“升频 （up-sampling）”和“升比特

springson

交易区新帖推荐

近年来，业内掀起了一股对数字音响器材进行“升频 （up-sampling）”和“升比特
（up-bit）” 处理的热潮（为便于阅读，下文统称其为“上变换（up-conversion）”处
理）。究其起因，乃是由于DVD碟片上出现了以 96kHz /24bit规格录制的音频信号，以及
某些公司在做产品推广时，宣称他们的器材内使用了Snell & Wilcox插补器来对图像信号
进行倍线处理，令画质得到了有效地提高。
    本文的目的旨在替您解开一些围绕在“上变换”处理技术周围的谜团。

    首先，所有线性 PCM（脉码调制）数字录音里的信息量都是有限的。如果录音室里的
整套录音设备都处在最理想的条件之下，那么这些音乐信息记录的多寡与否便只受制于取
样频率（每秒钟从原模拟波形中提取多少个样本）和取样深度（用多少数据来描述那些样
本。又称“量化精度”，以 bit为单位）。我们所熟悉的CD唱片的标准取样频率和取样精
度，被规定为每秒44100次和16bit/样本。




    提升取样频率和取样精度都能带来可察觉的音质改善，但前提必须是原始模拟信号在被转换成数字信号以前，它的信息通路
上没有重大的限制因素——因为一张用廉价麦克风来录制的96kHz/24bit唱片，听起来决不会比以44kHz/16bit规格录音的版本好
多少。不过，一旦当你捕获了某特定的取样频率和取样精度所能容纳的全部信息以后，所有在录音之时就丢掉了的信息便再也找
不回来了。用音频系统进行回放的时候，关键就在于要还原出数字录音里的每一个细节，以便尽可能多的重造出录音时想要抓住
的原声信息。
    1982年，当Sony和Philips联合推出C D系统时，两家公司在如何将音频信息最好的保存下来这一问题上，出现了分歧。鉴于
当时技术的局限性，Sony认为最佳的办法是采用 44.1kHz/16bit标准的数模转换器；而Philips则坚持采用14bit的转换器，但是
取样频率却高达176.4kHz，是44.1kHz的4倍。同时，Philips 还专门为此开发了一种被称为“超取样（oversampling）”的技术
，那就是在原录音的样本之间再插入 3个取样点。该过程的实现运用到了许多与高等数学相关的理论与技术，创造出了一个介于
“真”声和原取样信号之间的信息还原状态。说得形象一点，此项技术的效用就好比是一个小孩在用画笔作曲线的连点游戏，在
经过了“超取样”之后，他在单位距离内有了更多的点可连。既然点的密度高了，那么连起来的线看起来自然就比原先的更加平
滑。而从技术上来讲，现在这条线拥有了4倍于原样本的取样点，也即我们所说的“4倍超取样”。
    其实，Sony和Philips在1982年所提出的两种CD规格在音频信息量上是一致的，只不过Philips采用的是较高的取样频率和较
低的量化精度把音频信号处理成了另一种格式而已。这种做法的优势就在于：当数字信号被转换回模拟信号以后，设计者能够使
用音频特性更加优异的模拟电路。这里也许得花些时间来解释一下。由于经过了对取样后的脉冲信号进行四舍五入取整数的量化
过程，在数字信号被转换回模拟信号以后，它已不再像原取样信号那样保持连贯、平滑的波形了，取而代之的是一连串充满了细
小“阶梯”的弧段。这些尖锐的梯状边缘所引至的失真将以取样频率和取样频率的整数倍频率为中心，对称分布开来。以 44.1
kHz取样率录制的唱片为例，这些失真带会出现在44100Hz ± 20000 Hz的宽广范围内，同样受到影响的当然还有44100 Hz的倍频
，如：88.2 kHz, 132.3 kHz, 176.4kHz等等。


不知道您注意到没有，那些失真频带的最低端已经“侵袭”到了 24.1kHz（44.1kHz减去20kHz）。毫无疑问，这一频
带距离人耳的听音范围实在是太近了，必须要用滤波器将它们有效地过滤掉，以避免音质受到严重的损害，比如： IMD互
调失真，高音单元过载（甚至烧坏），放大器接收到大量的超声波信号等。正因如此，Sony在它们的第一代CD机上使用了
被称为“砖墙式滤波器”的滤波元件组：9－11 阶的模拟滤波器以极复杂的方式累加在一起，对音频信号进行滤波。在实
际情况中，这一安排大大的劣化了音质，因为它会导致严重的相位漂移，以及频带内的涟波干扰等诸多问题。
    相较而言，Philips的设计思路则是要欺骗数模转换器，让其以为它正在处理的是 176.4kHz的信号。这就意味着，那
些具有重大失真的频带都被推到了176.4kHz和它的倍频附近。由于此时受影响的失真带宽仍然保持为±20 kHz，所以这些
频段的最下端到 156.4 kHz时就已完全截止，距人耳最敏感的听音频段已非常遥远。而且这样一来还使得设计方可以采用
结构更加简单、性能更加优异的模拟滤波器。

    Philips 的设计方案在此后相当长的一段时期内受到了全球厂商的广泛青
睐。因为自 1982 年以来，为了能够使用结构简单、性能优异的模拟滤波器，
几乎每台CD 机都运用了超取样技术。近些年来，能够以更高的转换频率（4倍
、8倍，甚至16倍超取样）还原出所有16bit信息的 DAC芯片已经能在国际市场
上找到。而随着科技的发展，大量的18-bit DAC，20-bitDAC，以及24-bitDAC
又陆陆续续的面世了，这些芯片均能够在非常高的转换频率下运作并保持极佳
的精确度。现在，即便是市场上最便宜的DAC也在诸多方面超越了 1982年最高
技术所能提供的一切。
    那问题的关键究竟是什么呢？

    关键就在于：为了利于数模转换，对数字音响器材做“上变换”处理，已
成为许多厂商在设计产品时的唯一主导思想。从1982年开始，这项技术就被某
些人称作“超取样”，但不管是你把它叫做“oversampling（超取样）”，或
者“upconversion（上转换）”，或者“upsampling（上取样）”，还是其它
的什么东西，它们指的都是同一件事：为获得更高质量的数模转换而将原取样
数据转换为取样频率/比特数更高的信号。

  


    至今仍有人在向我们询问：“Mark Levinson何时会出一台能让我44.1kHz/16bit规格的CD，听起来具有 96kHz/24bit
音效的上变换处理器？”要知道，现役的所有 Mark Levinson解码器都会根据原输入信号的特性，将数字信号超取样（也
可以说是“升频”）至352.8或384kHz。那么，为何你还想要我们把重播标准降低到只有96kHz或192kHz呢？
    人们对于“上变换”技术的理解偏差主要来自于这样一个事实：听音者可以（使用某些器材）即时改变“上变换”数
字滤波器或是它的滤波特性，并通过比较来认定哪种状态的音质最好。不可否认，音质上的差异确实存在。我们自己在研
发产品时，就已经觉察到了使用不同的数字滤波器在主观听感上所反映出来的巨大差异。倘若我们在自己的处理器上加装
一个按钮，让您能对机内的数字滤波器做某种程度的改变，那您也一定会听出相当的差别。又或者，我们将该过程“机外
”化，令它独立的成为一款产品，并放到市场上去大赚一笔。但是这样做对我们客户的利益没有任何好处。

说到底，假如我们（或是其他的厂家）拥有一个运算能力极强的处理系统来进行这一工作的话（我们也的确拥有）
，那么，将产品研发过程中所淘汰掉的“失败技术”保留在机箱内，并通过比较来反衬出我们经过了甄选的“优越技术
”如何的更好，是否有违追求原音重现的本意呢？再者，我们又是否应该为那些只被人们用来短暂地测验一下便弃置一
旁的东西而收取消费者大量的金钱呢？
    我们已认定了要不断地提高我们的先进科技，并确保产品中有且只有我们最尖端的技术。某些人可能会认为我们太
过天真（或理想化），但实际上，我们只是不愿为了让经过优化的音响表现听起来更悦耳，而急于在我们的产品上提供
一个非最佳音效的对比选择而已。
    那噪声整形（noise shaping）又是怎么一回事呢？

     噪声整形（又称：调制）的确在很大程度上限制着低bit数 DAC的性能，尤其是对于那些普通的廉价1比特DAC而言
。这些被称为“Sigma Delta”或“Delta Sigma”的 DAC，将Sony/Philips设计中的数字交换发挥到了极至：它们用较
高的取样频率来和大量的bit数做交换。但即便如此，它们也未能达到足够高的转换速率去补偿1比特与16比特之间所存
在的巨大差距，更不用说是24比特了。所以，它们需要通过噪声整形来将大量的噪声挪移到人耳敏感的听觉范围以外。
不过，就算是目前最好的1比特DAC，在略高于20-30kHz上面一点儿的频带内，仍存在着大量的噪声，并且统统需要被过
滤掉。
    当弄清楚了这些会导致声音听起来不一样的因素之后，专业唱片录音市场便采用了不同的噪声整形器创造出了不同
的“声音”——就像使用均衡器之类的电子效果器。少数几家公司为一些录音室设计出了这样的外置式数字效果器。这
部分器材必须要具备数字输出端，以便它们的“效果”信号能被送往其它器材做更进一步的处理。而且，那些输出信号
还必须是拥有极高取样频率 /比特数的数字信号，原因很简单，如果没有增加数据信息量，你就不可能进行有效的噪声
整形。
    跟我们的产品一样，某些厂牌的数模转换器是能够接受高取样率 /比特数的音频信号的，而其中的一些厂家已把噪
声整形和上变换功能，定位成了一种原理类似于视频倍线器那样的音质改善途径。不幸的是，部分消费者盲从的去购买
某些器材，但却不知道它们究竟是怎样改善音质的。
    倍受争议的“上变换”产品乃用户可调式超取样滤波器。（对于一个好的超取样滤波器来说，噪声整形仅仅是众多
影响它性能表现的参数之一。）为什么要为制造商已经包含在他们解码器中的那些东西再花去数千美金呢？外置的超取
样解码器是为唱片录音室所设计。因为在那儿，作为整个录音技术处理的其中一个环节，它们会被用来改变唱片录音的
音色，而这些解码器与普通民用解码器唯一的不同就在于，它们的超取样滤波系统是用户可调的。
    相比之下，我们是在进行了大量深入的聆听测试，并确定了哪一套参数组合听起来最中性以后，才引入这一“超取
样”功能的。在更加愤世忌俗的心情影响下，我们有时甚至在想：究竟我们是否可以在处理器上加一个“demo mode（
示范模式）”，以在不作超取样处理的情况下转换原始的 44.1kHz信息。到时，你将会（或者你是否会）为超取样所带
来的巨大音质改善而惊讶不已！
    坦率的说，如果我们的用户想要通过一些比较特别的方式来改变它们系统的主观听感的话，建议他们最好还是去买
台数字均衡器。

    注意：此中文译本只作参考，如有错漏，请以英文原版为准（www.madrigal.com/UPCONVERSION.htm）

[ 本帖最后由 springson 于 2009-6-6 15:39 编辑 ]

stephen0831

这篇文章是楼主翻译的？
辛苦了，要花很长时间的。

感觉PCM和CD格式给发烧友带来了不少麻烦，JITTER,买转盘、时钟、解码器，线材，钱没少花，效果可能还不如LP。
期待DSD格式的普及。

springson

转的

打死不发烧

太长了！~

nadesicozhao

升比特对硬件的要求太高了 所以传统厂家不太习惯在实时性那么强的机器上用这技术
量少的话 算上开发成本 真是天价了

8492

实际听感上，升比特要比升频好听。

小白

现在最高规格的升到32比特了,但都价格很贵.

nadesicozhao

原帖由 小白 于 2009-6-6 19:37 发表
现在最高规格的升到32比特了,但都价格很贵.

软件没特别优化前 你让四核实时算32bit也够呛的

8492

8核才几个钱，用的了的话上就是了~~

nadesicozhao

原帖由 8492 于 2009-6-6 19:50 发表
8核才几个钱，用的了的话上就是了~~

很难想像一个音源系统用上风扇散热
连续开几十个小时还有死机隐患
天热的时候上面不能压东西

所以通用处理器不太可能用在这上面 就等哪个DSP厂家好心去开发32bit 实时处理芯片了

8492

那慢点的芯片多用几片不就是了……

nadesicozhao

原帖由 8492 于 2009-6-6 19:58 发表
那慢点的芯片多用几片不就是了……

那 我这个写软件的要死人了
这又不是1+1=2
不过说起功耗倒是1+1=2的，估计更热

8492

程序和散热都很好解决的哇~~

nadesicozhao

原帖由 8492 于 2009-6-6 20:38 发表
程序和散热都很好解决的哇~~

都好解决的话
通用CPU厂家就笑不动了 (intel：^0^)
开发DSP的厂家就要破产了 (TI：T0T)

8492

原帖由 nadesicozhao 于 2009-6-6 20:41 发表


都好解决的话
通用CPU厂家就笑不动了 (intel：^0^)
开发DSP的厂家就要破产了 (TI：T0T)

解码采样上32bit很轻松好不？64bit也很早就有了。白版说的32bit那是cd的采样好不？