声音还原的必经过程 数字模拟转换器 (转贴) [复制链接]

声音还原的必经过程 数字模拟转换器 (转贴)


1981年Sony与Philips联合发表CD-DA(Compact Disk-Digital Audio)的红皮书，书中对于我们现在普遍使用的音乐CD，有详细的规格等技术上的说明，没多久1984年再度发表CD-ROM(Compact Disk-Read Only Memory)黄皮书，CD这项媒体已经正式跨入计算机储存的领域。<图片>
CD的发展相当迅速，当推出之时支持的软件厂家并不多，但CD仗着前所未有的便利性以及高水平的音质表现，推出不过四年，在1987年CD的总销售量，就已经超越了当年LP的销售量，正式成为市场上的主流软件。自此之后，LP与录音带市场逐渐式微，没有多久，LP正式告别市场，CD是广被接受的音乐软件。

CD唱片的发展，其实是架构在一连串数字的软硬件科技上，CD发明的从无到有，确实得仰赖无数科学家的埋首研究，如何克服雷射读取的问题；如何克服CD唱片侦错码的问题；如何克服所有一切将会遇到的问题。实际上，CD唱片的推出，是包括一整套完整的全新技术：包括如何将传统模拟讯源转换成数字储存格式、如何制造高精密度的CD唱片、如何生产雷射读取系统以及整部CD唱盘。

第一部推出的CD唱盘是Philips的整体设计，内部所有的关键零件皆为Philips所主导，包括读取伺服系统、侦错线路、数字模拟转换以及当时称为新科技的数字滤波等等。市场的竞争有助于科技的进步，设计者发现原先规画的CD唱盘无法满足更高音质的追求，遵循在固有的格式之下，音响设计者将数类转换器的部份独立出来，发展出新的音响科技。

数类转换器所负责的工作，其实只是整个CD技术的一小部份而已，但因为容易设计，且牵舍的技术可高可低，变化可大可小，因此音响厂商只要招揽数字人才，即可在数类转换器身上发展创意。熟悉数字技术者，可以利用DSP芯片撰写程序，藉以创造出独特的数字滤波程序，改善传统芯片无法达成的功能；模拟高手也可以在DAC芯片输出讯号之后，发挥长才设计出独特的模拟滤波以及模拟放大等线路。不同的DAC芯片以及不同的模拟放大可以组合出不同风格的音色，也因此虽然数类转换器负责的只是整个CD还原过程的一小部份，但却可无穷尽的发挥创意。

本专题将对数字模拟转换器，介绍与数字模拟转换器的工作架构，以及相关的名词与相关问题，然后再扫瞄音响设计者在这方面发挥了哪些创意。


多位还是单位元？

DAC芯片阔论 编辑部

　 DAC芯片当然不是为了CD的用途而发展的，数字与模拟之间的转换，在日常生活以及工业用途使用非常普遍广泛。在某些用途之下，模拟式仪表比较容易让人判读，例如汽车转速与时速的指针，您只要瞄一眼指针的大概位置，就可以知道大约的数字，也可以透过指针移动的速度，了解数据实时变化的情形。也有一些时候需要精确的数字，这时候数字化就带来绝对的好处，例如温度计与电压表，目前温度几度了？目前电压几伏特？此时要的可不是大概的数字，而是精确至小数点的准确数值。
DAC的演进也与电子技术的进步有着密切的关系，早期芯片制造的技术能力有限，对于DAC（数字转模拟）或ADC（模拟转数字） 芯片的理论与研究也未到发达的阶段。1981年Philips推出CD唱盘的时候，内部采用的DAC芯片为14Bit分辨率，规格上明明写着16Bit，但为何采用一颗14Bit的DAC芯片呢？主要原因就在于当时的DAC芯片仅发展至14Bit的阶段，但Philips则利用线路的技巧，将分辨率拓展至16Bit的水准。同样的事情也发生在ADC芯片上，ADC芯片的发展总是落后于DAC芯片，当CD规格正式发表时，ADC芯片的分辨率仅达到14Bit的水准，要如何将传统模拟母带转换为16Bit的数字码呢？这其中确实的原因很难了解，但目前以计算机软件「回顾」早期发表的CD中，确实可以发现不少CD内的资料仅有14Bit的分辨率。例如巴毕罗里指挥的西贝流士「芬兰颂」（CDM7 69205 2,EMI），就是一张14Bit的CD唱片。利用计算机软件读出其中的数字讯号，最高的两个位从头至尾完全空白！这张CD听起来与现代的录音相比，分辨率确实差了一些，最细微的变化以及动态都可以听出差异。

不同用途采用不同的DAC芯片

DAC芯片因为用途的不同，也有许多不同的形式。DAC的制造必须有相当高的精密程度，尤其是作为精密的转换用途，不若数字IC只要出现两种结果ㄛO０就是１即可，DAC芯片的输出是相当细微的电流（或电压）变化，以16Bit的DAC芯片为例，输入16Bit的数字讯号，DAC芯片就得依照输入资料，转换出65,536种不同的模拟位阶。而将数字与模拟两种用途同植于一块芯片之上，必须依靠极高的电路技术以及制造水准。

方法都是人想出来的，DAC芯片并没有规定一定要如何制作，只要制造厂商有办法将一连串的数字资料，用任何方法转换成相对应的模拟输出，就是一种DAC芯片。在实际考量上，DAC芯片的规格与精密度直接影响着价格，而价格却又主宰着制造厂商采用的意愿，因此制造DAC芯片的厂商无不想尽各种方法，企图制造价格便宜、速度快、精密度又高的DAC芯片。经过多年的努力，芯片设计家以各种方式设计了下列几种DAC芯片，它们的工作方式不同，但结果都是相同的。

DAC芯片可以从速度及工作方式上做区分，低速的DAC芯片主要运用于高精密度的转换，位数并不一定都很高，从8Bit的工业用DAC开始，到目前音响界最流行的24Bit都有，而音响使用的DAC芯片则因为需求特殊，因此早已经被芯片厂特别区分成音响专用DAC芯片，这类的DAC芯片具有中等转换速度、低失真的特性，有的可以使用独立的电源，同一芯片内分别供应两种电源，分别给数字以及模拟使用。高速的DAC芯片运用于仪器以及视讯转换的用途上，这类DAC芯片的分辨率最高为10Bit，但工作频率则在MHz以上。音响使用的DAC芯片分辨率最高为24Bit，即使加上8倍超取样，速度也不及MHz的要求，因此在DAC芯片的世界里，等级划分相当严格，价格差异更大。

最早发展出多位DAC芯片

最简单的DAC芯片是多位芯片，此类型芯片又区分成相当多种工作模式，DAC芯片工作模式的发展，当然与人类的思维方式有绝对的关系，最早发展的DAC芯片为「加权电阻式」DAC芯片。在此以最基础的加权电阻式DAC芯片，简述DAC芯片工作的原理。

例如有一个6Bit分辨率的加权电阻式DAC芯片，采用并列数字输入，在控制开关动作的同时，这一组数字资料同时进入电阻群之中，有几位就有几支电阻，理想上我们将输入的数字讯号想象成同一位准，它们拥有相同的电压，同时输出阻抗皆相同，而且每支电阻的精密度皆相同（但阻值呈倍数的不同），以求转换的误差降至最低。

数字讯号（电压）输入电阻的同时，每支电阻个别得到的输出电压并不一样，最后将所有电阻的输出连接在一起，同时进入模拟加法器里，从这里把个别电阻的输出通通加起来，如此就得到了转换之后的模拟电压。

原理非常简单，如何实行就是芯片制造商的责任。加权电阻式的DAC芯片工作原理相当简单，但同时也是最不理想的DAC芯片，一方面动作过慢，另一方面在芯片内制造电阻相当不易，而且误差极大，因此很快就发展出另种方式的DAC芯片。例如「电阻分压式」、「电流相加式」、「电压相加式」、「加权电流式」以及速度较快的「矩阵式」等方法，方法不同，但原理都是利用电压施加于电阻之上，所造成不同的电流，将其相加得到的总数据为基础的DAC转换方式。此类型的DAC芯片大多是传统的多位DAC芯片。

在实际芯片的制造上，制造一个晶体管比制造一个电阻要容易得多，由于结构与材料上的不同，在芯片上制造小容量电容也比制造电阻要方便许多。电阻耗费芯片很大的空间，精密度又不容易掌握，因此后来DAC芯片便朝向高电路技巧的方式前进Q用对电容充电的原理，以及数学微积分的转换方式达到转换目的。

多位朝向单位元发展

Philips推出的比特流系统（Bitstream），其实正意味着DAC芯片朝向更经济且实用的脚步迈进，与另一款目前广被采用的Delta-Sigma（Δ-Σ）方式一样，其出发点其实是相当类似的。传统的DAC芯片采用电阻分流的方式，将个别的电流相加，误差大、速度慢是难以克服的缺点。除此之外DAC芯片将数字资料转换成模拟位阶的过程中，会产生相当大的高频噪声，此噪声必须利用滤波的方式革除，否则声音难以逃脱刺耳、僵硬的重大缺点。

随着芯片技术的提升，Philips利用数字滤波的方式，改进传统高阶模拟滤波所带来的缺点萓嚄?墨H及严重失真等问题。数字滤波是利用数学计算的方法，导入微积分以及傅立叶转换的公式，将数字资料直接计算改写，以达成零相位失真以及高阶数滤波的目的。至于转换之后的高频噪声，再利用传统的方式进行主动滤波即可。

数字滤波的位置位于接收芯片以及DAC芯片之间，它可说是为进入DAC芯片资料的先前整理动作，设计家同时发现，DAC芯片转换的过程中，由于必须符合Nyquist定律Y取样频率必须为最高频率响应的一倍，为了达到频率响应为0Hz-20KHz的要求，因此CD的取样频率订为44.1KHz，如此在转换的过程中却容易发生频谱重叠的困扰。设计家也很巧妙的利用「超取样」的方法，一方面利用超取样插补的技术让重现的模拟「刻度」更圆滑，同时也可以避开频谱重叠的困扰，如此既可以让DAC转换之后的「曲线」更模拟，同时使用的模拟滤波器也可以避免使用阶数过高的形式，换句话说，超取样技术大大的让DAC技术更接近模拟，这也是为什么早期的CD容易出现刺耳吵杂的现象，但现代的DAC则非常的模拟味，甚至有能力与LP系统相抗衡的主要原因。

导入超取样技术

超取样的技术是这样的，在数字资料进入DAC芯片之前，由数字滤波芯片进行分析与改写资料的动作，同时高速超取样芯片会读取数字资料，利用数学计算的方式，仿真出更细微的声音曲线。超取样并非CD技术的专利，在任何A/D或D/A转换的过程中，超取样是被普遍使用的一项改善技术，它能够有效提升信息量，却完全不需要增加记录媒体的负担。从另外一个角度来说，超取样的计算是以仿真的角度来思考的，经过计算之后的声音曲线也许会偏离原本模拟声音的曲线，导致音色的变化，但无论如何它确是有效且可靠增加声音圆滑度的方法。

以两倍超取样来说，从CD读取的两个连续的资料，经过芯片的计算之后，推算出两个连续讯号的中间曲线，同时在两笔资料之间进行插补的动作。换句话说原本两笔资料的间隔频率为44.1KHz，从中央插补之后则可以获得88.2KHz的取样频率，换言之，四倍超取样、八倍超取样甚至于256倍超取样，将把送入DAC之前的资料准备得极为密集且完整，待经过DAC的转换之后，获得的便是相当接近模拟讯号的曲线。

由此，为了因应更多更密集的信息，DAC芯片必须达到高速度的要求，才能应付八倍以上超取样的要求。方法总是人想出来的，既然利用传统的方式难以提升速度，何不用数学的方式改变DAC工作方式。比特流与Delta-Sigma就是在这样的前提之下被发展出来。

比特流的方式是：将传统DAC芯片中的加法器，改为脉冲输出的方式，利用脉冲的间隔，代表输出的模拟位阶，因此比特流的芯片外部，必须再增加一个脉冲转换成电压的转换电路。由于负责转换的位仅有一个，因此比特流系统亦被称为单位元方式，这是一项新的技术，也是更理想的工作方式。感觉上，芯片的设计变复杂了，但对于芯片的生产而言，芯片电路不怕复杂，芯片工作速度也有办法提升，只要对于DAC的结果有帮助，任何改变都是值得的。

Delta-Sigma的发展

另一种受到欢迎的Delta-Sigma DAC芯片也在1985年左右开始发展，同样利用单位元的方式进行转换，Delta-Sigma的发展是凌驾于Delta技术的开发，芯片设计者先研发出Delta芯片，它的方法是利用单位元电压比较器，将电压比较器仅保持一周期的一周期延迟器，以及加入预测滤波器所构成，由于这样的结构对于电路精密度的要求不很高，因此对于降低制造成本有很大的帮助。Delta芯片的发展并不如预期顺利，不但理论虽然相当高深复杂，电路技巧更是相当具有挑战性，在当时制造LSI（大规模集成电路）的技术而言，仍然是带突破的挑战。

随着制造技术的提升以及设计家的研究，目前Delta-Sigma技术已经达到了实用性的阶段。刚刚说过Delta-Sigma芯片是凌驾于Delta芯片上的技术，也是累积了Delta芯片经验之后才得到的成果。这类型的DAC芯片必须运用相当复杂的数学的计算，主要突破在于：在原有的Delta芯片线路上加入数个积分器，首先对于输入信号积分，然后再输入Delta调变器，说穿了，一连串的数字模拟转换其实就是一连串复杂的数学计算。再讲下去可能没有几个人看得懂了，因此关于Delta-Sigma芯片的理论就此打住。对于Delta-Sigma芯片，我们只要有几点认识即可：1.它是目前高位DAC芯片的主力。2.虽然理论非常高深复杂，电路架构复杂的程度无与伦比，但由于要求的精密度并不高，以一般的数字逻辑IC的水准即可，因此可以压低制造成本，成本一降低，马上就受到零件采购者的喜爱。3.由于Delta-Sigma芯片的技术是由单位元转换器为基础，透过数学计算的方式，以高频率脉冲输出，因此很容易达到高位的要求，目前流行的24Bit或是更高位的DAC芯片，都可望透过Delta-Sigma方式达成。也因此目前推出的最新24Bit DAC芯片，清一色是以Delta-Sigma理论设计出来的产品。而多年前日本器材流行采用的MASH系统，也可以说是Delta-Sigma技术的一支。

多功能合一的DAC芯片日益普及

芯片设计的艰深理论我们不需要实际去研究，对于器材设计者而言，只要能够活用IC厂的IC成品即可。为了达到更方便设计的要求，近来芯片制造厂开始发展多功能芯片，以Crystal公司为例，最近推出的好几款DAC芯片，皆将数字模拟转换过程中，所固定的经过的几个步骤，化为一全收在一片芯片中。换句话说，只要连接接收芯片，将同步讯号以及串行数字资料送入DAC芯片中，在一块DAC芯片里，即拥有超取样、插补运算以及DAC转换等功能，而DAC转换之后的模拟滤波，芯片设计厂当然也不会放过，只要配合原厂建议搭配少数被动组件，一部完整的数类转换器其实只要两颗IC即可达成@颗接收芯片加上一颗DAC芯片。当然，虽然芯片厂已经替您解决了大部份设计，您仍然也可以手痒发挥创意，在DAC输出的模拟讯号之后，再装一个复杂的真空管缓冲器鹢M它的真正用途可能只是「染色」。

结论

回顾过去，一部数类转换器的设计确实不简单，设计者必须找到接收芯片、数字滤波芯片、插补运算芯片、超取样芯片、DAC芯片以及最后负责模拟滤波的运算放大器等，然后在众多芯片之间协调运作接口，让它们能够同时运作起来，并且让它们拥有稳定的工作状态不至于随时当机。拥有数字技术的厂家，也可以利用DSP写程序的方法，自行撰写数字滤波与插补程序，塑造出与众不同的音色。但现在一切都省了，芯片制造厂已经完成了所有工作，两块芯片的价格直直落，难怪乎许多业余DIY同好，也能在K完原厂的资料后，自行组装一部24Bit/96KHz的数类转换器，说穿了，只要您略有数字概念，要自行设计一部数类转换器并不困难。

即使如此，再精密再好用的DAC芯片，最后都得经过耳朵的验收，再高倍的超取样技术，如果计算出来的声音曲线偏离声音曲线的本质，即使线条再圆滑也没有用；同理，芯片的设计再精简，如果声音不好听，一切依旧白搭。数类转换器的设计既是一门学问，也是一门调音的功夫。同样使用DSP技术的Wadia与Theta，运用不同的声音处理技术，却也造就完全不同个性的声音，这就是数类转换器多样化色彩的特色之一。

加权电阻式DAC的工作简化图，A1-A6为数字资料，此数据控制S1-S6开关，开关只有两种结果，不是连接电源VR就是接地，因此在忽视一切实际误差之下，供给每一支电阻的电压不是VR就是接地。电压经过不同阻值的电阻之后，这些电阻的阻值彼此呈倍数间隔，将电阻输出的电压透过模拟加法器相加，即得到模拟输出。这是最简单的DAC架构。
为了方便芯片生产，也为了节省芯片使用空间，DAC朝向于利用电容做转换的工作。图中所示为一四位的电容型DAC电路，三个电容的容量皆相同，透过S1-S5等开关进行切换，由于参考电源VR对于电容的充电，可以造成运算放大器最终电压输出结果的不同，藉此达到DAC转换的目的。
从另一动作波形当中可以发现，当输入1011数字资料时，S1-S5依照时序陆续开关动作，运算放大器即会陆续将结果累加起来，最后达到(13/16)VR的模拟电压。这种转换方式不像电阻加权式设计，在同一时间就可以得到结果的，必须透过开关陆续动作之后，将结果逐步累加起来，因此需要额外的控制开关时序的控制电路。

DAC芯片发展到最后，将导入超取样的观念以及Delta-Sigma的转换方式，制成DAC芯片。Delta-Sigma的理论相当复杂，很难做简单的说明，基本上它是结合超取样技术以及数学运算所构成的DAC芯片。好处是可以利用一般的数字IC制造技术，达到高位以及高速转换的目的。
最新的DAC发展已经把数个芯片的工作结合在一起，大幅度简化了设计上的难度，同时将成本降至最低。以Crystal最新推出的CS 4334 DAC芯片为例，它仅有8支脚，采用序列资料输入，却有24Bit/96KHz的转换能力。还不仅仅如此，在这颗面积仅有黄豆大的DAC内部，还结合了序列接收界面、插补运算、数字滤波、超取样等工作，同时也具有解强调功能。内部具有两声道的24Bit Delta-Sigma转换模块，最后还把模拟滤波包含在内，直接输出模拟讯号。以往必须使用好几颗芯片才能构成的数类转换器，现在全部只要使用一颗IC即可完成，不得不佩服芯片设计师的能耐。

早期的CD仅有14Bit的传闻并非空穴来风，以这张EMI发行的「芬兰颂」为例，整张CD的资料皆为14Bit。 单位元的发明其实象征着DAC演进的历程，Philips称之为Bitstream比特流系统，使用该系统的器材上皆有此象征比特流脉冲转换的示意图。
目前新推出数类转换器，两种最受到重视的主流芯片：左边是采用Delta-Sigma方式设计的高位DAC芯片，此IC为Burr-Brown生产的PCM1728 24Bit/96KHz译码芯片；右边是高位接收芯片，此IC为Crystal生产的CS 8414。它们皆采用SMT（表面黏着）包装，这也意味着将来即使推出性能更好的芯片，体型也将保持轻薄短小的要求。 当DAC朝向单位元发展的同时，由Delta-Sigma理论延伸出的MASH技术，也曾经在日本器材上风光一阵子，图为Technis SL-PG