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音频技术解析:纯理论对比PCM和DSD

一直以来,很多HiFi发烧友在聊音乐的时候,经常会谈论到关于音乐文件采样、位深、码率的相关技术参数。44.1kHz/16bit、96kHz/24bit、192kHz/24bit这种PCM波形规格到底意味着什么、DSD这种全新的规格音质有何优势?今天笔者就以纯理论的角度为大家对比一波WAV和DSD两种文件,欢迎大家进行参考。考虑到不少入门的烧友基础较弱,笔者在第一章先科普一些基础知识,大佬可自行跳过。

一、关于采样/位深的基础知识

1.1什么是采样

先从44.1kHz说起吧,相信不少的朋友都知道44.1kHz是采样率参数,但却不知道到底什么是采样率。所谓采样率,即是录音设备每秒采集声音样本信息的频率。44.1kHz采样率,即是在录音时,设备每秒记录44100次。

为什么无损音乐的采样率会被定位44.1kHz?这其实并非偶然。根据奈奎斯特采样定理(为了不失真地恢复模拟信号,采样频率应该不小于模拟信号频谱中最高频率的2倍),采样率44.1KHz的数字音频格式可以无损地记录22.05KHz以下频率的音频信号(参考自香农采样定理),其刚好超过了人耳的听力范围20kHz。对于PCM波形来说更高的采样率意味着曲线更加接近真实。

DSD64的采样率为2.8244MHz,相等换算的话就是上面CD的44.1KHZ的64倍采样率,也就是2824400次/秒。与PCM脉冲编码调制不同的是,DSD在录制时使用PWM脉冲宽度调制,因此在图像呈现上来看也与PCM有所不同,具体笔者会在下面讨论。

1.2 什么是位深

刚刚我们提到过,采样率是每秒记录声音的次数。对于用数字波形记录声音的方式来说,如果横轴是时间,想要出现完整的波形,那么就需要一个纵轴参数来为波形的“高度”进行设定。对于音频来说,这个高度信息,就是bit(位深)。

所谓16bit,其真实含义是用16位的二进制数来表示采样点的电平(纵轴高度)。在PCM波形中,纵轴高度越高、听感的响度就越高。位深对音乐文件的动态表现一般直接挂钩,16比特整数可以储存2的16次方(65536)个不同的数值,每增加1比特代表纵轴的精密度翻一倍。

1.3 PCM波形的文件都有什么?

相比于DSD来说,PCM技术于很早之前就应用于音频领域,因此其文件有很多的变种。正常的无损无压缩PCM波形的文件是WAV,我们日常下载到的flac、ape这种无损格式都是将WAV文件无损伤压缩的音乐格式,再次解压缩后数据不会受到影响。mp3、wma等格式为有损压缩格式,再次解压为WAV后会造成数据损失。

二、PCM和DSD本质的不同

2.1 PCM、DSD的录制方式对比

PCM和DSD在录音时使用的就是两种完全不同的系统;PCM脉冲编码调制:其首先将连续的模拟信号(音乐原声)离散并抽样量化,根据瞬时点参数构建PCM波形。简单、直观、文件占用空间低是它的优势,其劣势在于量化误差较大(导致信噪比较低的原因)。

DSD在录制时使用了另外一种调制——PWM脉冲宽度调制:它是将模拟信号转换为脉波的一种全新的记录方式。在记录时,DSD的模数转换A/D部分并非如WAV一样,而是通过采样点实现增/不变/减的判断。打个比方吧,让PCMPWM(DSD调制技术)一起记数字,PCM在记录一串数字时是1,2,3,4,3,而PWM则是0,1,1,1,-1(只取差值)。

2.2 PCM、DSD读取方式对比

PCM波形的横轴为采样点、纵轴为位深,在做放音的数模转换D/A时,数字波形中的每个点会转换成其独有的二进制编码被指定的DSP或者CPU进行处理实现转换。对于PCM波形来说,由于每次采样都有严格的时间限制,因此PCM系统在声音回放时对晶振的需求的极高,如果解码时两方出现任何误差都会导致失真。同时,由于采样率远低于DSD,其在取样时的受量化误差影响,其理论上的信噪比也远低于DSD。

DSD文件的PWM波形在横纵轴设置上与PCM相同。不同的是,PWM波形的采样点深度仅为1bit,播放方式为录制的逆过程(具体参考2.1)。相对于PCM来说,DSD的优势是有效的防止了晶振问题,且动态响应也更加精准。不过由于其过于精准的特性,音乐的响度一般来说也是偏低的,这也是为什么不少HiFi产品会专门为DSD播放专门做一个增益功能。还有就是DSD的文件占用空间巨大、解析耗电量大,非常吃硬盘资源。

小结PCM和DSD纯理论对比,谁的音质更好?

显然,从录制与播放的对比就可以看得出,DSD在记录声音的能力方面是远超普通规格PCM的。但反过来说,人耳的分辨率也是有限的。如果单从理论的角度来说,即使CD级别的44.1kHz/16bit音乐,其在采样率、位深上都高于人耳对声音的识别能力。所以即使DSD的参数多么强大,对于绝大多数人来说,其听感上是不应该会出现明显区别的,就好比人看不见红外线和紫外线一样。

写在最后:

相比于WAV,DSD虽然是理论上的信息量升级,但也为解码设备的性能带来了更大的挑战。不开玩笑的说,有一套能够发挥真正DSD实力音响设备的人,笔者身边的专业用户都很少,更别提便携听音了。HiFi设备并非玄学,它也是一分钱一分货的。就像很多人玩手游都能充个万八千一样:如果舍不得钱一步玩到位,那就一点一点升级HiFi设备。把自己限制在墙内的人,永远无法发现外面世界的美好。

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