音源基礎知識 (轉載)

wil-wil

資料來自:
http://hk.myblog.yahoo.com/email_to_stanley/article?mid=243


什麼是音源?
顧名思義，音源就是聲音的源頭，沒有音源，用音響系統還原聲音也就無從談起。音源有兩層含義，一是指記錄聲音的載體，只有先把聲音記錄在某種載體上，才談得上用音響設備把載體上的聲音還原出來，這些載體是音響系統中聲音的來源，所以叫音源。常見的音源載體有 CD、盒式磁帶、LP 等，現在又出現了 DVD-A、SACD 等更先進的新型載體。


什麼叫模擬音源，什麼又叫數碼音源?
時間上連續、而且幅度隨時間連續變化的訊號稱為模擬訊號，記錄和處理類比訊號的音源就是模擬音源，例如 LP；時間上不連續、幅度只有0和1兩種變化的訊號稱為數字訊號，記錄和處理數位訊號的音源叫做數碼音源，例如 CD。

類比音源記錄和處理的訊號是聲音的本來面目，可以直接用傳統的放大器放大，處理起來方便直接；數碼音源記錄、處理的都是 0 和 1 排列組合形成的抽象二進位資料流，非常不直觀。

聲波是模擬的，不能直接為數碼音源使用，必然通過轉換設備轉為數位訊號，才能記錄在數碼音源載體上。播放時，數碼音源設備讀出的資料不能直接由傳統的放大器放大，必須先轉換為類比訊號才行。CD 的規格如何？

CD 的規格是索尼和飛利浦公司聯手制定的。聲音訊號採用 44.1KHz 的頻率采磋，每個采樣點進行 16bit 量化，然後以 LPCM 方式編碼成數位訊號，數位訊號用模壓的辦法保存在特製的碟片上，做成 CD 片。CD 片的片基一般用塑膠製作，其中一個表面為模壓的訊號層，訊號層上有一個個壓出來的抗點，這些坑點就代表了 0、1 兩種訊息。訊號層之外再鍍上一層極薄的鋁膜，用於讀取訊號時加強鐳射反射。


取樣、取樣率、量化、量化精度等術語的含義是什麼?
取樣也叫採樣，是把連續的模擬量用一個個離散的點來表示。顯然，取樣點需要足夠密集，才能很好地表達原始類比訊號的特徵。每秒鐘取樣的次數叫取樣率，CD 的取樣率為 44.1KHz，表示每秒鐘取樣 44,100 次。所謂量化，通俗地說，就是度量採樣後離散訊號幅度的過程，當然，度量結果用二進位數字來表示。

量化精度是就是度量時分極的多少，好比一把尺子上刻劃分的多少，顯然，分級越多度量結果便越精確。CD 的量化精度為 16bit，換算為十進位，分級數等於65,536。

也就是說，以 CD 的標準，可以分辨出 1/65,536 級的幅度變化。問題來了如果訊號的幅度變化比 1/65,536 級還小呢？答案很簡單：量不出結果，就象用精細到1mm的尺子去量一根頭髮的直徑一樣。

量不出結果就沒有資料，將來還原成類比訊號時就會形成背景雜訊，專業術語叫量化雜訊。量化雜訊量數碼音源信噪比提高的主要限制，對於 CD 規格，假設最強訊號為一個單位，雜訊大小就是 1/65,536 個單位，因此信噪比為 65,536 即 96dB。


CD 規格定為 16bit / 44.1KHz 有什麼根據?
先說 44.1KHz 取樣率的來由，這是根據著名的“乃奎斯特取樣定理”得出的結果。“乃奎斯特取樣定理”說：在模擬訊號數位化的過程中，如果保證取樣頻率大於類比訊號最高頻率 2 倍，就能 100% 精確地再還原出原始的類比訊息。音頻的最高頻率為 20KHz，所以取樣率至少應該大於 40KHz，為了留一點安全係數，再考慮到工程上的習慣，CD 標準許最終選擇了 44.1KHz 這個數值。


16bit 又怎麼來的呢?
在量化精度一問的解答中已經說過，量化精度和最終的信噪比有著直接的聯繫，當初制定標準時，一個主要的出發點就是要獲得儘量高的信噪比。飛利浦的工程師傾向于 14bit，他們認為 14bit 已經能獲得 84dB 信噪比，比起模擬音源 60dB 左右的最高值已經有了質的提高。但崇尚的規格至上的索尼工程師認為 14bit 無論如何也不夠，堅持 16bit 的提議，最後索尼的提議獲得通過。


為什麼不用更高的量化精度？比如 20bit、24bit?
因為更高的量化精度意味著更大的資料量，CD 的存儲容量已經不夠了。


A/D 轉換、D/A 轉換是什麼意思?
A/D 轉換 = 類比/數位轉換，意思是類比訊號轉換為數位訊號；D/A 轉換 = 數位/類比轉換，意思是數位訊號轉換為類比訊號：ADC = 類比/數位轉換器，DAC = 數位/類比轉換器。


什麼是超取樣?
超取樣是 CD 機中採用的一種技術，用於提高放音質量。CD 片上的數據訊號被讀出後，通過 DSP 電路的插值處理，將 44.1KHz 的標準取樣率提升一倍到數倍，這就是超取樣。

為什麼要超取樣呢？這涉及到 D/A 轉換之後的雜訊濾除問題。數碼訊號經過 D/A 轉換之後，會在音頻頻帶以外的高端產生一個鏡象頻帶，這是一種雜訊，必須用低通濾波器濾除，否則經過非線性器件後會折回到音頻頻帶內，對放音效果產生很大的破壞。該鏡像雜訊頻帶的位置和取樣頻率有關，頻率越高，鏡像頻帶就離音頻頻帶越遠。

對於標準取樣頻率來說，必須用衰減十分陡峭的濾波器才能濾掉靠近音頻頻帶的鏡像雜訊。但衰減陡峭的濾波器很通俗讀物設計，相位失真很大，難免會影響到音頻頻帶的高端部分，使音質下降，這就是早期的 CD 機數碼味比較重的重要原因。如果採用超取樣，就可以把鏡像雜訊推到遠離音頻頻帶的位置，這時只需要衰減平緩的低通濾波器就行了，設計難度大大降低，相位特性得以改善，使放音質量獲得顯著的改善。


什麼是 HDCD?
高解析度 CD，是美國太平洋微音公司在現有 CD 格式的基礎上推出的一種“增強型 CD”，它利用 CD 格式中富餘的存儲容量來記錄擴展訊息，使聲音的解析度提高到20bit的解析度，機器需要具備HDCD解碼線路。


什麼是 DVD-A 和 SACD?
DVD-A 稱為音頻 DVD，是 DVD 家庭的一個分支，它的物理規格和普通視頻 DVD 相同，單面單層的資料容量約為 4.7GB，但 DVD-A 只存儲聲音或聲音加靜止畫面，不存儲活動視頻影像。

DVD-A 的資料格式採用了跟 CD 相同的 LPCM 線性脈衝編碼調製方式，但取樣率和量化精度都比 CD 高得多。當存儲多聲道音樂時，DVD-A 的取樣率為 96KHz，存儲雙聲道音樂時取樣率高達192KHz，重放的頻寬最高可達 96KHz。量化精度在各種情況下均為 24bit，因而擁有 144dB 的超高動態範圍。SACD 稱為超級音頻 CD，是索尼公司開發的新型高質量數碼音樂格式，其性能與 DVD-A 相當，
遠勝傳統 CD 但 SACD 的資料格式不同於 DVD-A，是索尼公司開發的 DSD 直接資料流程格式。


DVD-A、SACD 跟現在的 CD 機相容嗎?
DVD-A 片無法在 CD 機上播放，但 SACD 片可以，因為 SACD 是雙層結構，高密度的 DSD 訊號層在裏面，表面還有一層內容完全相同的普通 CD 訊號層，可以被 CD 機讀取。

現在面市的 DVD-A、SACD 播電腦幾乎都可以播放 CD，即使將來 CD 逐漸被 DVD-A 和 SACD 取代了，現在投在 CD 上的心血也不會白費。