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數(shù)字音頻中的DSD技術(shù)
數(shù)字音頻中的DSD技術(shù)
2002中南地區(qū)廣播電視技術(shù)年會(huì)優(yōu)秀論文二等獎(jiǎng)一、概述
回顧數(shù)字音頻光盤的發(fā)展，自1983以來(lái)，CD以更寬的頻率響應(yīng)、更高的信噪比、更大的動(dòng)態(tài)范圍和更小的失真，加以輕、薄、小型、廉價(jià)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，迅速地取代了傳統(tǒng)LP密紋唱片市場(chǎng)。CD的數(shù)字音頻采用PCM多比特錄音技術(shù)，以每秒44.1KHz采樣頻率，16bit量化精度來(lái)記錄音頻數(shù)據(jù)。以后所開發(fā)的多種數(shù)字音頻產(chǎn)品，如：DAT、DCC、MD等也沿用這種格式。但PCM存在著一些難以克服的缺陷： （1）當(dāng)采用44.1 KHz取樣頻率時(shí)，必須在22 .05KHz處采用急劇升降的數(shù)字濾波器，以防止基帶外的頻率成分混入。該種銳截止濾波器帶來(lái)的群延時(shí)失真明顯地劣化了高頻端的重放音質(zhì)。（2）對(duì)于小信號(hào)，PCM方式中由于量化噪聲的原因造成信噪比下降。為了解決這個(gè)問(wèn)題而采用了一些改善措施。但這些措施隨之又帶來(lái)了新的問(wèn)題，導(dǎo)致在聲音還原時(shí)人們很容易辨別出CD還原的數(shù)碼聲，具體表現(xiàn)在低頻生硬、單薄，中頻不夠透明，高頻有毛刺感等。迄今近20年來(lái)雖然這種技術(shù)雖然在不斷進(jìn)步，量化編碼從16bit上升到24bit、32bit，采樣頻率提升到96KHz，即使這樣，其改善也是有限的。
因此后CD時(shí)代的競(jìng)爭(zhēng)表面上是SACD和DVD-Audio之爭(zhēng)，其本質(zhì)上是DSD技術(shù)和PCM技術(shù)之爭(zhēng)。它們的運(yùn)用數(shù)字技術(shù)和格式完全不同，并且互不兼容。
二 DSD技術(shù)
DSD格式的推出，較大程度地改善了PCM存在的缺陷。DSD的取樣頻率為2.8224MHz，較傳統(tǒng)CD的取樣頻率 44.1kHz高出64倍，理論上可以把頻響范圍擴(kuò)展至1Hz-400kHz，大大超越傳統(tǒng)CD20 kHz的極限。同時(shí)64倍于CD的超取樣頻率又可以使量化噪聲的大部分能量被轉(zhuǎn)移至音頻范圍之外，很容易被一個(gè)低通濾波器濾除。可見(jiàn)此編碼技術(shù)就是通過(guò)大幅度地提高采樣頻率，來(lái)降低音頻范圍內(nèi)量化噪聲，同時(shí)使用 "噪聲整形電路"進(jìn)一步把可聞?lì)l帶（0 ~ 20kHz）內(nèi)的噪聲轉(zhuǎn)移到20kHz以上的超音頻范圍中去，有效地控制量化噪聲的分布以進(jìn)一步提高信噪比。
我們都知道，按照采樣定律進(jìn)行采樣、量化和編碼的數(shù)字音頻信號(hào)，其信噪比決定于量化比特?cái)?shù)，大約為量化比特?cái)?shù)的6倍。因此在音頻系統(tǒng)中降低量化比特?cái)?shù)就將增大量化噪聲。因此1bit信號(hào)流的噪聲是很大的。為滿足Hi-Fi放聲的要求，一般采用16bit量化。DVD-Audio格式就是采用這種思路，但量化比特?cái)?shù)的提高，不僅使數(shù)字信號(hào)的碼率提高，而且所要求的A/D 轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換更精密，相應(yīng)價(jià)格變高，因此量化比特?cái)?shù)的提高有一定的限制。DSD技術(shù)為解決該問(wèn)題采用了另一種降低量化噪聲的方法：采用過(guò)采樣，同時(shí)使用噪聲整形技術(shù)改變?cè)肼曉陬l率軸上的分布，并用濾波器濾掉20KHz以上的噪聲，來(lái)提高系統(tǒng)的信噪比。下面簡(jiǎn)單討論DSD信號(hào)流的獲得、過(guò)采樣和噪聲整形。
2、過(guò)采樣
如果數(shù)字音頻系統(tǒng)原來(lái)的采樣頻率為fs（通常為44.1KHz或48KHz），若將采樣頻率提高為Rfs, 并且R
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