式、自適應模式非同步模式,但在此所指的同步、非同步與上一段提及的同步模式(同時傳送 Data 與 Clock)是完全不一樣的東西,為了避免混淆,以下以全名稱之,並詳細說明這三種模式的差異。

自由傳輸模式(Synchronous)

此模式就像投手與捕手矇住眼睛、耳朵,並在投捕手之間架一座供球傳輸的軌道,雙方約定好開始的時間點以及傳、接球的速率,各自根據自己的時鐘默數節奏,依照「默契」傳球。這種模式的設計最為簡單,但如果兩者的時鐘快慢不一致,一段時間之後,便可能產生傳的太快導致漏接、或是因為傳的太慢而發生撲空的問題。對於音質要求不高的USB 喇叭,所使用的便是此類模式的產品。

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改良的自由傳輸模式(Self Adaptive)

各項條件與自由傳輸模式相同,不同的是換了個會自動調整接球頻率的捕手。投手依然遵照約定,按照自己默數的節奏丟球;但捕手在接球時多了點訣竅,如果漏接了球,便隨時微調自己的接球頻率。然而,捕手並不是每次都可以猜中投手的投球節奏,不停調整接球頻率的結果,有時反而會弄巧成拙。

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迴授式傳輸模式(Asynchronous)

此模式也稱為「非同步傳輸」。投手、捕手依舊矇著眼,但不同的是投手張了耳、捕手開了口。捕手一邊接球、一邊
開口數拍子;投手聽到捕手唸的拍子,修正自己的節奏再投球出去。理論上這是最好的方式,如果還能給捕手再配個名錶( 優質的振盪器、甚至是原子鐘),正是我們所期待的正確傳輸資料、低失真的理想狀態。

投捕2

電腦扮演的角色就像投手,在迴授式傳輸模式下,不但要尋找一個會開口數拍子的捕手(USB DAC),也要確定自己的電腦聽得懂拍子。然而,並非每台電腦的作業系統都會聽拍子,此時只能仰賴工程師在軟體上另闢出路,自行開發DAC 專屬的驅動程式,協助您打開投手的耳朵。由於作業系統版本眾多,與其他應用程式間的相容性也是一大問題,「迴授式傳輸模式(Asynchronous)」產品架構複雜,軟體開發成本高,因此多使用於高階的產品。

USB DAC 的優點與限制

USB DAC 作為時下最流行的數位類比轉換器,自然有它的道理,除了幾乎每台電腦與手機皆有配備 USB 介面以外,有別於其他傳輸介面,USB 介面不僅可以傳輸訊號,本身還帶有電源供應匯流排,攜帶式的 USB DAC 不需外接電源供應器,可由電腦主機直接供電,小巧輕便易攜帶。此外,USB 的高傳輸頻寬可輕鬆傳輸母帶規格的高解析音樂檔案,滿足發燒友的需求。

儘管 USB DAC 使用極為便利,想利用「USB DAC」得到 Hi-end 品質的音響效果,仍是一條辛苦的道路,這點需要回頭討論電腦的整體作業系統問題。現代人使用電腦時,常「多工」處理諸多事項,一邊播放高解析度音樂,一邊玩線上遊戲,社群軟體又不時地發出「叮咚」的提示音,多重音源卻只有一個聲音輸出通道,勢必要對三個不同取樣率的音源進行「混音」的工作。

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點擊看大圖。圖/音響入門誌提供

由於不同取樣率的音源無法直接混音,想在電腦上作「混音處理」,就必須對不同的音源做取樣率轉換(SRC, sampling rate conversion)。SRC 在音樂的編輯後製中經常可見,不過一般的電腦作業系統著重在資料運算能力,而非發燒友所追求音質至上的音頻處理,使用一般作業系統的 SRC,勢必會影響音質。此外,自動電平/音量匹配(automatic level matching)也會影響音頻訊號的處理,必須使用專用的音頻播放軟體及專屬驅動程式解決此問題,由於內容複雜,不在此贅述。

該如何改善電腦播放品質呢?

由以上的多方分析可知,若選擇以電腦作為訊源,想要追求更好的聆聽品質,就必須在電腦的軟硬體系統多下點功夫。有些講究音質的人會另組播放音樂專用的電腦,從避震處理、雜訊隔離到線材、電源、作業系統等都仔細琢磨,降低每一個環節的干擾,追求更高品質的享受。

然而,並不是每個人都是電腦工程師,可同時精通電腦的軟硬體系統,現在市面上已有販售專門播放數位音訊的電腦,稱為「音樂伺服器」,不過其成本高昂,售價非一般人負擔得起。如果不是電腦高手,又不想花大錢,其實買一部普通的電腦專門用來聽音樂也不失為一種解決辦法。只要簡化一下電腦的功能,再外接優質的 USB DAC,一樣可以花小錢享受聽音樂的樂趣。


Vol3

本文摘自《音響入門誌》vol. 3:DAC 篇。

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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。

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