關(guān)于數(shù)字音頻輸出的詳細(xì)說明

偶得閑情齋 2012-10-14

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[次世代音頻] 關(guān)于數(shù)字音頻輸出的詳細(xì)說明

看到群里關(guān)于HTPC音頻輸出的討論是沸沸揚(yáng)揚(yáng)，但很多意見不敢茍同，有些甚至到了以訛傳訛的地步，因此忍不住在這里把我二十幾年玩音響的經(jīng)驗(yàn)和大家分享一下，也歡迎指出我的不對(duì)之處。
      從CD機(jī)時(shí)代開始，就開始了數(shù)字音頻普及的歷程，但是很遺憾的是，直到今天，大部分用戶還是對(duì)此沒有正確的概念理解。這個(gè)領(lǐng)域如果詳細(xì)來說，幾乎可以寫一本書了，因此我也只能就關(guān)鍵的幾個(gè)問題來做一說明。
      一、PCM
      說到數(shù)字音頻，首先要知道一個(gè)名詞：PCM，這是脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulation） 體制的英文縮寫。PCM最初并非傳輸計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)用的，而是使交換機(jī)之間有一條中繼線不是只傳送一條電話信號(hào)，也就是說最早開發(fā)這個(gè)技術(shù)是用于電信領(lǐng)域的。
      PCM脈碼調(diào)制數(shù)字音頻格式是70年代末發(fā)展起來的，80年代初由飛利浦和索尼公司共同推出。PCM的音頻格式也被DVD-A所采用，它支持立體聲和5.1環(huán)繞聲（包括后期的6.1環(huán)繞聲），1999年由DVD討論會(huì)發(fā)布和推出。
      PCM編碼要經(jīng)過抽樣、量化和編碼三個(gè)過程，也就是將聲音、圖像等模擬信號(hào)每隔一定時(shí)間進(jìn)行取樣，使其離散化，同時(shí)將抽樣值按分層單位四舍五入取整量化，再將抽樣值用一組二進(jìn)制編碼來表示抽樣脈沖的幅值，以實(shí)現(xiàn)聲音圖像的數(shù)字化。

　　  PCM的量化精度從最早的14bit發(fā)展到16bit、18bit、20bit直到24bit；采樣頻率從44.1kHz發(fā)展到192kHz。到目前為止PCM這種編碼技術(shù)，已經(jīng)只是通過增加量化精度和采樣頻率來提高其性能了，無法從根本上改變它的不足之處。
      了解PCM的真正含義十分重要，因?yàn)楹罄m(xù)的種種數(shù)字音頻傳輸方式實(shí)際上都是在它基礎(chǔ)上的擴(kuò)展。

      二、 Dolby TrueHD 、DTS-HD Master Audio和LPCM比較
      多聲道LPCM：是無損音軌原始保存格式，概念上等效于wave文件，并不需要運(yùn)算解碼，可直接輸入功放進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，LPCM音軌由于碼率和體積較大，在DVD時(shí)代通常用在兩聲道音樂碟的音軌，到了藍(lán)光影碟上，傳輸速率和容量都大幅增加，給了多聲道LPCM音軌表現(xiàn)的機(jī)會(huì)。描述LPCM音軌規(guī)格，包括采樣頻率、量化精度和聲道數(shù)，采樣頻率包含48Khz、96Khz和192Khz，頻率越高，還原高頻信號(hào)和豐富諧波的能力就越強(qiáng)，量化精度包括16bit和24bit，精度越高保真和信噪比度越高，動(dòng)態(tài)范圍也更寬。不過，像96K24bit 7.1聲道的LPCM碼率約為恒定18Mbps，會(huì)大大擠占視頻傳輸帶寬，所以高規(guī)格無損音軌仍然需要無損壓縮編碼的幫助。
      光纖和同軸接口只能傳輸2聲道LPCM，多聲道LCPM需要HDMI接口傳輸，即便HDMI 1.0版本也支持，因此有不少第一代HDMI接口功放可以接收多聲道LPCM音軌信號(hào)。
      Dolby TrueHD：是杜比公司專為高清影碟開發(fā)的無損壓縮音軌格式，最高可支持多達(dá)八個(gè)分離的24bit/96 kHz全頻帶聲道，在藍(lán)光影碟中的碼率最高為18Mbps。杜比稱TrueHD為100%無損音頻，因此除了比同規(guī)格LCPM更節(jié)省帶寬外，還可以加入對(duì)白和整體音量控制，它的內(nèi)核還帶有一條640Kbps碼率的AC3 5.1音軌數(shù)據(jù)，即便整部影片只有TrueHD音軌，對(duì)老功放通過光纖傳輸也可以實(shí)現(xiàn)5.1音效。其實(shí)從結(jié)構(gòu)上分析，TrueHD就是MLP音軌數(shù)據(jù)與AC3的合體，MLP正是DVD-Audio的音軌編碼格式。
      DTS-HD：DTS-HD Master Audio是無損壓縮音軌，DTS宣稱它是“bit for bit”的完整再現(xiàn)錄音母帶效果，也是完全無損壓縮，在藍(lán)光影碟中最高碼率可達(dá)24.5Mbps。DTS-HD內(nèi)核也帶有1.5Mbps碼率的DTS 5.1音軌數(shù)據(jù)，因此也可以實(shí)現(xiàn)通過SPDIF傳輸?shù)嚼瞎Ψ艑?shí)現(xiàn)5.1音頻。
  　　光纖和同軸接口只能傳輸2聲道LPCM，多聲道LCPM需要HDMI接口傳輸，即便HDMI 1.0版本也支持，因此有不少第一代HDMI接口功放可以接收多聲道LPCM音軌信號(hào)。

      PCM的吸引力來自信號(hào)本身沒有經(jīng)過任何壓縮處理，實(shí)際上比DVD所用的AC3及DTS更接近原音，進(jìn)入藍(lán)光時(shí)代后，PCM已擴(kuò)展到支持5.1及7.1聲道，多聲道PCM的效果已經(jīng)備受好評(píng)，但是和Dolby TrueHD及DTS-HD Master Audio相比較呢？
      首先從技術(shù)層面去比較一下。數(shù)字音頻基本上是通過采樣頻率和量化精度獲得不同的解析度，量化精度和采樣頻率越大，高頻響應(yīng)范圍就越高，音質(zhì)就更好及精細(xì)；然后再分有壓縮和無壓縮，最后就是有損失性和無損失性的壓縮。如果以相同采樣頻率和量化精度音樂播放，無壓縮的PCM會(huì)比同解析度的無損性壓縮好，而無損失性的壓縮音效又會(huì)比有損失性壓縮音效為佳。
      以CD唱片為例，我們來計(jì)算一下它的碼流：! N, B: d, q% q1 \3 i9 P$ y$ N1 k
      對(duì)于CD唱片而言，通常是16bit量化，44.1KHZ采樣頻率，那么一般CD唱片的碼流是16×44.1×2=1411Kbps(因?yàn)橐话鉉D是兩聲道錄音)。
      在DVD階段，都采用是的48KHZ取樣率，那么一條兩聲道PCM音軌的碼流是16×48×2=1536Kbps。
      而多聲道PCM，比如很多sony 發(fā)行的藍(lán)光DVD帶5.1的PCM格式，它們的碼流就是16×48×6=4.6Mbps。
      再比如96KHZ取樣，24bit量化，如果是5.1聲道的，那碼流就是96×24×6=13.8M，根據(jù)我從網(wǎng)上查到的資料，chris botti LIVE克里斯波提演奏會(huì)的blu-ray就有這么條音軌，有條件的朋友可以找來驗(yàn)證一下。
      我們再來看看通常的DD5.1，它的48KHZ/16bit的音軌一般是448Kbps碼流，也就是說相對(duì)于5.1聲道的LPCM，壓縮了10倍左右。DTS5.1的話，如果是768Kbps的話，基本就是壓縮到原來的1/6，如果是1536的話，就是壓縮到原來的1/3。
      而Dolby TueHD5.1和DTS-HD Master Audio 5.1呢？，DTS-HD Master Audio和Dolby TueHD和LPCM首先不同的是前兩者是動(dòng)態(tài)碼率，后者是靜態(tài)的，也就是當(dāng)需要大信息量的時(shí)候，碼流會(huì)變高，反之則下降。
      現(xiàn)在市面上流行的帶DTS-HD Master Audio的電影碟基本碼流都在3.8-5.3之間波動(dòng)，以平均值4.6假設(shè)（5.1聲道），那么它的壓縮量其實(shí)相當(dāng)于LPCM。
      但是有一點(diǎn)可以明確，就是在藍(lán)光時(shí)代，音頻碼流不再是靜態(tài)的了，而且比原來要復(fù)雜一些，比如同樣的是96kHz/24bit來取樣，DTS-HD Master Audio也會(huì)有不同的碼流高低，這視其壓縮的不同。
      由此我們明白了一個(gè)道理：音響效果好壞并不純粹取決于哪種格式，還和制作過程中的壓縮比率有關(guān)，不同碟片的音響效果也會(huì)因?yàn)檫@個(gè)原因而呈現(xiàn)出極大的差異。
      至于Dolby TrueHD和DTS-HD Master Audio哪個(gè)更好一些，從我們專業(yè)錄音的角度來看，PCM最好，Dolby TrueHD及DTS-HD Master Audio略差，Dolby Digital及DTS就比較慘了。而且隨著采樣頻率和量化精度的提高，原來的Dolby Digital和DTS與現(xiàn)有LPCM、Dolby Digital以及DTS-HD Master Audio的差距越來越大。
      而在DOLBY和DTS的對(duì)抗中，不管哪個(gè)時(shí)代，單純從音質(zhì)的角度來看，都是DTS占據(jù)上風(fēng)。
      那么是否采用PCM就是高清時(shí)代的最佳選擇呢？答案肯定是否定的，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用上，任何數(shù)字編碼格式都有一個(gè)不變的限制，就是傳輸速率（transfer rate），在藍(lán)光格式及HD DVD格式的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)中，傳輸速率分別是50Mb/sec及36.55Mb/sec，這正是碟機(jī)能讀取碟片的速度，這個(gè)固定頻寬會(huì)同時(shí)被碟片內(nèi)的影音訊號(hào)、各式音效訊號(hào)及字幕訊號(hào)所分?jǐn)傉加茫驗(yàn)槭褂谜呖稍谟^看時(shí)隨意轉(zhuǎn)換音效及字幕而不會(huì)出現(xiàn)不同步的現(xiàn)象，因此實(shí)際讀碟時(shí)，是每秒把所有資料讀取，而不是隨著使用者的選擇再來讀取。使用者選擇的音效和字幕，只是命令碟機(jī)作個(gè)別的解碼而已。有了這個(gè)概念后，我們先假設(shè)碟片的容量是無限大，要顧及的傳輸速率，那么16bit/48kHz的PCM 5.1的頻寬是大約4.6Mb/sec，而24bit/96kHz就是13.8Mb/sec，以藍(lán)光光碟為例，就只剩下約36.2Mb/sec的頻寬，再扣除了其他的語言、音效、字幕等訊號(hào)后，剩下來供影像訊號(hào)應(yīng)用的頻寬便更少，如果是7.1環(huán)繞聲，那剩下的頻寬還會(huì)再下降。因此雖然我們假設(shè)碟片的容量是無限大，但受到傳輸速率的制約，那就只有消減影像訊號(hào)的帶寬去遷就有限的整體頻寬，最后的結(jié)果就是畫質(zhì)下降。因此，高還原度的無損失性壓縮音效是能將影音質(zhì)素平衡化的關(guān)鍵音效，而不是單純追求完美的音頻格式。這也是為什么很多藍(lán)光光碟沒有LPCM聲軌的原因。
      由此我們明白了第二個(gè)道理：現(xiàn)有藍(lán)光的音頻格式實(shí)際上是在傳輸速率限制下的妥協(xié)產(chǎn)物。

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來自：偶得閑情齋 > 《電影-音樂》

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