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数字音频中的DSD技术

时间：2023-02-20 22:36:30 计算机论文我要投稿

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数字音频中的DSD技术

2002中南地区广播电视技术年会优秀论文二等奖

一、概述

回顾数字音频光盘的发展，自1983以来，CD以更宽的频率响应、更高的信噪比、更大的动态范围和更小的失真，加以轻、薄、小型、廉价、使用方便等优点，迅速地取代了传统LP密纹唱片市场。CD的数字音频采用PCM多比特录音技术，以每秒44.1KHz采样频率，16bit量化精度来记录音频数据。以后所开发的多种数字音频产品，如：DAT、DCC、MD等也沿用这种格式。但PCM存在着一些难以克服的缺陷：（1）当采用44.1 KHz取样频率时，必须在22 .05KHz处采用急剧升降的数字滤波器，以防止基带外的频率成分混入。该种锐截止滤波器带来的群延时失真明显地劣化了高频端的重放音质。（2）对于小信号，PCM方式中由于量化噪声的原因造成信噪比下降。为了解决这个问题而采用了一些改善措施。但这些措施随之又带来了新的问题，导致在声音还原时人们很容易辨别出CD还原的数码声，具体表现在低频生硬、单薄，中频不够透明，高频有毛刺感等。迄今近20年来虽然这种技术虽然在不断进步，量化编码从16bit上升到24bit、32bit，采样频率提升到96KHz，即使这样，其改善也是有限的。

因此后CD时代的竞争表面上是SACD和DVD-Audio之争，其本质上是DSD技术和PCM技术之争。它们的运用数字技术和格式完全不同，并且互不兼容。

二 DSD技术
DSD格式的推出，较大程度地改善了PCM存在的缺陷。DSD的取样频率为2.8224MHz，较传统CD的取样频率 44.1kHz高出64倍，理论上可以把频响范围扩展至1Hz-400kHz，大大超越传统CD20 kHz的极限。同时64倍于CD的超取样频率又可以使量化噪声的大部分能量被转移至音频范围之外，很容易被一个低通滤波器滤除。可见此编码技术就是通过大幅度地提高采样频率，来降低音频范围内量化噪声，同时使用 "噪声整形电路"进一步把可闻频带（0 ~ 20kHz）内的噪声转移到20kHz以上的超音频范围中去，有效地控制量化噪声的分布以进一步提高信噪比。

我们都知道，按照采样定律进行采样、量化和编码的数字音频信号，其信噪比决定于量化比特数，大约为量化比特数的6倍。因此在音频系统中降低量化比特数就将增大量化噪声。因此1bit信号流的噪声是很大的。为满足Hi-Fi放声的要求，一般采用16bit量化。DVD-Audio格式就是采用这种思路，但量化比特数的提高，不仅使数字信号的码率提高，而且所要求的A/D 转换和D/A转换更精密，相应价格变高，因此量化比特数的提高有一定的限制。DSD技术为解决该问题采用了另一种降低量化噪声的方法：采用过采样，同时使用噪声整形技术改变噪声在频率轴上的分布，并用滤波器滤掉20KHz以上的噪声，来提高系统的信噪比。下面简单讨论DSD信号流的获得、过采样和噪声整形。

2、过采样

如果数字音频系统原来的采样频率为fs（通常为44.1KHz或48KHz），若将采样频率提高为Rfs, 并且R>1，则称为过采样，其中R称为过采样率。在这种采样的数字信号中，由于量化比特数未改变，故量化噪声功率也不变。这时的量化噪声被均匀分布在0-Rfs/2频带内，也就是音频频带内的噪声降低了。过采样系统的最大信噪比为 S/N=6.02m+1.76+10lg（Rfs/2fB）式中fB为音频信号带宽，Rfs为过采样频率，m为量化的比特数。

由公式可得，在过采样时，采样频率提高一倍，即Rfs=4fB，则系统的信噪比提高3dB，换言之相当于量化比特数提高0.5bit。若R>>1， Rfs/2就远大于音频信号的最高频率，使得均匀分布在0-Rfs/2频率范围内的量化噪声大部分被分布在音频频带以外的区域。进一步采用噪声整形技术使原来均匀分布的量化噪声转变成集中到高频区的新的分布方式。虽然总的噪声量没有减少，但音频频带内的噪声却降低了。此时音频频带外的噪声虽然增加了，但可用简单的低通滤波器加以滤掉。

随着采样频率的提升，相邻采样值之间的差别很小，可以对其差值进行量化，即采用差分脉冲调制（DPCM），使量化比特数减少。当采样频率足够大，就可采用极限值1bit进行量化。这种1bit信号流只需要用一个简单的低通滤波器取出其平均电平即可。

3、噪声整形

由于噪声是在量化过程中产生的，噪声整形的工作原理就是将噪声分量进行负反馈，在反馈环路中加入网络，使低频反馈系数比高频反馈系数大，从而降低了音频频带内的噪声。图2为有无噪声整形电路之对比：

三、超级音频光盘SACD

SACD（Super Audio Disc）是一种采用DSD数字录音技术的新型光盘，它的频率范围和动态范围均比CD宽。一般分为三种结构：一种是单层HD（记录20KHz~100 KHz超宽频带信号的高密度层），录入DSD信号。它可以存储9G字节的SACD格式的音乐。另两种均为双层光盘。其中一种是混合式双层结构，即一层与CD相容，另一层为高密度录音层HD层。它可以存储4.7G字节的数据，大约是普通CD的6倍。HD层又细分成三轨，可分别载入2声道讯号、6声道讯号及其他资讯（如：片名、曲名、图形和活动图象等）。SACD虽然具有与CD相同的外形尺寸，但能够提供比CD更好的音质。SACD和CD光盘的比较如表1所示。

四、SACD的放声系统

目前大部分SACD光盘所接的放声系统仍然是模拟式的。显然，SACD对功率放大器和扬声器的要求是非常苛刻的，传统模拟式的性能已跟不上。电子管或晶体管功率放大器的发展已接近极限，很难再有突破性的进展。一些公司针对此纷纷推出自己的数字功放。索尼的TA-FB940R，日本Sharp公司推出的1bit数字扩大机。它们采用全数字式工作原理，因而频率响应、动态范围、瞬态响应好。并因其操作属简单的开/关切换形式，使它的热量消耗只有传统模拟放大器的五分之一左右，电源消耗只需约一半。新型数字功放的推出不仅为SACD系统提供了功率放大器的解决方案，并且又可用于所有双声道立体声信号源，不论是模拟信号还是数字信号都可使用。

数字扬声器的研究进展不大，它的研究一直采用PCM系统，把二进制输入信号直接转换为声波辐射，扬声器本身完成D/A转换。低比特数的PCM扬声器性能不能满足Hi-Fi放声的要求，而高比特数的PCM扬声器则结构复杂，若要保证一定的截止频率，必须采用有足够高阶数的低通机械滤波器或声学滤波器，这样会使数字扬声器结构复杂、加工困难。数字扬声器若采用过采样和噪声整形技术可以减少对数字扬声器的比特要求，甚至降低为1bit。设想扬声器的输入若是1bit信号，那么数字扬声器只需是一个简单的低通机械滤波器或声学滤波器。不但简化了结构，而且提高了重放性能，并为研究高质量的数字扬声器提供了一种新方法。相信不久以后，这种1bit数字扬声器会得到实际应用的。

其次，在硬件方面，SACD已先一步走到DVD-Audio之前，早在两年前，SONY公司就有一款轰动业界的SCD-1问世。之后接踵而来的SCD-777SE、SCD-555、SCD-XB940，甚至影音兼容的DVP-S9000ES、Manantz公司的SA-1、SHARP公司的DX-SX1、先锋公司的DXAX100等，不胜枚举。而DVD-Audio阵容到目前为止也仅有松下、胜利、天龙等几家公司的少量品种应市。在软件供应方面也是SACD捷足先登，至今已有超过300款SACD唱片问世，国内看到的也有近百种，其中SONY和Philips一方面凭借自己旗下的唱片公司源源不断地出版SACD碟以示支持。另一方面更说服Telarc、DMP、拿索丝、DIGITAL等唱片公司加盟SACD陈营，不断推出SACD软件给广大消费者造成了"先入为主"的极深印象。而DVD-Audio还在摇篮中就被计算机黑客破解了防盗版密码，从而大大推迟了DVD-Audio唱片推出的时间表，这也是许多饱受盗版之苦的唱片公司暂不考虑对DVD-Audio阵营支持的主要原因。

可以预测,采用DSD技术的SACD的前景光明,它会获得迅猛发展,也许会成为后CD时代的音乐光盘的主流格式。

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