转--比PCM更牛！DSD格式和PCM格式粗略解读另带SACD知识

全中文说明书 · 发表于 2013-4-12 12:57

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转自--中国原创音乐基地
数字音频格式PCM和DSD!
PCM脉码调制数字音频格式是70年代末发展起来的，记录媒体之一的CD，80年代初由飞利浦和索尼公司共同推出。PCM的音频格式也被DVD-A所采用，它支持立体声和5.1环绕声，1999年由DVD讨论会发布和推出的。

PCM的比特率，从14-bit发展到16-bit、18-bit、20-bit直到24-bit；采样频率从44.1kHz发展到192kHz。到目前为止PCM这项技术可以改善和提高的方面则越来越来小。只是简单的增加PCM比特率和采样率，不能根本的改善它的根本问题。其原因是PCM的主要问题在于： 1）任何PCM数字音频系统需要在其输入端设置急剧升降的滤波器，仅让20 Hz - 22.05 kHz的频率通过（高端22.05 kHz是由于CD 44.1 kHz的一半频率而确定），这是一项非常困难的任务。2）在录音时采用多级或者串联抽选的数字滤波器（减低采样率），在重放时采用多级的内插的数字滤波器（提高采样率），为了控制小信号在编码时的失真，两者又都需要加入重复定量噪声。这样就限制了PCM技术在音频还原时的保真度。

为了全面改善PCM 数字音频技术，获得更好的声音质量，就需要有新的技术来替换。近年来飞利浦和索尼公司再次联手，共同推出一种称为直接流数字编码技术DSD的格式, 其记录媒体为超级音频CD即SACD，支持立体声和5.1环绕声。

DSD音频格式简化了信号流程，去掉了PCM使用的多级滤波器，将模拟音频直接以2.8224MHz的高采样频率，按1-bit的数字脉冲来记录。虽然DSD格式表示的声音信号是数字化数据，但是它又与真正的声波非常接近，可完整的记录当今最佳模拟系统的信息。最好的30ips半英寸模拟录音机能记录的频率能超过50KHz，而DSD格式的频率响应指标为从DC到100KHz。能覆盖高级模拟调音台的动态范围，通过其音频频段的剩余噪声功率，保持在-120dB。DSD的频率响应和动态范围，是任何数字和模拟的录音系统无法与之比拟的。从声音的质量上来说, 数字音频技术是为了接近模拟声音的质量。DSD音频格式的发展将更有利的与模拟音频系统配合

为何DSD音频格式是最好的数字音频格式
2001年AES 110年会的报告指出DSD是最好的音频格式选择。
环球, EMI和Virgin也新加入了索尼和飞利浦的SACD/DSD的行列，除了华纳之外，几乎所有大唱片公司都支持SACD/DSD的格式。
当前还没有真正的直接24/192kHz录音，仅仅是从24/48kHz录音转换的。真正的DVD-A出版非常少，目前还没有这种格式的市场。而在北美已超过400多版的SACD的出版，并且继续在发展。
按照Stereophile（在北美高档音频杂志）的最新统计指出有高达30%的读者表示将在2001年底加入SACD的行列，或者在明年初有31%的读者加入此行列。而DVD-A的百分比是12%。当问及读者支持哪一种格式时，回答是SACD。
几乎所有主要的DVD-A与SACD格式的试听评价中，都由SACD取胜。这包括Stereophile、 Absoulte Sound 、Surround Sound Review和Widescreen Review音频发烧杂志以及如Bob Ludwig那样的，对录音工业有非常影响的专业工程师。
在今后若干月有几个发展动向，将会有新的芯片出现可同时播放SACD和DVD-A格式，这将被用到新的DVD播放机中。主要的问题是这种多功能的芯片要兼容多格式对解码的音频质量不会太好。
除了音质方面的改善外，SACD的另一个关键要点是有完善的防盗版保护方式，在SACD上同时有可见和不可见的水印，SACD播放机要读到水印才能工作。
SACD具有SACD和CD两层，仍旧可以汽车里的CD中播放，而DVD-A则不行。
对音乐存储媒体来说，74分钟的容量是十分重要的。4.7 GB 的SACD能存储74分钟DSD 8个通道（ 2通道立体声和DSD 6通道的环绕声）。采用了一种被称为直接流数字转换（ Direct Stream Transfer）无损编码方式的飞利浦技术。这种无损编码可节省50%的存储空间。 DVD-A采用的是一种被称为MLP无损包装（Meridian Lossless Packing ）的编码技术。4.7 GB 的DVD-A 能存储55分钟20 bit,192kHz PCM 6通道的环绕声。这种无损编码可节省35%-50%的存储空间。

三、DSD的应用范围
DSD的脉冲序列可以直接下转为传统的PCM数字音频。目前在PCM和DSD共存的期，采用DSD下转运算技术，可以尽量保证音频信号的质量，消除内部重复量化错误，抑制波动，将混淆误差控制在最小。将DSD比特流下转为16-bit/44.1 kHz数字音频，直接记录在普通的CD上，可使16-bit的数字音频接近20到24-bit的精度，使得16-bit的CD尽可能的保持DSD的音质。
DSD选取2.8224 MHz高采样频率，其优势是可高精度的按整数的乘法和除法下转当前所有PCM采样频率。以DSD格式记录既能保证音频质量，又能通过下转满足不同的应用和要求。除了用于音乐录音外，也适用于影视的音频制作，最终合成的节目可通过下转，用来传输或记录在媒体上，如5.1的节目需要进行AC-3或DTS的编码。DSD音频格式与现有的音频设备配合，不仅仅可以改善当前节目的音频质量，而且对高清晰数字电影和高清晰数字电视的音频是一个极大的支持。
DSD是理想的节目素材存储格式，用于母版的保存或数据库的建立。DSD的采样频率是CD的64倍即2,822,400 Hz。但是DSD每个采样仅占用1 bit，因此每个通道每秒的比特率为1 x 2,822,400 Hz或 2,822,400 bits。而CD每个采样占用16 bits，因此每个通道每秒的比特率为16 x 44,100 Hz或705,600 bits。实际上，DSD总的数据流只大于普通CD的4倍，数据量可以被当前的磁带和硬盘容纳。
DSD也是保存节目的理想格式。各国音响资料馆都面临着一个共同的问题，磁带只有30年的保存期，而每种版权则有100年的保护。选择哪种方案可将原始资料较理想的保存下来？这个问题一直得不到解决的方案，而资料越积越多，部分老化的资料已无法恢复。直到SACD的出现，美国国会所属的国家档案馆首先决定采用。
DSD的录音制作与传统的录音制作，对设备和技术上没有重要的区别。需要增加的是DSD的模数/数模转换器和DSD录音编辑工作站，不少录音棚已经采用高级模拟调音台和现存的PCM录音设备成功的进行了DSD的录音。飞利浦发展了一种DSD录音技术的P3D的转换格式，即可以将64 DSD bits描述成3 x 24-bit AES-EBU数字节，有可能将一台24轨/24-bit 44.1 kHz PCM录音机改变成为一台8路的DSD录音机。
DSD编码格式有利与高级模拟音频系统配合；包括5.1环绕声的AC-3和DTS合成和编码；具有全套的不丢帧同步能力，支持电视、电影以及目前市场上唯一支持高清晰电视HDTV Trilevel的声音同步。再加上所有的 VITC 及LTC设置，可锁定于任何视频或音频设备。
索尼和飞利浦和公司证的DSD系统，有以下DSD的功能：
1. 2-24 声道DSD录制及还放
2. 为DSD的多声道编辑，加上实时淡出/淡入及声音渐变效果。
3. PCM到DSD 转换
4. 实时高采样率效果器，包括混响也是基于DSD模式的
5. 可制作DSD环绕声
6. 为SACD 完整的D及E表指示，红皮书标准
7. DSD特有的高采频样滤波器

在广播影视领域大规模数字化进程中，我们已感受到音频制作手段的快速更新，工作效率大大提高，但对数字化后的音频质量，还须有更高的追求，高清晰度电视和数字电影更需要有与之相适应的高质量音频。飞利浦和索尼公司计划告别他们的多比特PCM格式，全面推广DSD格式。这不是一个偶然的，它关系到数字化音频发展的趋势，因此在数字化规划中，应当逐步将DSD技术应用于实际，真正走在广播影视数字化进程的前列。