揭開 DSD 的神秘面紗：數位音訊編碼之爭 DSD vs. PCM

DSD和PCM編碼比較

由上面的介紹就可以看出，DSD和PCM是兩種完全不同思維模式的編碼，而兩種規格也擁有各自的優點和缺點，底下筆者將非常淺顯的介紹DSD編碼相對於PCM編碼的優缺點。

DSD編碼優勢 

• 1. 理論上極高的取樣頻寬：
  標準的DSD音樂使用2.8224MHz取樣頻率，理論上能夠記錄最高到1411.2kHz〈取樣頻率的一半〉的聲音，相較於傳統CD使用的44.1kHz取樣頻率，這讓DSD格式擁有非常寬廣的取樣頻寬，即便和目前錄音室常見的高規格24bit/192kHz PCM錄音相比〈取樣頻寬最高達96kHz〉，DSD也擁有超過14倍之多的取樣頻寬。
• 2. 優良的動態範圍〈0~20kHz〉：
  DSD訊號經由高頻雜訊整形〈noise shaping〉電路處理，將DSD帶有的高頻雜訊，提升到超越人耳聆聽範圍外的頻率後，在0~20kHz的頻率範圍內，DSD擁有理論數據上高達150db的動態範圍 〈如下圖〉，相較於16 bits/24 bits PCM編碼的96db/144db動態範圍，DSD編碼理論上擁有更好的動態範圍〈0~20kHz〉。

▲DSD和PCM編碼比較，紅色框格內代表24/96kHz PCM編碼可記錄的範圍，橘色為24/192kHz，綠色為24/384kHz可記錄範圍，24bit的PCM訊號底噪坐落在記錄範圍之外，理論上小於-144db；藍色線為2.8224MHz DSD在不同頻率範圍的底噪示意圖，可以發現在大約30kHz後，DSD編碼的底噪急遽上升，在接近極限頻率時達到大約-6db的響度。〈圖片來源：Playback Designs〉

• 3. 更小的音樂容量：
  DSD編碼在儲存容量上也具有一定的優勢，隨著音質的提高，PCM音樂的檔案大小可以說是指數型成長。而DSD由於編碼上的優勢，在標準的2.8224MHz取樣頻率下，DSD的檔案容量只約略超過24/96kHz的PCM音樂一些。這使得DSD不論是在儲存或是網路下載，都比PCM格式來得有優勢。

• 4. 除了上列的優勢之外，DSD音樂在播放時還具有無取樣頻率限制、直接支援DAC主要時鐘和長傳輸距離的優點。

DSD編碼缺點

上面提完DSD的主要優勢，但就跟多數的規範一樣，DSD也有其無法克服的技術缺點。而且這些實際操作上的缺點，反倒嚴重的抵銷DSD上述的優勢，並且在大多數情況下還產生更多的問題，底下就讓筆者來介紹一下DSD編碼相較於PCM編碼有甚麼樣的缺點。

• 1. 實際上較窄的頻率範圍：
  標準的DSD編碼有一個先天的缺點，相較於CD規格的16bit/44.1kHz的-96db〈16*6db〉底噪來說，DSD的底噪高達-6db，這個現象在實際測量上也可以觀察到〈見圖X〉。DSD編碼在超過20kHz的時候，會產非常大量的高頻雜訊，如果不將這些雜訊移除，將會對後端的音響器材造成傷害。所以必定需要經過濾波技術的處理，現在的處理方式是利用雜訊整形電路，將雜訊移到人耳聆聽範圍外〈>20kHz〉。
  
  但這也說明後續就要由低通濾波器將這些雜訊移除，由Sony的規範書來看，DSD訊號必須經由一個截斷點為50kHz的低通濾波電路處理移除高頻雜訊。這使得現實上在播放時能使用的最大頻率範圍，大約只比30kHz高一點點，這直接影響到DSD其中一個優勢：「理論上極高的取樣頻寬」。為了減少高頻雜訊的問題，目前最新的DSD檔案都使用雙倍的取樣頻率〈DSD128〉，理論上藉由雜訊整形電路，能夠將高頻雜訊推到更高的頻率範圍，但實際上還是無法解決通過低通電路後實際能用的頻率範圍。
• 2. 檔案經過多次格式轉換：
  由於DSD編碼是一種單位元的記錄格式，使得DSD音訊幾乎完全無法利用現在的音訊設備來編輯，因此在音樂後製的時候，DSD音訊還是必須被轉換成PCM音訊來編輯。目前的DSD音樂編輯模式，是先將DSD轉換成Digital eXtreme Definition〈DXD〉格式，DXD本質上就是352.8kHz / 24bit的PCM編碼音訊，等後製和音樂編輯完畢後，再轉換為DSD訊號。因此DSD音樂檔案反倒同時繼承DSD和PCM的缺點，並且在多次的轉換過程中，還會額外導入另一層的高頻雜訊，這使得DSD原本希望移除PCM編碼缺陷的初衷，完全不存在現在的DSD音樂中。
• 3. 相對高解析PCM編碼沒有顯著優勢：
  DSD編碼當初的比較目標大多是CD規格的PCM音訊，但在高解析度的PCM音訊流行的當下，高解析度PCM音訊實際可用的取樣範圍和雜訊控制能力，完全優於標準的DSD格式〈見圖X〉。為了解決這個問題，剛剛提到雙倍取樣的DSD128音訊就此誕生，雖然可以些微的降低DSD雜訊過高的問題，但單位元編碼先天上的缺陷依然存在，並且雙倍取樣的DSD128音樂檔案大小，對比高解析PCM音訊來說，也變得沒有儲存容量上的優勢。
• 4. 硬體支援度不廣泛：
  DSD處理對於目前已經習慣PCM音樂已久的音樂製作公司來說，必須投入額外的成本才能進行後製，所以嚴重的影響到DSD格式的推廣。此外目前市面上絕大多數支援DSD播放的DAC，是將DSD音訊重新編碼回PCM訊號的方式來播放，只有非常少部分的DAC支援原生播放DSD音樂。除此之外，DSD傳輸並沒有被大多數傳輸規範所納入，像是USB Audio 2.0和Mac平台的特性規範中，音訊傳輸就只有標準PCM一種格式。
  
  好在最近被推廣DSD-over-PCM〈DoP〉傳輸規範解決這部分的問題，這個傳輸規範使用24bit/ 176.4kHz PCM傳輸來包裝DSD訊號，利用前面8個位元來當做DSD的標記。又由於2.8224MHz取樣的DSD音訊資料量相當於16bit/176.4kHz的PCM音訊資料量，所以後面的16位元就可以用來包裝DSD音訊，讓有能力的硬體廠商自行研發DSD解決方案，並且也讓不支援DSD傳輸的iOS系統有機會播放DSD音樂。當然這樣的傳輸規範也有它的缺點，那就是由於資料是藉由PCM訊號的方式包裝，如果當硬體誤判DSD為PCM訊號時，就會在88kHz的地方產生一個大約-34db的雜音，並且播放DSD的相關操作和設定過程相當繁雜，所以DSD音樂規格還是相對地不普及。

▲利用16/176.4kHz PCM格式包裝標準DSD音訊的示意圖，前8個位元為識別標籤，後面16位元為DSD編碼訊號。

小結

相信看完以上的介紹文章，各位讀者對於DSD這個編碼格式都有了一定程度的了解，也許有人會問說：既然DSD有那麼多不便和缺點，為什麼最近突然有一群廠商在推廣DSD音樂格式？

筆者必須在這邊說，沒有一個格式是沒有缺點，端看實際使用和市場的反應。不過關於DSD規格會在最近被推廣的原因，筆者推測和DSD規範出現到現在已經超過十年有關，大部分的技術類專利有效期限是十年左右，所以基本上DSD格式現在已經成為一個開放式規格。再來目前主力的推廣DSD的公司，是當初開發DSD規格的Andreas Koch所任職的Playback Design，自然會希望能夠將DSD音樂推廣開來。

反倒是製造業界用於轉換DSD與PCM標準規格的瑞士數位音樂公司Weiss的老闆Daniel Weiss，在兩年前發表了一份簡短的DSD白皮書，很明白的點出DSD無法後製處理，一定要先轉換為PCM訊號，才能進行必要的後製工作。所以在錄音階段，Weiss推薦還是先用PCM格式儲存聲音訊號比較實際。

再順道回過頭看一下當初制定DSD規範的Sony，目前和日本音響協會一同制定新的「Hi-Res」認證，仔細閱讀其內部規範後，可以發現雖然DSD同樣被視為高解析音源，但是在高解析音源的定義中，並沒有對DSD格式做特別著墨，可以推敲出Sony對這個已經失去專利主導權的音訊格式的態度。

但總體而言，DSD和PCM誰好誰壞並不是真正的重點，它們都只是儲存音樂的一種格式，重要的還是裡面所包含的音樂。因為音樂的感動並不是靠音樂儲存格式來決定，一個儲存格是只要還有足夠的人在繼續使用，就有它被保留的意義存在。至於DSD和PCM到底誰會成為未來格式的霸主？就讓音樂製作公司來煩惱吧。

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