淺析1比特技術在音頻中的應用與探究

【摘要】：1比特技術和多比特技術相比較而言， 有著獨特的優越性。本文分析了1比特技術在數模轉換上和△-∑調制上的優勢及在放音設備中數模轉換器（DAC）上的運用及發展，進一步闡述了阻礙1比特技術廣泛應用的問題， 并在原有的研究基礎上繼續分析了1比特技術與多比特技術在以采樣頻率為2.8224MHz為分水嶺的發展趨勢。

【關鍵詞】：1比特;多比特;△-∑調制;DAC;PCM

隨著科技的發展，人們越來越追求聲音音質帶給耳朵的體驗，而音質的好壞又受放音設備中數模轉換器比特數的影響， 理論上，數模轉換器的量化比特數越大， 轉換后的信號波形也就越接近于原信號。 在比特數競爭上升時，1比特技術出現了，它能表達更自然的聲音，為人們在追求更高的音質提供了條件。但是為什么1比特技術沒有在我們的生活中被廣泛應用？或者說為什么沒有取代多比特技術的地位？1比特技術的發展存在哪些瓶頸？

一、1比特技術

“1比特技術是指在編碼電路中以超高音頻光盤系統的采樣頻率2.8224MHz對模擬信號進行采樣，采樣后的1比特信號再送到編碼電路的高速開關電路，以生成促使音箱還放的聲音信號。這些1比特樣值均為幅度為1或0的這樣非常簡單的數字數據。1比特樣值間的間隔只有0.3543μs，生成的數字信號相當于0Hz～100kHz頻率范圍和動態范圍為120dB的等質模擬信號。1比特技術記錄以超高速2.8224MHz采樣的各量化樣值之間的變化量，模擬信號先對2.8224MHz高頻數字信號進行調制，再用一只低通濾波器去掉高頻分量，還原成模擬信號，不用借助于其他設備和電路。”[1]

（一）優越取樣

1比特技術在放大器中是通過∑-△調制技術來處理模擬信號的。CD格式的16比特信號的樣值間隔為22.6757μs它只相當于0Hz～20kHz頻率范圍和動態范圍為96dB的等質模擬信號。196kHz采樣頻率和以24比特量化的DVD—Audio格式的樣值間隔為5.2083μs，它相當于0Hz～96kHz頻率范圍和動態范圍為144dB的模擬信號.很顯然，1比特的取樣間隔比CD格式要精細64倍。而比DVD—Audio格式要精細15倍。 而恰恰表達自然真實的聲音且能忠實地再現更多的聲音細節最基本的前提就是這種表示時間精度極高的分辨能力。

（二）超高音質

同一模擬信號用C D格式采樣一次時，采用DVD-Audio格式采樣了4.35次;而1比特格式則采樣了64次。也就是說，2.8224MHz超高速采樣的1比特格式能夠得出最好的瞬態響應和更寬的動態范圍. 這是由于△-∑調制超高速采樣和7階噪聲整形模式得來的。

而44.1kHz的采樣頻率和16比特的量化精度的C D格式，可能無法滿足專業人員對音樂信號的高要求. 科技的發展使1比特格式通過7階△-∑調制技術可獲得超高的采樣頻率和120dB的動態范圍以及0Hz～100kHz的頻率響應。 以100kHz的踩鈸樂器和大于100dB動態范圍的交響樂團對1比特的需求越來越大，1比特也就應運而生了。

1比特格式能夠獲得更大動態范圍關鍵在于1比特編碼電路。模擬信號經過△-∑調制編碼技術變換成連續為1和0的1比特信號。這一處理過程進一步發展為7階△-∑調制電路?？捎靡纛l范圍內的量化噪聲總量與噪聲整形曲線階數有關，采用7階△-∑調制可將量化噪聲移到更高頻率范圍而使在可聽音頻信號范圍內的量化噪聲大大降低，從而保證了音頻信號的動態范圍。

二、1比特技術的運用

眾所周知，比特數越高轉換準確性也就越高， 重放效果也就越好。

在C D 唱機中的16比特輸人信號轉換成1比特信號， 高速電子開關通過l比特信號接通或斷開脈寬調制（PWM ） 或脈密調制（PDM ）的等幅信號， 將最后得到的脈沖信號通過低通濾波器， 就可以獲得模擬信號。1比特D A C 除了能克服前述失真的主要優點外，即使極度輕奏的樂段聽起來也很清晰， 且余音很悅耳。另外1比特D A C 另一個優點是以噪聲整形技術為支柱， 可靠地把高比特技術數字信號轉換成低通帶量化噪聲的1 比特信號，從而獲得較高的整機性能。因為在1 比特轉換過程中會產生大量的噪聲， 這種噪聲是大致平均分布在系統的整個帶寬內的。噪聲整形的目的是改變噪聲的頻率分布.將音頻段的噪聲電平壓低， 與此同時卻會使超聲頻段的噪聲電平提高。但音頻段以上的噪聲不會帶來問題， 只要用濾波器將其濾掉即可。這樣20kHz 以下的噪聲被大大壓低到聽不出的水平。因此， 1 比特轉換加噪聲整形技術， 可以獲得極佳的線性和極低的噪聲。此外， 1比特D A C所用外圍元件比多比特D A C 少， 甚至無需調整， 1 比特D A C 相對多比特D A C 來說， 還具有精度離散性小，價格便宜的特點。它一反以往為追求高性能而不斷增加量化比特的傾向， 其思路完全與多比特D A C 相反。不但解決了非線性失真問題， 同時也能解決過零點失真問題。1 比特D A C 使用復雜的數學變換方法， 以極高的頻率取樣。例如飛利浦公司的Bsttream的取樣頻率為11.3MHz 即44.1kHz的256倍， 將C D上的16比特數字編碼信號轉換為一系列等幅脈沖信號，即D A C 對C D 的數據每次處理1比特， 經過濾波，即可取得與原模擬信號高度一致的還原。

常規放大器主要依靠輸入信號和輸出信號之間的線性關系，但缺點是工作效率較低，且要消耗電能較大，不環保且體積較大，而1比特放大器可以減少4/5的熱輻射，它簡單地通/斷開關運作，使其功耗只有常規放大器的一半，這也使1比特放大器體積減小，方便攜帶。

三、發展趨勢

不論采用多比特還是1 比特技術， 歸根結底我們關心的是音頻的重放音質。在多比特與1 比特共同存在的情況下， 到底哪種好？ 答案是不能一概而論的。還要受到放音設備芯片的質量及其它設計的影響。當多比特的采樣頻率和量化精度接近于1比特超采樣2.8224MHz，樣值間隔0.3543μs時，音頻的質量是等質的，但是多比特會存在量化誤差帶來的量化噪聲（人耳已很難分辨的出來），而1比特的量化噪聲通過7階△-∑調制將量化噪聲移到更高頻率范圍，從而降低噪聲。

我們能不能假設1比特技術與多比特技術是不是存在著一個在音質上的分水嶺？由于1比特是以超高采樣頻2.8224MHz，樣值間隔0.3543μs對高頻數字信號進行調制，再用一只低通濾波器去掉高頻分量，還原成模擬信號的，那么我們就以采樣頻率2.8224MHz，樣值間隔以0.3543μs為界，是不是采樣頻率2.8224MHz以下就是1比特格式的天地呢？或者說2.8224MHz以上多比特格式就更勝一籌呢？在放音設備中DAC的性能在很大的程度上受到其位數即比特數的影響。從理論上說提高比特數可以改善C D 的重放效果， 同時信噪比也可提高。也就是說， 比特數越高轉換準確性也就越高， 重放效果也就越好。當然儲存容量也隨著采樣頻率和量化精度的提高而增大（數據流=fs·N·T·M，其中fs為采樣頻率，N為量化比特數，T為時間單位：秒，M為軌道數），但1比特格式的采樣頻率和量化精度是確定的，所以它的儲存容量隨著變量T和M改變。當多比特格式的采樣頻率低于2.8224MHz時，多比特格式的聲音信號的質量是不如1比特格式的，但在儲存容量上是優于1比特格式的，但是當多比特格式的采樣頻率高于2.8224MHz時，多比特格式的聲音質量是高于1比特格式的，但在儲存容量上是劣于1比特格式的。在模擬信號的連續波形中， 幅度的值可以分割成無限多， 那么以有限多的量化取值來表示無限多的幅度值， 也就是一種近似的表示。這就是量化誤差產生的根源。其后果就使還原后的模擬信號出現了與原信號的波形不一致， 形成非線性幅度失真。而受誤差影響最大的是非常弱的聲音信號。這是因為低電平信號采樣后幅度也非常低， 同樣大小的誤差對于表示非常低的幅度脈沖的量化值來說，相對誤差就很大。這在多比特格式中采樣頻率和量化精度越小的情況下越明顯，所以許多C D 在一90dB的低電平時，其（ 線性） 可達到幾個dB， 耳朵已經聽得很明顯了。在C D 唱機中的16比特輸人信號轉換成1比特信號， 高速電子開關通過l比特信號接通或斷開脈寬調制（PWM ） 或脈密調制（PDM ）的等幅信號， 將最后得到的脈沖信號通過低通濾波器， 并獲得模擬信號。1比特D A C 除了能克服失真的主要優點外，即使極度輕奏的樂段聽起來也很清晰， 且余音很悅耳。另外1比特D A C 另一個優點是以噪聲整形技術為支柱， 可靠地把高比特技術數字信號轉換成低通帶量化噪聲的1 比特信號，從而獲得較高的整機性能。因為在1 比特轉換過程中會產生大量的噪聲， 這種噪聲是大致平均分布在系統的整個帶寬內的。噪聲整形的目的是改變噪聲的頻率分布.將音頻段的噪聲電平壓低， 與此同時卻會使超聲頻段的噪聲電平提高。但音頻段以上的噪聲不會帶來問題， 只要用濾波器將其濾掉即可。這樣20kHz 以下的噪聲被大大壓低到聽不出的水平。對于多比特DAC來說，通過提高比特數來解決低電平非線性失真和進一步改善信噪比。而1比特技術以優越的采樣技術，記錄以超高2.8224MHz采樣的各量化樣值之間的變化量，加之以噪聲整形技術為支柱，以簡易的1比特數字信號處理環節，忠實地的記錄、存儲和傳送原來的模擬聲音信息，獲得真實的聲音。 且1比特DAC所用外圍元件比多比特DAC簡易，還具有精度離散性小，價格低廉的特點。由于多比特技術一步步量化比特數的提高，其需要存儲的內存也越來越大。所以，我們有理由相信未來的發展將是超高音質1比特技術的時代，而1比特DAC也將會越來越被廣泛的運用！

四、總結

總的來說，在數字音頻的領域中，1比特DAC與多比特DAC都有各自的優勢，但又有各自的缺點，所以，在1比特DAC已認知的基礎上，綜合對1比特DAC與多比特DAC的比較，筆者認為它們的發展趨勢是劃江而治的，2.8224MHz將會是它們的分界點，2.8224MHz以下，1比特DAC將更能發揮自身的獨特優勢，呈現出更真實自然的聲音。多比特的聲音質量是比不上1比特格式的音頻的。在采樣頻率為2.8224MHz以下時，可以將采樣頻率低于2.8224MHz的多比特格式作比較，多比特格式的聲音質量在這個范圍在不如1比特格式的，但為什么人們不選擇1比特格式呢？這就是在大眾對音質要求不高的情況下，儲存容量成為首要考慮的因素，其實1比特的音質不亞于模擬音質了，但聽眾大都是非專業人員，對高音質音頻需求不是那么強烈，也就降低了對1比特音頻的關注度了，更何況當多比特的采樣頻率高于2.8224MHz時，可想而知了。雖然1比特技術可以解決放音音質的非線性失真問題，同時也能解決過零點失真問題，但是畢竟多比特音頻的量化噪聲太小了，人耳是不易分辨出來了的，同時多比特音頻音質也沒差到難以入耳，綜合以上考慮，人們對1比特的關注度也就沒那么高了，在對1比特與多比特音頻的選擇，就看大眾考慮的因素是偏向于音質多一些還是儲存容量多一些罷了。

注釋：

[1]華工.超高音質1比特技術剖析[J].實用影音技術，2005.

參考文獻：

[1] 盧官明，宗昉 《數字音頻原理及應用》[M]. 北京：機械工業出版社，2015.

[2] Ken C. Pohlmann（美） 《數字音頻原理及應用》[M].第六版 "北京：人民郵電出版社 2013.3.

[3] 韓憲柱 《數字音頻技術及應用》[M].北京：中國廣播電視出版社，2003.

[4] 劉長年 《數字廣播電視技術基礎》[M].北京：中國廣播電視出版社，2003.

[5] 陳華《音頻技術及應用》[M].成都：西南交通大學出版社，2007.