关于数字音频输出的详细说明

[次世代音频] 关于数字音频输出的详细说明
看到群里关于HTPC音频输出的讨论是沸沸扬扬,但很多意见不敢苟同,有些甚至到了以讹传讹的地步,因此忍不住在这里把我二十几年玩音响的经验和大家分享一下,也欢迎指出我的不对之处。
        从CD机时代开始,就开始了数字音频普及的历程,但是很遗憾的是,直到今天,大部分用户还是对此没有正确的概念理解。这个领域如果详细来说,几乎可以写一本书了,因此我也只能就关键的几个问题来做一说明。
        一、PCM
        说到数字音频,首先要知道一个名词:PCM,这是脉冲编码调制(Pulse Code Modulation) 体制的英文缩写。PCM最初并非传输计算机数据用的,而是使交换机之间有一条中继线不是只传送一条电话信号,也就是说最早开发这个技术是用于电信领域的。
        PCM脉码调制数字音频格式是70年代末发展起来的,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(包括后期的6.1环绕声),1999年由DVD讨论会发布和推出。
        PCM编码要经过抽样、量化和编码三个过程,也就是将声音、图像等模拟信号每隔一定时间进行取样,使其离散化,同时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化,再将抽样值用一组二进制编码来表示抽样脉冲的幅值,以实现声音图像的数字化。

    PCM的量化精度从最早的14bit发展到16bit、18bit、20bit直到24bit;采样频率从44.1kHz发展到192kHz。到目前为止PCM这种编码技术,已经只是通过增加量化精度和采样频率来提高其性能了,无法从根本上改变它的不足之处。
        了解PCM的真正含义十分重要,因为后续的种种数字音频传输方式实际上都是在它基础上的扩展。

        二、 Dolby TrueHD 、DTS-HD Master Audio和LPCM比较
        多声道LPCM:是无损音轨原始保存格式,概念上等效于wave文件,并不需要运算解码,可直接输入功放进行DA转换,LPCM音轨由于码率和体积较大,在DVD时代通常用在两声道音乐碟的音轨,到了蓝光影碟上,传输速率和容量都大幅增加,给了多声道LPCM音轨表现的机会。描述LPCM音轨规格,包括采样频率、量化精度和声道数,采样频率包含48Khz、96Khz和192Khz,频率越高,还原高频信号和丰富谐波的能力就越强,量化精度包括16bit和24bit,精度越高保真和信噪比度越高,动态范围也更宽。不过,像96K24bit 7.1声道的LPCM码率约为恒定18Mbps,会大大挤占视频传输带宽,所以高规格无损音轨仍然需要无损压缩编码的帮助。
        光纤和同轴接口只能传输2声道LPCM,多声道LCPM需要HDMI接口传输,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声道LPCM音轨信号。
        Dolby TrueHD:是杜比公司专为高清影碟开发的无损压缩音轨格式,最高可支持多达八个分离的24bit/96 kHz全频带声道,在蓝光影碟中的码率最高为18Mbps。杜比称TrueHD为100%无损音频,因此除了比同规格LCPM更节省带宽外,还可以加入对白和整体音量控制,它的内核还带有一条640Kbps码率的AC3 5.1音轨数据,即便整部影片只有TrueHD音轨,对老功放通过光纤传输也可以实现5.1音效。其实从结构上分析,TrueHD就是MLP音轨数据与AC3的合体,MLP正是DVD-Audio的音轨编码格式。
        DTS-HD:DTS-HD Master Audio是无损压缩音轨,DTS宣称它是“bit for bit”的完整再现录音母带效果,也是完全无损压缩,在蓝光影碟中最高码率可达24.5Mbps。DTS-HD内核也带有1.5Mbps码率的DTS 5.1音轨数据,因此也可以实现通过SPDIF传输到老功放实现5.1音频。
    光纤和同轴接口只能传输2声道LPCM,多声道LCPM需要HDMI接口传输,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声道LPCM音轨信号。

        PCM的吸引力来自信号本身没有经过任何压缩处理,实际上比DVD所用的AC3及DTS更接近原音,进入蓝光时代后,PCM已扩展到支持5.1及7.1声道,多声道PCM的效果已经备受好评,但是和Dolby TrueHD及DTS-HD Master Audio相比较呢?
        首先从技术层面去比较一下。数字音频基本上是通过采样频率和量化精度获得不同的解析度,量化精度和采样频率越大,高频响应范围就越高,音质就更好及精细;然后再分有压缩和无压缩,最后就是有损失性和无损失性的压缩。如果以相同采样频率和量化精度音乐播放,无压缩的PCM会比同解析度的无损性压缩好,而无损失性的压缩音效又会比有损失性压缩音效为佳。
        以CD唱片为例,我们来计算一下它的码流:! N, B: d, q% q1 \3 i9 P$ y$ N1 k
        对于CD唱片而言,通常是16bit量化,44.1KHZ采样频率,那么一般CD唱片的码流是16×44.1×2=1411Kbps(因为一般CD是两声道录音)。
        在DVD阶段,都采用是的48KHZ取样率,那么一条两声道PCM音轨的码流是16×48×2=1536Kbps。
        而多声道PCM,比如很多sony 发行的蓝光DVD带5.1的PCM格式,它们的码流就是16×48×6=4.6Mbps。
        再比如96KHZ取样,24bit量化,如果是5.1声道的,那码流就是96×24×6=13.8M,根据我从网上查到的资料,chris botti LIVE克里斯波提演奏会的blu-ray就有这么条音轨,有条件的朋友可以找来验证一下。
        我们再来看看通常的DD5.1,它的48KHZ/16bit的音轨一般是448Kbps码流,也就是说相对于5.1声道的LPCM,压缩了10倍左右。DTS5.1的话,如果是768Kbps的话,基本就是压缩到原来的1/6,如果是1536的话,就是压缩到原来的1/3。
        而Dolby TueHD5.1和DTS-HD Master Audio 5.1呢?,DTS-HD Master Audio和Dolby TueHD和LPCM首先不同的是前两者是动态码率,后者是静态的,也就是当需要大信息量的时候,码流会变高,反之则下降。
        现在市面上流行的带DTS-HD Master Audio的电影碟基本码流都在3.8-5.3之间波动,以平均值4.6假设(5.1声道),那么它的压缩量其实相当于LPCM。
        但是有一点可以明确,就是在蓝光时代,音频码流不再是静态的了,而且比原来要复杂一些,比如同样的是96kHz/24bit来取样,DTS-HD Master Audio也会有不同的码流高低,这视其压缩的不同。
        由此我们明白了一个道理:音响效果好坏并不纯粹取决于哪种格式,还和制作过程中的压缩比率有关,不同碟片的音响效果也会因为这个原因而呈现出极大的差异。
        至于Dolby TrueHD和DTS-HD Master Audio哪个更好一些,从我们专业录音的角度来看,PCM最好,Dolby TrueHD及DTS-HD Master Audio略差,Dolby Digital及DTS就比较惨了。而且随着采样频率和量化精度的提高,原来的Dolby Digital和DTS与现有LPCM、Dolby Digital以及DTS-HD Master Audio的差距越来越大。
        而在DOLBY和DTS的对抗中,不管哪个时代,单纯从音质的角度来看,都是DTS占据上风。
        那么是否采用PCM就是高清时代的最佳选择呢?答案肯定是否定的,因为在实际应用上,任何数字编码格式都有一个不变的限制,就是传输速率(transfer rate),在蓝光格式及HD DVD格式的规格标准中,传输速率分别是50Mb/sec及36.55Mb/sec,这正是碟机能读取碟片的速度,这个固定频宽会同时被碟片内的影音讯号、各式音效讯号及字幕讯号所分摊占用,因为使用者可在观看时随意转换音效及字幕而不会出现不同步的现象,因此实际读碟时,是每秒把所有资料读取,而不是随着使用者的选择再来读取。使用者选择的音效和字幕,只是命令碟机作个别的解码而已。有了这个概念后,我们先假设碟片的容量是无限大,要顾及的传输速率,那么16bit/48kHz的PCM 5.1的频宽是大约4.6Mb/sec,而24bit/96kHz就是13.8Mb/sec,以蓝光光碟为例,就只剩下约36.2Mb/sec的频宽,再扣除了其他的语言、音效、字幕等讯号后,剩下来供影像讯号应用的频宽便更少,如果是7.1环绕声,那剩下的频宽还会再下降。因此虽然我们假设碟片的容量是无限大,但受到传输速率的制约,那就只有消减影像讯号的带宽去迁就有限的整体频宽,最后的结果就是画质下降。因此,高还原度的无损失性压缩音效是能将影音质素平衡化的关键音效,而不是单纯追求完美的音频格式。这也是为什么很多蓝光光碟没有LPCM声轨的原因。
        由此我们明白了第二个道理:现有蓝光的音频格式实际上是在传输速率限制下的妥协产物。

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