了解DA的工作方式

[阿毛]

http://go3.163.com/~purer/show/dacic.htm

數碼=數位
模擬=類比

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Edited by - 阿毛 on 01/16/2001 16:01:17

由 阿毛 於 02/23/2002 01:56:16 修改

[阿毛]

【數碼/模擬轉換器名詞淺釋】

在制作比一專題之先，我們考慮到讀者對數碼/模擬轉換器的諸多疑惑，所以盡量搜羅一些數位音響器材身上可能會出現的專有名詞，然后以最清晰易懂的文字來說明給各位知曉，希望能在這些文字之中，讓各位對數位音響能夠有一些概略的認識。

　

數位/類比轉換晶片（Digital to Analogue Converter IC）

　

我們都知道，當數位音響在工作的時候，最后的一個程序就是將經過處理的數位訊號給轉換成人類雙耳所能聽見的類比訊號（Analogue Signal）。然而在這一個轉換過程之中，通常我們會采用兩種方式來將數位訊號還原。一種是傳統的多位元方式，另一種就是隨后才發展出來的單位元的脈沖轉換方式。當然，這一些復雜的處理過程都必須使用大型的積體電路（LSI）來完成，要不然這些處理器的體積將會大的十分的驚人。以下就將兩種工作方式分開簡略說明。

　

單位元方式：

　

所謂的單位元數位類比轉換就是數位訊號在經過多倍（CD音響的標准取樣頻率44.1KHz的倍數）超取樣的方式作取樣處理之后，再經過一個多重噪音整型程序（Noise Shaping），最后送入一個被動式的類比濾波器之中轉換成為類比訊號。大多數單位系統的轉換過程都是以PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調變）的方式來進行，然而飛利浦獨家發展的位元流（Bitstream）轉換方式卻是采用PDM（Pulse Density Modulation，脈沖密度調變）的方式來完成，這兩種處理方式一般來說無法相容。

單位元數位/類比轉換的優點是處理過程較為單純，造價低廉，而且可以不必像多位元系統一般必須很精確的要求每一個訊號位元的精確度，所以可以在一定的制作成本之內取得相當理想的轉換精確度與極低的失真度，相當適用于一般的中低價位的數位/類比轉換流系統。單位元的數位/類比轉換流程一般可以分為几大類，像是最常見的飛利浦元流方式、日本NTT所發展的MASH(Multi stAge noise Shapping，多階噪音整型)以及新興的Delta Sigma方式等几類。這些轉換晶片的工作方式雖然不太相同，但是多倍超取樣以及多次噪音型技朮的采用卻是共通的。

　

多位元方式：

　

多位元的數位/類比轉換方式是比較早被發展出來的轉換技朮。它的工作方式比較復雜，對處理過程之中的精確度要求也比較高。多位元的處理方式可以分為兩種，一種是所謂的電流加法式，另外一種則是較為常見的電阻梯型式。電流加法式的工作原理有一點兒類似打摩斯電碼一般，處理晶片之中有一組事先依2的平方根所建立的內碼，這些內碼會控制一個電流產生器，然后依處理晶片所接受到的數據控制電流產生器的接通或是斷開，就像數位資料之中的0與1一般，產生了一連串對應于原數位訊號的電流。這些電流訊號最后再經過一個電流/電壓（I/V）轉換程序轉變成電壓訊號，就可以得到逐點變化的類比訊號。而電阻梯形式就比較簡單而常見了，它就是先在數位轉換晶片之中建立一組由電阻所構成的梯形轉換網路，所謂的梯形其實就是代表了訊號的類比波形，經過取樣濾波處理后的數位訊號在送入這一組轉換網路之后就直接被轉換成一般的類比訊號輸出。

一般來說，多位元的數位/類比轉換方式對于工作流程之中的精確度要求比較高，要不然會產生比較嚴重的失真。例如在采用電流加法型的處理晶片時，若是電流產生器的瓜速度不夠快的話，那仍N產生大量的開關失真。相對的若是采用電阻梯形式的話，若是電阻排列的精密度不夠，那什T號就會成為不完美的鋸齒波，聲音的失真之大自然是無可避免。但是多位元系統若是處理得當的話，不但轉換的精確度相當高，也會有速度快、動態大的優點，所以目前几乎所有的高價系統都仍然采用多位元的數位/類比轉換系統，但是大多對轉換器的解析度、精確度及誤差等要求很高，所以造價也不便宜。目前較為常見的多位元轉換晶片有美國的Ultra Analogue 20400、Burr Brown PCM63P以及Analogue Device 1862等几顆，當然還几顆較為特殊的日本制D/A晶片，這些我們會在下文介紹。

　

數位接收晶片（Digital Receive IC）

　

當數位轉盤將CD片中所燒錄的訊號以光學方式讀取而出之后，經過一組解碼IC的轉換，成為一組包含音樂資訊及時脈訊號的數位資料。這些數位資料在經過CD轉盤上的各種輸出介面（諸如大家相當熟悉的75歐姆同軸式RCA、AT&T玻璃光纖、日本EIAJ的Toslink塑膠纖、BNC、專業的110歐姆AES/EBU平衡式，甚至還有Theta所獨有的Single-Mode單模式光纖）之后以一種制式的S/PDIF（Sony/Philips Digital Interface Format，新力/飛利浦數位介面格式，這是在數位音響發展之初，荷蘭的飛利浦及日本的新力所協議商定的一種數位訊號傳輸方式，音樂訊號是和時脈訊號混合在一起而被送出，在到達數位/類比解碼器的時候才又被分開處理）方式經過同軸導線或是光纖的傳輸而送達數位/類比轉換器的輸入介面。拉收晶片就是在數類轉換器的最前端把關，負責數位訊號的接收及鎖定的一塊重要晶片。經由數位接收晶片的接收-偵測并鎖定之后，混合著音樂資訊及時脈訊號的數位訊號才能進入數類轉換器的處理程序。一般的接收晶片大多可以自動偵測數位訊號的頻率，然后加以鎖定，像是一般衛星解碼器A模式的32KHz訊號、CD轉盤的44.1KHz訊號以及DAT、DCC工作所需的48KHz等取樣頻率，對一般的數位接收晶片來說都不會有什什t合上的問題。但是值得注意的是，數位接收晶片的品質造成相當大的影響，像是近年來最熱門的話題Jitter（時基誤差）的存在，若是接收晶片的品質及精確度足夠的話，先前混在數位訊號之中的Jitter就比較不會有再惡化的現象。常見的數位接收晶片有美國Crystal的CS8412、Ultra Analogue的AES20，此外還有日本的YM3623B等。

　

數位濾波（Digital Filter）

　

數位濾波這一個部分對于數位音響的工作流程來說，是一個非常重要的部分。所謂的“濾波”就好像濾泡式咖啡之中的濾紙一般，它可以將咖啡之中的殘渣濾除，然后留下純淨的咖啡以供飲用。數位濾波器的工作原理也是一樣，它是利用一個經過預設的處理程序來將某些不須要的訊號給濾除，只留下后續處理所需要的訊號資料，以避免這些多余的訊號對后續的處理程序產生干擾，一是多倍超取樣（Over Sampling），另一個就是雜音整形（Noise Shaping）。所謂的超取樣就是增加取樣頻率之中的取樣過程，使得取樣頻率更寬。這樣子做有什丹n處呢？其實很簡單，就好像篩選黃豆一般，若是你想要找到一百顆完整的黃豆的話，從一萬顆黃豆之中來找要比你從一千顆黃豆之中去找要來得容易。當初在制定數位音響的工作模式時，由于廠家們認為數位音響的工作頻段上限只須到達20KHz就足夠了，所以就將取樣頻率給設定在44.1KHz。但是后來的人才慢慢發現，這一個受限的取樣頻率其實就是數位音響聲音呆滯平版、缺乏空氣感的元凶，于是就發展出提升取樣頻率的方法作為改善音質的手段。取樣頻率的提升通常是以44.1KHz的倍數而為之，四倍就是176.4 KHz，八倍則是352.8 KHz，以此類推。將訊號經過多倍超取樣之后再作處理的確可以改善訊號還原后的品質，但是如此也引發了另一個問題，那就是負責運算處理資料的部分要更加的精密，處理速度也要更快，要不然必定無法將這些資料處理妥當，造成失真。所以并不是取樣倍數越多就越好，這還要看處理器的運算能力夠不夠才行。在這里最好的例子就是美國EAD的DSP-7000數字/模擬轉換器，這一部轉換器的內部有四倍與八倍超取樣的切換選擇，根據大多數用家的使用經驗顯示，似乎還是以四倍超取樣的時候聲音較好。

在這個部分就是各Hi-End廠商大出奇招的地方了，撇開一些運用現成晶片的廠商不談（因為其數碼濾波部分的處理程式已經是內建，運算能力已定，無法改變），某些廠商為了要求最精確的聲音表現，特地引進了先進的DSP（Digital Signal Processing）方式來改進處理器的運算速度。所謂的DSP方式其實并不復雜，它就是運用獨立的處理器來處理數位資料，而通常這一個處理器是必須由軟體程式來驅動，所以各廠商就可以自己在一片可改變程式的只讀記憶體晶片（Erasble Programable ROM，EP-ROM）上寫入獨家的驅動程式，然后驅動處理器工作。通常會運用在數碼濾波方面的微處理器大多是Mortorola的DSP56001，這個處理器的運算能力相當強大，就像一部微型電腦一般，只要驅動程式夠優秀，它的處理能力是相當驚人的。DSP方式的數碼濾波器的處理精確度高、速度快，唯一的缺點當然就是成本非常高，無法很普及的運用在所有價位的數碼轉換器身上。目前也只有几家Hi-End廠商如Theta、Wadia、Vimak以及Krell等几家愿意且有能力如此大費周章的運用這種數位濾波技朮，大部分的廠家在考慮了研發成本及制作成本之后，大多還是采用了現成的數碼濾波晶片。像是日本NPC的5803、美國Burr Brown DF 1700等几片，都是一般數碼轉換器中常見的濾波晶片。不要以為使用現成晶片的系統就比較落伍，這要牽涉到釵h部分的配合問題，Mark Levinsin的No.30僅采用NPC的5803就是一個好例子。

　

類比濾波器（又稱低通濾波器Low-Pass Filter）

　

多位元系統在經過數位/類比轉換的程序之后，必須以一個含有特定斜率（Slope）的濾波器將處理器在超取樣過程之中所產生的周期性倍頻訊號（如88.2KHz、176.4KHz等）給濾除，只留下我們所須的訊號，要不然這些衍生而出的高頻頻濾帶將會使得必v放大器過荷，并干擾了正常的訊號品質。

　

電流/電壓轉換（I/V）

　

前面我們曾經說過，數位資料在進入數位/類比轉換晶片之后就會產生一連串對應于原類比訊號的電流脈沖。這些電流脈沖必須再經過一個轉換的程序將這轉換為電壓訊號，才能夠被子完整的還原成類比訊號，并進入一般擴大機的放大線路作訊號放大。這一個轉換程序在一般的數類轉換器之中大多是以運算放大器（Operational Amp，也就是俗稱的OP Amp）來完成，取其構造簡單且工作狀態穩定之優點。但是也有釵h廠家認為這一個部分非常的重要，單用一個運算放大器來完成整個轉換程序的話可能不太夠理想。所以有些廠商就在這個部分用上了重料，像是全由晶體構成的放大線路、重量級的電源供應等，有的廠家甚至還用上了真空管來作訊號放大或是緩沖的工作。

　

去加重（De-Emphesis）

　

早期的CD唱片在制作的時候，為了改善高頻部分的延伸和噪訊比，所以就在制作母帶的時候先以壓縮的技朮將一些高頻的雜訊混入訊號之中，然后在還原成類經訊號時就以一組調解線路來將之還原，并濾除那些后來加入的高頻雜訊。這一種先將聲音壓縮處理然后再加以還原的技朮就如同卡帶的杜比噪音衰減線路一般，對于改善聲音的噪訊比的確有效果，但是也會帶來一些副作用，例如動態受限或是音質劣化等。近年來由于數位錄音的技朮大大進步，工作母帶也大多改用全數位方式來制作，因此几乎已經不再需要運用此種技朮就可以獲得相當高的聲音品質及噪訊比，所以近年來已經很少有CD唱片運用此種技朮來制作，備有去加重線路的數位處理器也一天比一天的少。

　

相位轉換（Phase）

　

在將錄音母帶轉換成數位母帶的時候，常常會由于工作人員的疏忽而使得錄音之中的相位發生錯誤，而產生相位的誤差。通常在數位唱片之中所發生的相位誤差都是反轉180度，這就好像把幻燈片給翻轉來看一般，整個音場之中的音像都會產生渙散的現象，低頻也會變得松散。這種現象可以透過轉換器身上的一個相位反轉開關來改正，使得相位恢復正常。

　

數位音量控制（Digital Volume Control）

　

近年來由數位音響科技之中所衍生出來的一種周邊技朮。所謂的“數位音量控制”是指機器的音量是透過一組軟運算程式來直接衰減控制，而非透過傳統的類比式電位器而為之，如此可以確保訊號的的解析力及噪訊比，不會受到音量電位器的污染。數位音量控制技朮大致上有三種，第一種就是以軟體運算的方式計算出在某音量的狀況之下所需要的衰減值，然后再策動一組音量電位器或是音量IC來將音量衰減，基本上其工作區間還是在類比的部分，很多號稱數位音量控制的前級擴大器就是使用這一種方式。另一種數位音量控制就比較復雜了，它通常也是使用一組運算軟體來計算出所需的衰減值，然后再通知轉換器之中的類比放大部分（也不是I/V轉換部分，因為這一種控制方式大部分式出現在數類轉換器的身上），直接在這里用音量IC以衰減增益的方式來進行音量調節。這種音量調整方式的音雜較少，但是由于I/V轉換的過程對于數位系統的解析力有著決定性的影響，通常輸出衰減几個dB其解析度就會下降一個Bit。所以在運用此技朮作音量衰減的時候，必須很注意解析度的問題，尤其是電平極低時候，要盡量避免使解析力低過標准的14位元解析力。最后一種方式是全數位式，它是先將輸入訊號經過一個類比/數位轉換器（A/D）轉換成數位訊號，然后在透過運算軟體控制訊號的衰減度，最后再還原成類比的訊號。這種方式所受的干擾很小，但是同樣要注意到解析力的問題，還有A/D及D/A部分的品質也會影響聲音的表現。

　

數位介面處理器（Digital Interphase Processor，簡稱DIP）

　

這是一種置于數位轉盤及數位轉換器之間的處理器，可以有效的改善數位音響的音質。其實DIP的工作原理很單純，它就是利用一組主動式的處理線路來重新處理數位訊號之中的時基內碼（Time base），并防止訊號中的Jitter（時基誤差）有再惡化的現象，是一種相當有效的數位處理器材。


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