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数字音频技术的发展
日期:2008-6-23 10:19:58 [返回]

    数字化时代对人类的发展产生了巨大的变化,我们亲身经历了数字技术的蓬勃发展,目睹了它以惊人的速度,渗透到社会与生活的方方面面。数字化技术已全面的进入到广播影视领域,正对我们的行业带来实质性的变革。清楚地把握数字音频技术的发展动向,对正确推进广播影视领域的数字化进程将有极其重要的意义。

    一、 模拟与数字音频技术的关系和互补性
    把握数字音频技术发展的方向,我们必须对数字音频与模拟音频技术之间有一个科学的认识,并清楚这样一个概念:数字化是一种手段,但我们始终离不开这个模拟的世界,所以我们要清楚模拟与数字音频技术的优势和弱点。
    对音频的质量上来说,数字音频通过模数/数模转换后,越接近模拟音质就越好。但是,数字化技术在音频的编辑、合成、效果处理,存储、传输和网络化,以及在价格等方面,有极大的优势。半导体技术高速发展的今天,在专业音频领域,为了得到温暖的模拟音质,仍旧需要采用电子管器件,如电子管话筒、电子管前置放大器和压缩器,以及功率放大器。为了与数字化音频系统配合使用,不少最新的音频专业电子管产品带有了数字接口。所以,数字化时代的音频技术,并不是弃模变数,而是两者有机的结合,取长补短,用数字化技术去追求模拟的音质,用数字化手段来弥补传统音频设备的弱点。
    目前世界上公认音质最好的调音台,如AMEK 9098和SSL 9000J 系列,就是模拟数控台,即模拟信号流,数字化的控制系统,另外还配置了模数转换接口,这就是模拟音频技术与数字技术结合的实例。
    电脑技术已将人们带入了一个虚拟世界。音频领域也不例外,音频工作站的发展已越来越成熟,人们已称它为虚拟录音棚。虚拟音频制作系统中,包括了录音机、调音台、周边信号发生器、非线性编辑和数据库等。这种虚拟系统不仅有价格的优势,而且功能齐全,符合数字化,网络化发展的要求,其音频的质量可与一些高级传统音频设备抗衡。它符合数字化、网络化的要求,其价格与传统设备相比,则更有优势。
    近年来,虚拟音频制作系统对界面的外控操作上,正逐步向传统设备的操作概念发展。还与传统调音台有机结合。除Protools音频工作站已有了Pro Controls外控操作台外,索尼公司已将DMX-100调音台与Pyramix虚拟音频制作系统结合,DMX-100调音台的48路数字音频通道可通过MADI模数/数模转换器与Pyramix连接,Pyramix可通过DMX-100的24个电动马达推子实现外部自动化控制。另外SSL 9000J 系列高级模拟数控台也可与Pyramix虚拟音频制作系统配合使用,音频信号可通过PCM/MADI转换器或DSD转换器与Pyramix连接,SSL 9000J 系列调音台上的控制键钮和推子可通过索尼422协议与Pyramix连接。
    上述种种可以看到,数字时代音频的发展,从音质上讲,数字与模拟的追求是一致的;从数字技术在音频领域的应用来看,它仍然依托着传统的模拟设备而向前发展。

    二、 数字音频格式PCM和DSD的发展状况
    bPCM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。

    三、 为何DSD音频格式是最好的数字音频格式
    l 2001年AES 110年会的报告指出DSD是最好的音频格式选择。
    l 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。
    l 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。
    l 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。
    l 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。
    l 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。
    l 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。
    l 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。
    l 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。
   
    四、 DSD的应用范围
    l 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。

    四、 DSD的应用范围
    l 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。
    l 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。
    l 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。
    l 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。
    l 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。

    五、 Pyramix 虚拟音频制作系统
    目前SACD和DVD-A都在推广之中,PCM与DSD两种数字音频格式需要一段共存期。 我们必须考虑PCM/DSD的兼容和转换。因此Pyramix 虚拟音频制作系统有很大的优势,它是当前仅有一个完善系统可同时完成DVD-A (24/192kHz)和SACD/DSD (1bit/2.8Mhz)的音频制作系统。上述文章已经提到索尼公司已将DMX-100调音台与Pyramix虚拟音频制作系统结合,另外,世界数字和模拟音频设计大师Ed Meitner也为Pyramix配置了当今世界最好的8路模数/数模转换器,支持DSD和PCM两种格式。由加拿大专业传媒公司和瑞士Merging Technologies共同推出的Pyramix 4 全中文版已经正式上市。
    Pyramix在功能上的综合优势有:兼容PCM与DSD两种数字音频格式;基于高度稳定的Win2000专业工作平台,可单系统独立使用,也符合多系统网络化建设;其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。

    Pyramix 4中文版除了它的全新的全中文介面、全面的编辑功能、全实时的专业效果器组合、全部可自行配置及自动化控制的虚拟调音台之外,Pyramix 4还添加了:
    1. DSD 1bit, 2.8Mhz (SACD) 录音、制作及母版制作功能
    2. 支持192kHz 到 384kHz高采样频率录音、制作及母版制作功能
    3. 特别为工作于96kHz 到 384kHz 及 DSD 采样频率而特别设计的实时效果器
    4. 不需要转换地直接支持OMF (Avid) 及 SD2 (Protools)的音频格式
    5. 新的效果器包括:
    · 实时大型、全部可自行配置的VU表指示系统
    · 实时相位表 (可配置为多声道显示)
    · 实时录音用通路工具组件
    · 为母版制作及环绕声制作使用的实时总线工具组件
    · 新式强化的实时全自动化声像移位器,可用于双声道立体声素材及单声道素材
    6. 为多声道音乐录音、编辑及母版制作而强化的工具,包括节拍器轨。按照节奏及拍子的多种变化而自动调整时间线,按节奏轨自动调整时间线及节拍。
    7. 通过最多可支持8块DSP卡,要增加Pyramix的能力,只要添加Mykerinos DSP卡
    8. 支持DIRECTX插件及ASIO,可与其它专业音频效果器及应用程序相连
    9. 使用不同控制协议,可通过多种控制介面控制多种外部设备
    10. 直接支持新式的Sony DMX-R100 (MADI I/O 接口)调音台
    Pyramix虚拟音频制作系统,是经索尼和飞利浦和公司证的DSD系统,也是世界上唯一的系统,可以有以下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。 

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