技术文章《数字音频音质剖析之一:数字音频探秘(上)》,带您探索剖析数字音频的深层技术,描述的比较专业,非专业人士不需要过目。
许多年前,就有人开始议论关于16-bit,44.1 kHz的数字音频系统无法满足人耳的听音需要,无法真实地再现原有的声音。从理论上来讲,这种数字音频格式可以为我们提供0 Hz到22.05 kHz的带宽 和96 dB的动态范围。
(带宽即指频率带的范围。通常,人类听觉的带宽为20到20,000 Hz。动态范围则是指音频系统所能够提供的音量最大的声音与音量最小的声音之间差距。要注意有些设备制造厂商在宣传中的措辞。动态范围与信噪比不是一码事。信噪比是指通常的工作电平或是名义上的工作电平与噪声电平之比。这个指标通常都要小于动态范围的值。)
那么,我们为什么经常会听到说这种数字音频格式无法满足"金耳朵"的需要呢?他们这些人究竟感觉到了什么与众不同的东西呢?为了搞清楚这个问题,我们首先要回过头来温习一下数字音频的工作原理。好,拿出你的二进制计算器,喝点儿富含咖啡因的饮料提提神儿,然后我们要回到数字音频学校中去了!
— 基础知识
数字音频系统是通过将声波波形转换成一串数据来再现原始声音的。实现这个步骤使用的设备是模/数转换器(A/D),它给声波拍下许多个"快照"(即进行采样),每一张快照都记录下了原始模拟声波的某一时刻的电压值,将一连串这样的快照连接起来,就形成了声波的振幅(即音量或是音量电平)。每一秒钟所拍摄的快照数目就称为采样频率(或称采样率),采样频率的单位是Hz(赫兹,即每秒钟多少次)。采样频率是决定频率响应方面最重要的因素,其他因素均没有它的影响大(其他的因素我们将在下面进行讨论)。
系统中量化精度的bit数目直接决定了采用多少个"台阶"来表示声波振幅的范围(即动态范围)。每增加一个bit,表示声波振幅的台阶数就要翻一番,并且增加6dB的动态范围。由此可以计算出,一个1-bit的数字音频系统可以为我们提供两个台阶,即6dB的动态范围。而一个2-bit的数字音频系统可以为我们提供四个台阶,即12dB的动态范围;3-bit提供八个台阶,即18dB的动态范围;4-bit提供十六个台阶,即24dB的动态范围;以此类推。如果我们继续增加bit数,则量化精度就将以非常快的速度提高(用数学上的话来说,这是一种指数增长关系)。我们可以计算出16-bit能够提供65,536个台阶,即96dB;而20-bit可以提供1,048,576个台阶,对应120 dB;24-bit可以提供多达16,777,216个台阶,对应144dB(参见图1)。

图1:当数字音频系统中的量化bit数量增加后,其动态范围也要相应增加,增加幅度为6 dB/1-bit。如果按照量化的"台阶"数来看,则是每增加一个bit,用来表示音量大小的"台阶"就增多一倍。
当这个二进制的数所有的位上均为1时,对应着最大的音量值。通常我们称这种情况为"全码"。在数字音频领域,这种情况对应着最大的音量,音量不能更大了,再大就将产生喀哒声,而声波的振幅不会再增加。
