关于高分辨率音频系统的发展分析

我们熟悉生活中的各种声音。当我们放松时或在旅途中，会使用家里或者车里的各种播放器和个人设备来收听我们喜欢的音乐。音乐伴随着我们成长，而且我们也将音乐视作生活的一个重要组成部分，共同的音乐喜好，把我们和朋友、家人联系起来，我们一同欣赏，一同跳舞，一同歌唱。

从黑胶唱片到如今的数码录音，音频技术已经经历了较大的变化。时至今日，很多人都见证了这个无所不在的技术在品质、便利性以及普及性方面的重大发展。

追溯历史

尽管也存在其他更早的音频采集技术，但黑胶唱片是第一个广泛使用的技术，并且持续时间超过了一个世纪。它提供了相对简单的音频捕获流程，不过播放带宽、音量、清晰度和分辨率都较为有限。可用带宽主要由转动速度决定，而转动速度则依不同国家而异，主要基于同步电机和电源线频率。录音装置甚至还具备一定的可移动性，这一点我们可以从1916年Chief Blackfoot（见图1）的早期记录看出。

图1：早期的黑胶唱片和回放技术，早于麦克风、放大器和电机出现。

来源：维基百科

记录的保真度与转速相关，主要转速分为每分钟78转、45转和33 1/3转。在黑胶唱片之前，也使用了几种其它材料，例如虫胶漆、玻璃和铝，但最终黑胶唱片成为了大众的主要音频媒介。（一个有趣的备注：黑胶唱片最初被吹捧为牢不可破。）

尽管黑胶唱片可允许多次录制记录单声道音频，但也带来了一些音频质量问题，如爆声，嘶嘶声和划痕，这可能导致记录的音频出现跳跃现象。但是，黑胶唱片易于购买、储存和使用，播放器也相对便宜，这是第一次为大众提供了真正的录制音乐。

早期的黑胶唱片是机械式而非电子式。最早的是无马达基于动量的固定转速旋转器，并且没有麦克风，没有晶体管，没有胆管，也没有放大器。不过电子技术的开发和发展永远改变了这一切。

下一代记录媒介——磁带

磁带大大地改变了唱片业。在纤维素化合物涂上氧化铁，这种物质组成的磁带紧贴着一个记录头走过，创建能够被擦除和重新记录的声音备份。磁带几乎作为唯一的捕捉和记录专业音乐和音频的媒介已经存在了几十年，并且目前仍然有模拟音频发烧友在使用。

但磁带也会导入误差。因为这种塑性媒介的拉伸以及压缩会导致磁带出现失真和抖动问题。此外，保真度受限于磁带传送速度，使用英寸每秒来度量。然而，磁带也带来了一些创新，如立体声、配音和多音轨。

早期的开盘式录音磁带占据并持续主导了专业音频领域。对于普通大众，则引入了盒式录音带和八轨音带系统。这些磁带便于使用，价格低廉，并且可以配备一个记录标签，从而防止音频被抹掉。尽管如此，高保真受限于磁带速度，最终更高奥斯特评级的DAT磁带可以捕捉非常高的带宽并回放更高频率的波形。

更佳的技术——数字记录

当模数转换器可用于捕获波形以及数模转换器可用重建这些音频时，人们便进入了音频记录的数字新时代。通过使用麦克风、滤波器和微控器，可以采样音频并进行存储。这一过程并不牵涉任何物理移动部件（除了麦克风和扬声器膜片）。

数码录音消除了机械运动导致的磁带失真和抖动，也避免了黑胶唱片物理媒介缺陷导致的爆声和咝咝声。但正如其它任何技术，这里也存在着权衡。

不同于机械模式下移动速度是限制主因，数字技术中频率分辨率取决于采样率，并且动态范围取决于总线宽度。标准采样速率应用于各式应用中（见表1）。采样率直接影响再现波形的精度。此外，模数波形的数字本质生成了一个带有尖锐基波频率转换的阶梯波形，这也导致了失真现象（参照图2）。特殊过滤器可以减少失真。

图2：虽然抗矩齿滤波器净化了模数输入端信号，数模输出端也需要一个滤波器来补偿可能导致带外噪音和失真的尖锐梯形转换。

来源：维基百科

同步数字采样捕获的输入数据也会出现采样率相关失真。奈奎斯特采样定理表明，采样频率必须至少两倍于你想捕捉和/或再现信号的频率。任何周期性波形具有一个向上的电压摆幅和一个相应的负电压摆动。为了捕获了合理的可重现信号，你需要在高点和低点采样以获取整个电压摆幅。如果采样时隙无法与最大频率的高峰和低谷同步，你将无法在数字域中真实重现模拟波形。这就是为什么更高采样率可以提升捕获数据精度的原因。

音频爱好者可以辨别出欠采样时的带宽受限效果，并且认为采样率过低时，即使它们满足奈奎斯特采样定理，实际波形呈现的丰富谐波将会缺失。这就是为什么更高的采样率正将极限推进至超声波区域，这时物理上基本上听不出任何损失。

由于半导体技术的进步，更小的工艺线宽带来位宽更大的模数和数模转换器，并且它们的速度可以更快。使用的采样率五倍于最低奈奎斯特极限的现象并不少见，这可以更好地捕获和再现波形，同时生成更大的动态范围。采样位宽在32位甚至更高的情况也并不少见，采样宽度越宽，动态范围越大（参见图3）。

图3：动态范围决定响度步进分辨率，并直接受到模数转换器分辨率的影响

来源：Soundbooth CS4/ CS5/数字音频

模数和数模转换器的架构也直接关系着动态范围。早期的低分辨率模数转换器可以使用闪存转换器技术，提供8位左右的较快采样。由于分辨率每增加一位需要将电路元件的数量提升一倍，这种做法无法适用于早期线宽较大的半导体工艺。

随着半导体速度的增加，逐次逼近型架构通过使用采样和保持来提供音频范围内的位宽更大的转换总线。随着工艺尺寸的微细化，使用闪存转换器技术来实现10、12、16和18位分辨率又变得可行。现代的24位转换器可以使用各种新型和改进结构，比如过采样，采样率每秒192K已成为新的高端音频标准。

影响从输入到输出音频质量的另外一个因素是数字流水线内实现的编解码器类型。编解码器（CODEC，源自COmpresor-DECompressor，压缩-解压）对数据流进行编码以进行传输或者存储，采用的压缩技术可以是有损的也可以是无损的。显而易见的是，有损编解码器效率更高，但不会完全重现原始波形。