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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》

PanSci_96
・2016/09/27 ・3551字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

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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。


Vol3

 

本文摘自《音響入門誌》vol. 3:DAC 篇

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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》
PanSci_96
・2016/09/28 ・3573字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

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

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圖/Foundry @ Pixabay

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。

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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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