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揭开 DSD 的神秘面纱:数字音频编码之争 DSD vs. PCM(下)

2017-10-10 15:20| 发布者: camix| 查看: 292| 评论: 0

DSD和PCM编码比较由上面的介绍就可以看出,DSD和PCM是两种完全不同思维模式的编码,而两种规格也拥有各自的优点和缺点,底下笔者将非常浅显的介绍DSD编码相对于PCM编码的优缺点。DSD编码优势1. 理论上极高的取样带宽 ...

DSD和PCM编码比较

由上面的介绍就可以看出,DSD和PCM是两种完全不同思维模式的编码,而两种规格也拥有各自的优点和缺点,底下笔者将非常浅显的介绍DSD编码相对于PCM编码的优缺点。 

DSD编码优势 

1. 理论上极高的取样带宽

标准的DSD音乐使用2.8224MHz取样频率,理论上能够记录最高到1411.2kHz〈取样频率的一半〉的声音,相较于传统CD使用的44.1kHz取样频率,这让DSD格式拥有非常宽广的取样带宽,即便和目前录音室常见的高规格24bit/192kHz PCM录音相比〈取样带宽最高达96kHz〉,DSD也拥有超过14倍之多的取样带宽。

2. 优良的动态范围〈0~20kHz〉

DSD讯号经由高频噪声整形〈noiseshaping〉电路处理,将DSD带有的高频噪声,提升到超越人耳聆听范围外的频率后,在0~20kHz的频率范围内,DSD拥有理论数据上高达150db的动态范围〈如下图〉,相较于16 bits/24 bits PCM编码的96db/144db动态范围,DSD编码理论上拥有更好的动态范围〈0~20kHz〉。

▲DSD和PCM编码比较,红色框格内代表24/96kHz PCM编码可记录的范围,橘色为24/192kHz,绿色为24/384kHz可记录范围,24bit的PCM讯号底噪坐落在记录范围之外,理论上小于-144db;蓝色线为2.8224MHz DSD在不同频率范围的底噪示意图,可以发现在大约30kHz后,DSD编码的底噪急遽上升,在接近极限频率时达到大约-6db的响度。〈图片来源:Playback Designs〉

3. 更小的音乐容量

DSD编码在储存容量上也具有一定的优势,随着音质的提高,PCM音乐的档案大小可以说是指数型成长。而DSD由于编码上的优势,在标准的2.8224MHz取样频率下,DSD的档案容量只约略超过24/96kHz的PCM音乐一些。这使得DSD不论是在储存或是网络下载,都比PCM格式来得有优势。

格式

档案大小

预计下载时间〈5Mb/sec带宽下〉

红皮书规范CD 〈16/44.1kHz〉

32MB

1 分钟

PCM 24/88.2kHz

95MB

2.6分钟

PCM 24/96kHz

103MB

2.8分钟

PCM 24/176.4kHz

190MB

5分钟

PCM 24/352.8kHz 〈DXD〉

380MB

10分钟

DSD 2.8224MHz

127MB

3.4分钟

4. 除了上列的优势之外,DSD音乐在播放时还具有无取样频率限制、直接支持DAC主要时钟和长传输距离的优点。

DSD编码缺点

上面提完DSD的主要优势,但就跟多数的规范一样,DSD也有其无法克服的技术缺点。而且这些实际操作上的缺点,反倒严重的抵销DSD上述的优势,并且在大多数情况下还产生更多的问题,底下就让笔者来介绍一下DSD编码相较于PCM编码有甚么样的缺点。 

1. 实际上较窄的频率范围

标准的DSD编码有一个先天的缺点,相较于CD规格的16bit/44.1kHz的-96db〈16*6db〉底噪来说,DSD的底噪高达-6db,这个现象在实际测量上也可以观察到〈见图X〉。DSD编码在超过20kHz的时候,会产非常大量的高频噪声,如果不将这些噪声移除,将会对后端的音响器材造成伤害。所以必定需要经过滤波技术的处理,现在的处理方式是利用噪声整形电路,将噪声移到人耳聆听范围外〈>20kHz〉。

但这也说明后续就要由低通滤波器将这些噪声移除,由Sony的规范书来看,DSD讯号必须经由一个截断点为50kHz的低通滤波电路处理移除高频噪声。这使得现实上在播放时能使用的最大频率范围,大约只比30kHz高一点点,这直接影响到DSD其中一个优势:「理论上极高的取样带宽」。为了减少高频噪声的问题,目前最新的DSD档案都使用双倍的取样频率〈DSD128〉,理论上藉由噪声整形电路,能够将高频噪声推到更高的频率范围,但实际上还是无法解决通过低通电路后实际能用的频率范围。

2. 档案经过多次格式转换

由于DSD编码是一种单位元的记录格式,使得DSD音频几乎完全无法利用现在的音讯设备来编辑,因此在音乐后制的时候,DSD音讯还是必须被转换成PCM音讯来编辑。目前的DSD音乐编辑模式,是先将DSD转换成Digital eXtreme Definition〈DXD〉格式,DXD本质上就是352.8kHz/ 24bit的PCM编码音频,等后制和音乐编辑完毕后,再转换为DSD讯号。因此DSD音乐档案反倒同时继承DSD和PCM的缺点,并且在多次的转换过程中,还会额外导入另一层的高频噪声,这使得DSD原本希望移除PCM编码缺陷的初衷,完全不存在现在的DSD音乐中。

3. 相对高解析PCM编码没有显著优势

DSD编码当初的比较目标大多是CD规格的PCM音频,但在高分辨率的PCM音讯流行的当下,高分辨率PCM音讯实际可用的取样范围和噪声控制能力,完全优于标准的DSD格式〈见图X〉。为了解决这个问题,刚刚提到双倍取样的DSD128音讯就此诞生,虽然可以些微的降低DSD噪声过高的问题,但单位元编码先天上的缺陷依然存在,并且双倍取样的DSD128音乐档案大小,对比高解析PCM音讯来说,也变得没有储存容量上的优势。

4. 硬件支持度不广泛

DSD处理对于目前已经习惯PCM音乐已久的音乐制作公司来说,必须投入额外的成本才能进行后制,所以严重的影响到DSD格式的推广。此外目前市面上绝大多数支持DSD播放的DAC,是将DSD音频重新编码回PCM讯号的方式来播放,只有非常少部分的DAC支持原生播放DSD音乐。除此之外,DSD传输并没有被大多数传输规范所纳入,像是USB Audio 2.0和Mac平台的特性规范中,音讯传输就只有标准PCM一种格式。

好在最近被推广DSD-over-PCM〈DoP〉传输规范解决这部分的问题,这个传输规范使用24bit/ 176.4kHz PCM传输来包装DSD讯号,利用前面8个位来当做DSD的标记。又由于2.8224MHz取样的DSD音频数据量相当于16bit/176.4kHz的PCM音频数据量,所以后面的16位就可以用来包装DSD音讯,让有能力的硬件厂商自行研发DSD解决方案,并且也让不支持DSD传输的iOS系统有机会播放DSD音乐。当然这样的传输规范也有它的缺点,那就是由于数据是藉由PCM讯号的方式包装,如果当硬件误判DSD为PCM讯号时,就会在88kHz的地方产生一个大约-34db的杂音,并且播放DSD的相关操作和设定过程相当繁杂,所以DSD音乐规格还是相对地不普及。

▲利用16/176.4kHz PCM格式包装标准DSD音讯的示意图,前8个位为识别卷标,后面16位为DSD编码讯号。

小结 

相信看完以上的介绍文章,各位读者对于DSD这个编码格式都有了一定程度的了解,也许有人会问说:既然DSD有那么多不便和缺点,为什么最近突然有一群厂商在推广DSD音乐格式? 

笔者必须在这边说,没有一个格式是没有缺点,端看实际使用和市场的反应。不过关于DSD规格会在最近被推广的原因,笔者推测和DSD规范出现到现在已经超过十年有关,大部分的技术类专利有效期限是十年左右,所以基本上DSD格式现在已经成为一个开放式规格。再来目前主力的推广DSD的公司,是当初开发DSD规格的Andreas Koch所任职的Playback Design,自然会希望能够将DSD音乐推广开来。 

反倒是制造业界用于转换DSD与PCM标准规格的瑞士数字音乐公司Weiss的老板Daniel Weiss,在两年前发表了一份简短的DSD白皮书,很明白的点出DSD无法后制处理,一定要先转换为PCM讯号,才能进行必要的后制工作。所以在录音阶段,Weiss推荐还是先用PCM格式储存声音讯号比较实际。 

再顺道回过头看一下当初制定DSD规范的Sony,目前和日本音响协会一同制定新的「Hi-Res」认证,仔细阅读其内部规范后,可以发现虽然DSD同样被视为高解析音源,但是在高解析音源的定义中,并没有对DSD格式做特别着墨,可以推敲出Sony对这个已经失去专利主导权的音讯格式的态度。 

但总体而言,DSD和PCM谁好谁坏并不是真正的重点,它们都只是储存音乐的一种格式,重要的还是里面所包含的音乐。因为音乐的感动并不是靠音乐单元格式来决定,一个单元格是只要还有足够的人在继续使用,就有它被保留的意义存在。至于DSD和PCM到底谁会成为未来格式的霸主?就让音乐制作公司来烦恼吧。

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