科學角度看音響8： 負回授與數位音源原理

PCM優點在取樣精緻

PCM的優點在於取樣方式較為精緻所以天生在數學上雜訊就少，但是缺點則是會整死一堆水電工，因為要能夠把振幅很精確地轉成數字，需要靠一大排精準的電阻或電容電路，同樣要播放回來也是。所以在早期PCM數位錄音剛發展時錄音器材都貴上天去了但是效果仍然不良，水電工本人最愛的大師卡拉揚晚年拚了命重錄一堆經典名曲，最重要的原因就是發現了當時的錄音技術竟然可以超過CD剛發展時甚多，要是不重錄的話很多好歌都被錄爛了。時到今日則差距更多了，過去我們都嘲笑LP老唱片怎樣都比CD好聽幾百倍，現在很多LP迷也能夠從高階設備和新錄音中找到很多數位音源的樂趣了。

在過去幾年間由於索尼大神作梗，想要改善PCM音源造成的設備問題，因此開始狂推SACD，SACD的調變方式回到了Apple時代走PWM的方式，稱之為DSD。電影中的索尼罪大惡極搞得民不聊生，所以事實上SACD也沒有比較便宜，還加了一堆防拷什麼的搞到大家也不太愛用。到頭來SACD也消失了，只剩下一堆DSD錄音檔還存在網路上，有些玩家特愛DSD檔，所有設備都要支援DSD才肯購買，我們就來看看DSD的前世今生。

Apple的喇叭控制法

水電工小學時代聽到Apple電腦喇叭可以發出音樂真是夠嚇人了！水電工本於求知的精神馬上去翻當時Apple原廠出的程式設計手冊才發現Apple發出聲音的方法很簡單，就是它的CPU 6502有個IO port解碼到喇叭的驅動器上，當你把那個IO port電位推高，喇叭就被充電推出去，當你把那個IO port輸出值歸零就掉回來`.所以你充放電間隔時間愈短就能發出頻率愈高的聲音，這基本上就是種PWM。

DSD原理

水電工在前幾期談到D類放大器時也提過PWM的原理，但D類放大器是使用鋸齒波來做為輸出要為1或0的比較基準，它要變化1或0的時間是類比的，沒有最小單位的，而數位錄音的PWM則是有固定的變化時間，好比DSD的基本取樣頻率2.822MHz所以它的時間間隔最小單位就是1/2.822M秒。

DSD在取樣過程中同樣要經過比較器，且和D類差不多，但是走的是Delta-Sigma方式，不斷比較目前樣本和前個樣本振幅變化，所以錄音設備不會比PCM好做太多，但是仍然比傳統平行式PCM架構的東西好做。至於回播系統就更容易，基本上偷懶一點的話直接把數位串流整理好，變成左右聲道獨立資訊，直接送往由不同截止頻率組合起來的超多階類比濾波器出來就是你要的音樂了。

DSD目前的主規格稱之為64fs也就是2.822MHz的取樣率，也就代表著它是以傳統CD 44.1KHz足足64倍的頻率取樣的，而若是128fs的DSD就代表是以128倍速度取樣。由於DSD是使用1 bit取樣，因此超倍頻是必要的措施，傳統16 bit PCM在2個樣本間可以由-32768衝上32767（但這種情況絕少出現），樣本的振幅跨距就達到65536。但是DSD每個樣本不是0就是1，若是在同樣一個PCM樣本的時間內沒有足夠多的1或0讓積分線路進行曲線加速度那麼能造成的聲音動態就比PCM少太多了。

DSD的缺點就是跨距小

DSD在數學上可以說缺點多多，在實際應用上也可以發現很多問題，它最大的問題就在於樣本只有0和1，造成短時間內樣本群能表達的跨距太小，這也就是我們上節提過的取樣誤差造成的雜音。它的雜音是16bit CDROM樣本的65536倍，24bit PCM的16M倍，同時它的取樣速度非常高，所以整個取樣函數在整體頻段內造成的總雜訊也非常大（還記得嗎？每次的取樣就是一次雜訊）。若不經過設計良好的多階數位低通濾波器，那麼這樣雜訊都會殘留在音頻訊號中。雖然就資訊量來說64fs的DSD已經比CD 44.1KHz 16Bit PCM好了，但是實際上我們從量化雜訊高達PCM的數萬至千萬倍來看，就可以發現它在64fs必然會殘存難以彌補的量化雜訊在。

因此水電工認為DSD只有在128fs可以和CDROM一比。各位看倌若仍然不信，我們來看看一些測量結果，這些測量都是以儀器直接產生樣本，直接送出至DA再生訊號，因此絕對不存在網路上一堆人牽拖什麼DSD over PCM會害DSD變差的鳥事。

以下的1K方波在44KHz PCM系統再生的情況很平順，但在DSD 64fs就可以看到一堆毛邊，而DSD 128就好了許多。突波樣本的暫態反應則更顯示出DSD雜訊很寬又很多的毛病，就算用到了DSD 128fs還是比不上PCM 44KHz。實際播放使用同一台DA來放SACD音源以及PCM音源，在同樣的錄音下SACD的音場後退又縮小，只有主體音比較有線條，再再都反應出DSD-64有著不可忽略的缺點。(作者:台灣水電工)

▲PCM 44KHz