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[音响] 数位流的DSD与PCM之争

对于数字流音乐玩家而言,「DSD」绝对是近期最吸引目光的焦点;因为,近来有越来越多USB或无线网络DAC打着「能解DSD」的旗号,而且其中不乏参考售价仅新台币三万元左右(或更低)的「平价机种」(以Hi-End音响而言),这股风潮甚至延伸到家庭剧院领域,Pioneer去年九月底发布的旗舰环绕放大器SC-LX86之USB输入就可对应2.8224MHz/1bit的DSD数字音乐文件播放。
由于先前DSD数字音乐文件播放功能,最早只出现于极高价位的数字模拟转换器(例如最早推出DSD数字讯源器材的emm Labs(相关阅读:《EMM Labs:DSD/SACD数字技术先驱》),2010年年初正式推出的dCS Debussy与去年上市、参考售价超过新台币五百万元的新旗舰dCS Vivaldi系统(相关阅读:《dCS、Antelope新品亮相2012香港高级视听展》),以及2011年Playback Designs所推出的MPS-3等3系列产品),因此近期推出的中低价位数字流DAC都「不约而同」将DSD解码对应作为强力卖点,一时之间彷彿DSD解码才是王道、DSD数字音乐文件播放肯定优于多位元方式,事实果真是如此吗?抑或只是商业行销手法?这就是本文要探讨的重点。

DSD是Direct Stream Digital的缩写,是Sony与Philips推出SACD时运用于其上的脉冲密度调变(pulse-density modulation)编码技术,通过单位元(0或1)序列以音乐CD 44.1kHz的64倍的频率(即2.8224MHz)取样,意图将过往多位元量化不精确的噪音及失真误差降低到一个位元以内。(相关阅读:《KORG MR-1 微型数码录音机测评与DSD播放器前瞻》
其实,DSD与多位元PCM之间的争战并非近日才发生,早在二十多年前1991年SACD与DVD-Audio音乐光碟推出时就已开打,只不过由于Sony与Philips封锁SACD唱盘的原码数字输出,直到近一、两年才有2L等唱片公司推出DSD数字音乐下载,再加上DSD数字音乐文件通过电脑播放的「先天缺陷」,让DSD数字音乐文件之数字流播放,比起多位元音乐文件晚了数年才全面啟动,因此两者之争才在近期浮上台面。支持DSD数字流播放的玩家看到这里,肯定会大喊:「什么?DSD在电脑播放有“先天缺陷”?」先不要激动,请看看dCS公司对DSD音乐文件通过USB播放的说明(请见这里),或者台湾知名专业音乐制作公司「MidiMall米地摩尔」官网的中文剖析内容,就可以清楚理解。
简单地说,包括USB介面在内的个人电脑可说是多位元PCM的「领地」,USB Audio 2.0的声音定义只有PCM,苹果电脑的Max OS X的USB驱动程式及中央声音处理引擎CoreAudio也只支持PCM,于是DSD数字音乐文件要通过个人电脑播放,就必须通过「伪装」方式封装在24bit/176.4kHz的PCM串流里,通过USB传输称为DoP(DSD over PCM)、通过乙太网络则为DoPE(DSD over PCM Ethernet),其做法是将DSD的音乐资料摆放于24个位元里较低的16个位元,前面的8个位元则纪录是DSD或PCM串流的标记,如此一来数字模拟转换器辨识之后,只要能对应24bit/176.4kHz的PCM解码,就可对「隐身其中」的标准64fs DSD(64倍于CD取样率)音乐文件解码播放,至于两倍资讯量的128fs DSD数字音乐文件,则只要数字模拟转换器解码能力在24bit/352.8kHz以上就可对应。

这是「MidiMall米地摩尔」官网对于DSD音乐信号如何嵌入封装在PCM多声道串流里的说明图,目前无论经由USB或乙太网络介面播放DSD数字音乐文件,都需要通过如此的手法。
说到这里,各位应该已能理解为何最近中低价数字模拟转换器产品,支持DSD解码者如雨后春笋般接连冒出来了吧?那是由于先前DoP或DoPE只有具备自行撰写数字解码程式能力的高阶厂商(例如前述的dCS、Playback Designs及emm Labs等)才有办法提供,直到去年一些内建DoP对应的192kHz/24bit DAC芯片出现后,中低价位DAC方能以简便廉宜的代价,支持DSD数字音乐文件通过USB或乙太网络传输,也因此造就了「DSD高解析音乐档及解码播放,可带来至高传真音乐重播」的印象。然而,真的是如此吗?
按一下计算机,64fs DSD取样率是64倍于音乐CD 16bit/44.1kHz的2.8224MHz,因此资料量相当于多位元PCM的16bit/176.4kHz。换句话说,纯粹以记录资讯相比,单位元DSD的2.8224MHz与多位元PCM的16bit/176.4kHz是相当的,那我们是否可认定比16bit/176.4kHz更高的多位元PCM音乐文件(例如16bit/176.4kHz、24bit/192kHz甚至24bit/352.8kHz),就一定比64fs DSD更优呢?
当然不行!这就好比数字相机更高的成像解析度,并不等同于更高画质的保证一样,在画面构成画素的多寡之外,还有色域宽度、色彩纯度、对比层次、背景杂讯、镜头光学品质等影响画质的因素;就数字音乐文件而言,记录资料量大小当然也无法直接拿来评断数字音乐整体表现之优劣,即使以同样的格式编码,不同的原始录音依旧有高低之分,这是在录音师一开始将音乐收录至母带时就已决定了。另一方面,即便是同一曲目的64fs DSD、128fs DSD或24bit/192kHz PCM数字音乐文件,交给各个品牌相对应之DAC解码播放,最终所得到之音乐重播表现,还是与各DAC器材的整体素质(包括电源、机箱、抑震、解码、模拟电路等)有密切关系,各位千万不要再有「DSD=赞」的错误迷思!
事实上,追到源头的专业录音业界,也有专业录音师对DSD有所质疑,而加拿大滑铁卢大学(University of Waterloo)的教授Stanley Lipschitz和John Vanderkooy更主张DSD的单位元转换并不适合高阶音讯运用,为此他还在美国音频工程师学会(AES,Audio Engineering Society)发表了一篇研讨会论文撰述(请见这里)。2012年德国慕尼黑音响展会场「高解析度:数字音乐的未来」讲座实况。
此外,「纯正DSD」录音的市佔率远低于多位元PCM录音、DSD母带必须制作成PCM格式、DSD在高频段有抖动噪音(dithering noise)与动态范围表现,都是DSD所要面对的问题,不信吗?2012年德国慕尼黑音响展会场,有一场「高解析度:数字音乐的未来」讲座(见上图),邀集了Antelope Audio(顶尖DAC品牌)总裁Igor Levin、挪威2L唱片公司创办人Morten Lindberg(录音制作人、音色平衡工程师)、HighResAudio高解析音乐下载服务网站的Lothar Kerestedjian及Manger Audio(发烧平面振膜喇叭品牌)的总裁Daniela Manger等相关软硬体专家,虽然已时隔一年,但此讲座先进完整的论述仍是对高解析度数字音乐有兴趣者很有用的参考资讯。Antelope Audio将这场歷时约35分钟的讲座拍摄下来并放上YouTube网站,以下我们截取其中简报图档作重点说明,也附上完整影片播放的连结给各位参考。
Antelope Audio总裁Igor Levin演说(完整影片观赏连结:Part 1、Part 2)

多位元PCM的原理是将模拟波形取样量化,横轴代表时间、纵轴则为振幅大小,音乐CD的16bit/44.1kHz就代表每秒钟取样44,100次,每次得到的量化数值则能以16位元记录(2的16次方,也就65,536阶)。上图由右至左表示「取样频率」(横轴)及「量化精度」(纵轴)越来越高,数字化的结果也越能接近原本的模拟波形(「量化精度」由右至左分别为24bit、16bit与12bit)。

音乐CD的44.1kHz量化与约8.7倍的384kHz取样频率比较,后者单位时间取样点的数量是8.7倍,再加上纵轴有更多位元数可标记的量化数,显然比音乐CD更能完整地描绘音乐波形。与64fs DSD相比呢?「理论上」16bit/176.4kHz的PCM信号就可比拟,至于128fs DSD则相当PCM的16bit/352.8kHz,这意味著配备384kHz及高于16bit的PCM解码有更高的资讯量。

此图显示多声道PCM的取样时基误差(sample jitter),蓝色虚线显示各取样点与原波形(果绿色曲线)之误差,Igor Levin以此来强调精准数字时钟之重要性。

这是典型数字模拟转换芯片的架构,传统音乐CD的44.1kHz讯号进来,首先作的是插补升频的动作,再来是Sigma-Delta转换,接着才进行数字模拟转换动作。当然升频插补品质的好坏,跟最终数字模拟转换之后的音乐重播品质有很大的关系,为了避免升频处理所带来的失真,DSD处理的想法因此而生。

这是在前述数字模拟转换架构之前,由Sigma-Delta模组加上模拟数字转换(上图上半部左侧部分),接着由数字滤波器(Digital Filter)降频,接着再送入后续数字模拟转换程序。不过,眼尖者一定会发现先经由数字滤波器降频再插补升频之不合理,将这两个步骤去掉后,变为上图下半部红色箭头直通,就是DSD方式的处理流程,乍看似乎很理想,但实际运作却并非完全与预期相符。

Igor Levin条列说明DSD编码所遭遇的问题,其中最重要的是第三点,由于当前专业录音业界所有母带处理(mastering)设备都是PCM规格,并无法对DSD直接作处理。所以,即便最终呈现的是DSD格式,但在母带处理过程都得先转换为PCM,之后再转为DSD格式,这使得DSD去除插补失真的好处荡然无存。此外,单位元处理在高频段的噪音无可避免较高,而动态范围性能也较差。

接着,Igor Levin不免要「老王卖瓜」一番,毕竟Antelope Audio是全球率先推出达384kHz超取样处理DAC的厂家,他表示将取样频率提高到一般192kHz的两倍之后,数字滤波处理的幅度就变得非常轻微,因此也大幅降低了失真。另一方面,384kHz PCM信号完全相容所有母带处理,也很容易储存为WAV或FLAC格式,两倍细密的取样时间间格,也使其波形更接近纯粹的模拟波形。

更高的取样频率好处其实不只于此,Igor Levin表示它带来更高的极高频延伸性能、降低了DAC内部处理的失真、优化母带处理也更接近模拟原音。

对于黑胶玩家而言,Igor Levin认为有了384kHz超高取样,也是可以开始将黑胶唱片收藏开始「数字化」的时刻了,埋藏在黑胶唱片沟纹里的音乐讯息,经由384kHz ADC作模拟数字转换数字化,再经由384kHz DAC解码播放,已可相当接近原始纯粹的模拟音源。

那么,地球上有这种既能作384kHz ADC又可384kHz DAC的器材吗?有的,就是去年于德国慕尼黑音响展作全球首演的Antelope Audio Rubicon!不仅384kHz ADC与DAC全包了,它还拥有USB介面与耳扩、前级功能,更配备该厂技冠群雄的超低误差超精准原子钟(每一千年误差仅一秒),各位可点击这里查阅。
挪威2L唱片公司创办人Morten Lindberg演说(完整影片观赏连结请点这里)

接着由2L唱片公司创办人Morten Lindberg以「高解析度音乐录音」(Recording Music in HiRes)为题进行解说,2L是以高传真录音为职志的公司,他们在全球各地以高解析度录音捕捉音乐之美好面貌,上图所看到的就是2L所使用的「麦克风『树』」,多支麦克风被锁固在特殊支架上,分别在不同的高度朝向不同的方位,以完整截取录音空间内的音乐氛围。

Morten Lindberg以此图说明数字音乐文件的模拟数字转换过程,2L的原始录音是5bit/5.6448MHz格式,正如同前面Igor Levin所强调的,DSD格式无法进行母带处理,因此2L先将5bit/5.6448MHz转换为24bit/352.8kHz的「DXD」规格,方能进行剪接、混音、母带处理等动作,这是2L真正的「数字母带」,之后再处理为24bit/192kHz、24bit/96kHz或64fs DSD数字音乐文件。对了,既然2L的「数字母带」是24bit/352.8kHz的LPCM规格,为何没有处理为「整数倍」降转的24bit/176.4kHz或24bit/88.2kHz呢?Morten Lindberg表示如果为「即时转换」处理,「非整数倍」取样频率确实会比「整数倍」来得差,但由于2L处理数字音乐文件时并非「即时处理」,因此能做到两者没有分别,但由于2L认为未来高解析度音乐文件之发行,必须要与影像载体(例如现在的BD蓝光光碟)规格相容,因此以48kHz取样频率的整数倍呈现,是较为妥当的。
HighResAudio高解析音乐下载服务网站Lothar Kerestedjian演说(完整影片观赏连结请点这里)

HighResAudio是全球唯一的高解析音乐下载平台,只提供纯粹、原生的原始录音室母带档案,包括FLAC、ALAC、DXD与DSD等格式,由88kHz至384kHz的取样频率,含括古典、爵士等不同音乐类型,整张专辑购买价由16.9欧元起跳(也可选定单曲购买)。

这张简报说明HighResAudio网站概况,主力消费族群在25至54岁之间,而且各世代的分布非常平均。

HighResAudio网站成立于2011年2月,但到2012年5月旗下就有多达44个唱片品牌销售,而且Lothar Kerestedjian表示每个月都持续增加2至3个新品牌,可见高解析度音乐购买下载的风潮越来越盛。

Lothar Kerestedjian用两张图像来解说高阶析度音乐的好处,左图代表CD等级、右图则为Apple所提供256kbps AAC,两者的影像解析度与传真度,正如同两种音乐格式之音乐传真度差距。当然,素质提昇到高解析数字母带档案,就能比音乐CD有更写实传真之音乐重播。

高解析数字音乐母带档案价格很高吗?其实不然,HighResAudio网站整张专辑的售价仅比CD高出三成、与180公克黑胶唱片相当、相较SACD或XRCD便宜许多,而且高解析数字音乐母带还可单曲购买,由上面这张比较表可发现确实其售价相当有竞争力。

Lothar Kerestedjian对高解析数字音乐母带销售的前景十分看好,HighResAudio网站认为全球发烧音响迷总数在250万人以上,他们都是高解析数字音乐母带的潜在客户。

Manger Audio总裁Daniela Manger演说
Manger Audio是以特殊全音域平面振膜单元闻名的喇叭品牌(老板兼设计师Josef W. Manger耗费了十四年时间研究),他们还出版了一张音乐测试片,几乎是音响迷人手一张的发烧录音,该CD及LP封面就是以Manger单元的正面为主要图案(上图左侧,Manger测试片介绍请见这里),至于上图右侧所见到的则是Manger单元的内面。

Manger Audio总裁Daniela Manger上场时,先询问大家是否有人认为自己可听到16kHz或20kHz以上的极高频,结果在场没有任何人举手。她立即反问,那麼更高的取样频率对听感有影响吗?因为就物理学而言,96kHz取样频率音乐可得到48kHz的频宽(192kHz取样频率则为96kHz,餘此类推),人类的听觉对时间相位极为敏感,因此对20kHz以上的极高频虽然听不见,但实际上是可以感受到其变化的,最新的研究报告指出,人耳结构可分辨短至几微秒 (microsecond,百万分之一秒)的时间变化,这使得人耳可分辨音乐里的极微小变化。

这是人耳耳膜对不同高低频率的感应,越高的频率在越靠近外侧的区域。

人类的左右耳可敏锐分辨同一猝发音到达左右耳的极短暂时间差,并感受到快速起伏变化的暂态,也因此能分辨不同乐器之音色,这也是为何高解析度音乐「听起来」更接近「原音」的关键。

Daniela Manger接着将主题转到其父亲所发明、Manger特殊的「弯曲波」(bending wave)单元,上图所显示的是一般最常见的动圈式喇叭单元,由于越高的频段需要越快的暂态反应速度,因此在全频段范围必须切割为高、中、低三个发声单元,以时间相位衡量三者的发声是不一致的。

此图左上角显示输入喇叭单元的电气讯号,右上角则为人耳所听见的暂态反应曲线。比对左下角之一般三音路喇叭与右下角Manger全音域平面振膜单元,显然Manger单元更接近人耳应听闻之表现。

这是Manger「弯曲波」(bending wave)平面振膜单元的侧面结构图,其圆形振膜是多层不同厚度的「三明治结构」,靠近中央的部分较薄、用于发出高频,中间一圈较厚一些用于中频,至于外侧最厚的振膜则对应更低的频率。

这是Manger平面振膜全音域单元发出不同频率时,由雷射仪扫瞄其振膜震动能量之图形,可以发现所有频率都是近似同心圆的发声状况。此全音域单元涵盖由100Hz到45kHz的宽广范围,利用振膜厚薄不同的物理性「机械分音」,使其发声精准且效率极高,更可敏锐重现高解析音乐的细微暂态,只要底下再衔接一支超低音单元,就可完整重现完整频段的音乐讯息。
总之,要得到良好的高音质音乐重播,从音乐载体或档案本身、播放讯源、放大器、喇叭到连接各组件的线材,环环相扣、全都必须用心呵护关注,即使同一格式数字音乐文件以不同讯源播放,也会得到不一样的音乐重播表现。看完以上的说明,您还会认为DSD编码就是「绝对好声」的同义词吗?器材本身的素质实力,以及用家对音响系统所投入调整的用心程度,应该才是好声与否的关键!


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原子钟都上了真是震惊,虽然淘宝上拆机的也才几百好像

你们的生物钟误差这么大,怎么办



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大部分人用DSD只为了比44.1的APE/FLAC强罢了


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箱子动不动就是百分之几的失真

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只恨人耳不如人眼敏感,不然哪这么多玄学

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posted by wap, platform: 小米5
早在二十多年前1991年SACD与DVD-Audio音乐光碟推出时就已开打。
91年?搞没搞错

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引用:
原帖由 anime 于 2018-6-26 10:53 发表
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箱子动不动就是百分之几的失真
后面说的那些相位的分辨力纯粹就是烧箱子烧屋子烧空间了

但是有个问题,发音单元作为一个大电感(有些可能是大电容?),动态电压轰进去,电流波形是有滞后的,不同尺寸的单元滞后也不一样,这不是什么玄学,示波器就能看出来,也就是某个“时间帧”解码出来,通过各种方式分发给低频单元 高频单元,这个“帧”的震动信息部分从低频单元出来,部分从高频单元出来,到达人耳的时间理论上是不一样的,你们可以理解成看片的外挂字幕时间轴错位

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引用:
原帖由 asdqwe 于 2018-6-26 11:06 发表
posted by wap, platform: 小米5
早在二十多年前1991年SACD与DVD-Audio音乐光碟推出时就已开打。
91年?搞没搞错
DVD-AUDIO应该是95年的之后的事了,SACD我见过一张,具说CD机与SACD机都能播放。前两天买了台SONY A45,调节均衡器时发现增减1.6KHZ的音频我是没有感觉,看来可以愉快的退烧了

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原帖由 @gdx2840  于 2018-6-26 11:39 发表
DVDAUDIO应该是95年的之后的事了,SACD我见过一张,具说CD机与SACD机都能播放。前两天买了台SONY A45,调节均衡器时发现增减1.6KHZ的音频我是没有感觉,看来可以愉快的退烧了
SACD机器向下兼容CD,一般的CD机播放不了SACD。
现在好点儿的蓝光机大多能播放SACD。
另外,SACD没有盗版。

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这玩意我看是唱片/数字音乐+器材业刺激销量弄出来的新增长点而已。
真能听出这些格式和cd区别的有0.1%的人吗?
何况绝大部分人用的就是普通器材,所谓发烧友能玩高端器材的时候大多都到了听力水平下降不少的年纪了。17k以上的音很可能都听不到,还谈什么dsd。
满足心理因素的玄学

本帖最后由 Sanguinius 于 2018-6-26 12:57 通过手机版编辑

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原帖由 雾桑 于 2018-6-26 11:43 发表
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SACD机器向下兼容CD,一般的CD机播放不了SACD。
现在好点儿的蓝光机大多能播放SACD。
另外,SACD没有盗版。
我记得当年的无线电与音响杂志上说CD机可以播放SACD ,特意查了下SACD的格式:双层可以
SACD目前有两种形式,一种是纯粹的SACD,除了专用的SACD播放机之外,和任何一种播放器材都不兼容。还有一种复合盘式的SACD:下层是SACD信号,上层是普通CD(典型的单面双层式CD),这种复合盘的SACD在普通CD机上就可以播放,但只读上层的信号。

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引用:
原帖由 @Sanguinius  于 2018-6-26 11:51 发表
这玩意我看是唱片/数字音乐+器材业刺激销量弄出来的新增长点而已。
真能听出这些格式和cd区别的有0.1%的人吗?
何况绝大部分人用的就是普通起床,所谓发烧友能玩高端器材的时候大多都到了听力水平下降不少的年纪了。17k以上的音很可能都不见得听得到,还谈什么dsd。
满足心理因素的玄学
没发觉推Hi-Res 最最起劲的是索尼吗?
而人家正好是从头到尾一条龙受益者

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楼上+1   老爷子烧了40多年  现在就买个三诺小喇叭听个声了

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引用:
原帖由 @gdx2840  于 2018-6-26 12:03 发表
我记得当年的无线电与音响杂志上说CD机可以播放SACD ,特意查了下SACD的格式:双层可以
SACD目前有两种形式,一种是纯粹的SACD,除了专用的SACD播放机之外,和任何一种播放器材都不兼容。还有一种复合盘式的SACD:下层是SACD信号,上层是普通CD(典型的单面双层式CD),这种复合盘的SACD在普通CD机上就可以播放,但只读上层的信号。
sacd就是索尼和飞利浦竞争650nm红光光盘失败的mmcd而来,其采用1.2mm保护层结构。而成功者就是东芝使用0.6mm保护层结构的sd也就是大家所熟悉的dvd。

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这种高端的音频有2个特点
1是需要集中注意力才能听出高分辨率的声音区别
2是高分辨率的声音反而不一定有普通的好听。人耳和人脑很奇怪的

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