谈谈cd的升频的奥秘

winxi

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看了这个帖子“ 向大家推荐一个优秀的升频转换软件”，里面讨论的非常热烈。我问了下我的朋友（在tascam工作从事产品软件开发的）。以下言论说明cd升频方面，至于后期出现的dsd和24bit/192录音无关。

其实cd的升频并不是最近才开始的，从最早的cd的解码芯片内已经采用了升频功能了，早在1982飞利蒲(Philips)当时的14Bit解码已采用4倍升频在重播时。当时这个技术称为Oversampling（过度取样），也就是现在的Upsampling（升频），从这之后几乎所有的解码器晶片都使用了 Oversampling技术，由最普通Discman至最顶级DSD都是的。

为什么当时会采用升频，要有cd的格式说起 CD的取样频率是44．1kHz。为什么会是44.  1，而不是其他？
因为a：取样频率(SamplingRate)必须是大於两倍的频宽(FrequencyBandwidth)，人耳的高频极限是大约是20kHz，所以取样频率便需要20.05kHz X 2=44．1kHz。
       b：当年制造CD母带的器材如Sony 1630，DTA2000等都是由原本制作影像的器材来改造，所以顾及Video中525线60Hz和 625线50Hz的分别而订出44．7kHz。

为何要升频在当时? 当数字信号经过DA芯片解码后生成的模拟信号会包含22．05kHz以上的信息，这些信息会引起当时的前後级发出错误而烧坏喇叭或损坏设备。为了防止这情况，解码部份後必须加过滤，这过滤器名为ReconStructiOn Filter。这过滤器的设计目的是在不影响20kHz以下的信息，而过滤掉20KHz以上的信息，其工作范围由20kHz至20.  05kHz，并要把20.  05kHz以上的音频尽可能完全滤去。可想像过滤器的Slope（斜度）几乎像条直线! 在当时要造如此高精度（但是又不会产生相位移动）的模拟过滤器是完全不可能的。没办法当时sony和菲利普的工程师解决了这个难题就是升频。如果把cd的44.  1的数字信号在解码前强制提升至96KHz，其过滤器的工作范围就是20KHz到48KHz，制造如此斜度的过滤器完全不是问题了，这才是数字信号的升频的目的。 升频并不是因为增加了频宽，一个44．1kHz的CD录音，虽升频至更高取样频率，但不会因此而增多了录音内的资料。其实cd的升频技术早就是sony，菲利普这些公司玩剩下的技术，在当时为什么会没有像现在这样强调呢，因为当时的数字录音就只用44.  1KHz这一种格式，你说你用了升频技术升到了96了也没人会关心。随着现在数字录音技术的提高，现在重提升频就是种商业手段。

那为什么现在有些采用升频技术的cd为什么听感更好？这其实是升频过程中取样算法的功劳，其实好的取样算法是可以改变听感，和录音室的调音台差不多是一回事。太多人有错误思想认为取样频率吹得越高就越好，买转盘和解码有升频就必定比较好，这是错误的想法。升频中使用了什么取样的技术远比有没有升频重要。

来自远方

叙述有些粗糙，但大致就是这么回事。

kell

还是安心听CD吧、、、。

小白

楼主叙述的是典型的oversampling的好处: 为了能以一个平缓的斜率把解码时出现的高于20K的信号滤除掉. Oversampling一般是翻译为"超取样",超取样倍数越大,可以把20K以上的信号甩得越远,这样一个很平缓的滤波电路就可以把20K以上信号去掉.

但现在讨论的upsampling是有所区别的.  upsampling的标准中文翻译是"升频",它的主要目的和做法,是依靠插值运算,去补充44100HZ频率的数码录音所没有采到的sample,使出来的声音更平滑,密度感更好,细腻感更好.  楼主有一句话说得很对,"如何升频"远比"是否升频"更重要. 升频的算法,是各个厂的技术核心.

upsampling的目的不是为更好地滤除20K以上的信号. 与这个目的完全无关. 各个厂家设计upsampling线路,完全是考虑可闻音域之内的声音听感的提高.

所以oversampling和upsampling两者,是有区别的,首先它们的目的完全不同,而且具体的技术手段也是有区别的,当然这个我就无法深入说出所以然了,但根据国外的报道,技术肯定是有区别的.

[ 本帖最后由 小白 于 2009-12-26 12:32 编辑 ]

whisky_qz

白版说的不错，OVERSAMPLING 和 UPSAMPLING ，原理上来讲很相似，也都可以影响后面的滤波电路，但最初目的、具体实现方式，还是有区别的。

来自远方

（转自隔壁JD-BBS，http://www.jd-bbs.com/viewthread.php?tid=2056626&highlight=）

最近网上谈论升频和Jitter的帖子很多。

根据本人所掌握的知识，谈点看法，才疏学浅，还望这方面的专家们指正。
先介绍一些概念（基于我的知识，不见得准确，欢迎讨论）：
1、大家经常说到的升频有两种 Upsampling（上采样） Oversamping（过采样）。
2、Upsampling（上采样）分为异步、同步两种。
3、Oversamping（过采样）是同步升频的简单化。
4、把升频器称为滤波器本人认为不妥，即使同步升频也一样，之所以这么叫开了，
   是因为市场有些数字滤波器内部采用了升频的方法。但不能就因此说升频器就是滤波器。
5、升频的主要目的是降低其后的滤波器的阶数。高阶滤波器的缺点除复杂性和成本高外，
   其最大的坏处是对不同频率的“相移”不同。
   采样率的增加会降低对DAC精度的要求，增加信噪比，
   其原理是因为上采样减少了在“使用频带”（对44.1K采样音频而言为1-22.1K）
   的噪声功率。
6、异步升频（Upsampling）由于在用异步的方式，使用高精度的本地时钟，可以将音源的Jitter隔离。
   也就是说，无论音源的JItter如何，最终影响DAC的Jitter都是本地化的（当然严格的说，音源连线的干扰Jitter
   也有，但如果使用光纤连接，则可避免）
7、Upsampling算法实现中，需要多种数字滤波器，如：抗镜像滤波器，抗混叠滤波器等等，
   有些人习惯将其称为滤波器，也许出于这个因素。
8、Upsampling采用插值算法（Interpolation)在已有采样样本之间增加新的样本。
   新样本值是通过插值计算获得（如多项式插值，拉格朗日插值等）。也就是说新样本值不仅仅与原有的两个相邻采样值相关，
   而是与多个值相关，
   为了改变时延特性，有的转换器允许改变选择值的个数，也就是改变多项式的阶数，进而调整运算的复杂度。
   增加或减少时延。
9、同步Upsampling的实现，经过一个整数倍的L-内插，或者再级联一个抽取器。
10、而异步的Upsampling的实现，是经过一个整数倍的L-内插后，再经过一个准连续内插器（QCI）
    准连续内插器的功能，就是计算出在新的采样率时间点的采样值。
    准连续内插器的算法有FIR内插、拉格朗日内插等。
11、与大家习惯思维相反，在一定的条件下（比如下一点所述），异步采样率转换算法具有比同步更高的效率，
    也就是更小的时延。
12、同步转换，如果采用内插级联抽取，则需要很高阶数的抗镜像滤波器，抗混叠滤波器配合，造成效率更低。
13、Upsampling转换器也可以先内插，升频为目标频率的几倍后，然后再进行一次抽取，降低为所需的频率。
    以实现更高的精度。（如上条所述，在此情况下，异步的效率会比同步更高）
14、DAC内部的升频准确的叫法是（Oversampling)其方法与Upsampling不同
    仅是通过保持原有的采样值为N次，来实现N倍的升频。将噪声向高端推出，增加了DAC的性能。
    其相当于最简单的内插，与采样率转换器的内插是完全不同的，其本质上没有增加采样点。
问题点：
W1、用数字算法增加采样点是否是假的？
W2、升频是否必要？
W3、整数倍升频是否比非整数倍更好？或者简化为44.1升频为48带来什么问题？
我的看法：
1、定义什么是“假”
   定义1：如果在一个区间内，DAC发出的模拟信号与原模拟信号不同，则定义这个信号为”假模拟“
   定义2：如果在一个区间内，进入DAC的数字信号与原模拟信号数字采样数字值不同，则定义这个信号为”假数字“
2、由于CD数字信号为44.1K采样率，因此在两个采样点中间的数据是永久的丢失了。
   我们假设这两个相邻的采样点为A、B。
3、根据1、2、得出：用任何方法得出的ＡＢ之间的数字或模拟信号都不能保证，不是“假”的。
4、既然3、成立，那么定义“假”无意义。因此，定义：
5、“仿真度”：定义为与原信号（模拟或数字）的接近程度。
6、按照5 的定义，根据音乐信号的特点，可以得出“折线”的仿真度最低，其次是“三角波”，而正弦波最高。
7、折线的密集度越高（采样率越高），则仿真度越高，同样适于三角波和正弦波。
8、DAC的作用就是用模拟器件（电阻或电容）模拟AB之间的波形。
   即使是电阻形式的DAC也是利用了电容的充放电波形特性来生成新的模拟波形。
9、内插算法是以数字方式，通过在AB之间插入新的采样点，而新采样点的计算方法其实与DAC在AB之间的动作无本质区别。
10、通过增加采样点，降低了对DAC转换精度的要求，也降低了对滤波器的要求。

因此，可以得出W1结论，从“假”或“仿真度”的方面分析。
DAC+滤波器 与 升频 + DAC + 滤波器 并无不同。
只是工作的分配问题。
11、升频的益处：（1）降低对DAC的精度要求，提高信噪比（2）降低滤波器的阶数，进而减少复杂度和成本，避免“相移”的恶化。
12、异步升频的益处：（1）相比同步效率更高（2）可以实现本地时钟，隔离Jitter。
因此，可以得出W2结论,升频有必要，异步更有必要。

最后关于“整数倍同步升频”，时间关系，下次继续。

欢迎理性讨论，鄙视谩骂和无厘头。

来自远方

原帖由 原来用户名忘了 于 2009-12-26 14:19 发表
oversampling 和 upsampling的最简单直观的差别是

oversampling是倍取样,例如44.1 -> 88.2 -> 176.4是oversampling

44.1 -> 48 或者44.1 -> 96 等就是upsampling.

差不多吧。按王工的说法，oversampling 是 upsampling 的一种方式，就是你说的“倍取样”。

winxi

小弟对升频的说法只是抛砖引玉，有什么不对的地方还 请老虾们包涵。

right

对数字信号升频在其它主题中谈过观点。
看过了LZ的一楼论述，有一基本概念应说明
LZ写到“因为a：取样频率(SamplingRate)必须是大於两倍的频宽(FrequencyBandwidth)，......”

不知是LZ的转贴还是自己的看法。

抽样频率必须大于信号最高频率的2倍，而不是信号频宽的两倍。

就是说频宽和最高频率一般是不等的，一般频宽要小于甚至小小于信号的最高频率。

按频宽2倍抽样会完全可能出现频谱的重叠（当频宽小于信号的最高频率时），结果就是失真；而按2倍信号的最高频率抽样，还原时频谱不会重叠。

ricepig

对于有多次谐波的信号，最高频率的两倍足够吗？

right

当谐波的能量不能忽略时就应考虑到谐波的还原，通常考虑2次谐波就足够了；此时信号的最高频率应将谐波考虑进去。

蓝色童话

谈技术没啥意思，同样的东西用在不同人手里，出的效果差别太大。