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為什么Hi-Fi音頻正成為智能手機和平板電腦的下一件大事 作者：Cirrus Logic英國音頻產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)事業(yè)部產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理 Nigel Burgess 隨著(zhù)諸多技術(shù)突破和新的流媒體音樂(lè )服務(wù)的不斷融合將Pro Audio高保真（Hi-Fi）功能帶入移動(dòng)設備，未來(lái)對于智能手機、平板電腦和其他移動(dòng)設備來(lái)說(shuō)是非常燦爛的。正如高清電視改變了人們看電視的方式，Hi-Fi音頻將成為便攜式設備，尤其是智能手機的下一件大事。 事實(shí)上，在優(yōu)化移動(dòng)設備的聲音質(zhì)量方面發(fā)生了許多變化。Hi-Fi音頻功能可以減少噪音、失真或其他數字干擾的影響，例如前鈴振聲音，盡管聽(tīng)眾可能沒(méi)有意識到，但毫無(wú)疑問(wèn)會(huì )影響他們的聆聽(tīng)體驗。而驅動(dòng)程序和增強功能則將為移動(dòng)音質(zhì)帶來(lái)“黑膠唱片般的質(zhì)感”，卻不會(huì )消耗太多電量。 這股風(fēng)潮來(lái)自哪里？ 第一個(gè)指向Hi-Fi音響的指標，是流媒體音樂(lè )訂閱的增加。據MIDiA全球流媒體音樂(lè )用戶(hù)研究協(xié)會(huì )（MIDiA Research Streaming Music Subscribers）2016年12月的報告顯示，流媒體音樂(lè )用戶(hù)數量從2014年到2016年翻了一番，從4,100萬(wàn)用戶(hù)增加到1億，預計到2020年將達到2.77億。另外， 《BuzzAngle 2016美國音樂(lè )產(chǎn)業(yè)報告》指出，2016年美國任何一天的日均流量（平均每日12億）比全年的歌曲下載量還多（7.334億）。MIDiA數據顯示，以Spotify（4300萬(wàn)訂閱者）、Tidal（約100萬(wàn)）、Deezer（690萬(wàn)）和Apple Music（2090萬(wàn)）為代表的流媒體服務(wù)正在主導整個(gè)市場(chǎng)。目前，只有Tidal和QobuzTM提供Hi-Fi流媒體，而Deezer、Soundcloud和JooxTM則提供部分Hi-Fi音效。如果Spotify、蘋(píng)果和亞馬遜等大公司開(kāi)始提供Hi-Fi流媒體播放，那么預計市場(chǎng)將大幅增長(cháng)。根據SAR Insight＆Consulting1預測，到2020年，高分辨率音頻（HRA）的下載量將從全球音樂(lè )下載量的1％（2016年）增加至11％。 
圖1. SAR Insight＆Consulting預測，到2020年，高分辨率音頻下載量將增加至全球音樂(lè )下載量的11％。 在早期用戶(hù)的引領(lǐng)下，這些服務(wù)將喚醒用戶(hù)在目前的智能手機設備上根本無(wú)法體驗到的完全不同的音樂(lè )體驗。但為什么目前的智能手機或其他移動(dòng)設備的音質(zhì)這么差？這與移動(dòng)產(chǎn)品的物理限制有關(guān)：尺寸、重量和電池壽命。目前，各種技術(shù)限制交織在一起，阻礙了高性?xún)r(jià)比的Hi-Fi音頻在便攜式設備上的應用，但是這種情況正在發(fā)生轉變。 將專(zhuān)業(yè)音頻帶入移動(dòng)設備 “Hi-Fi”音頻是如何定義的？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它是盡可能接近原始音樂(lè )源的低噪聲和低失真音頻。在更技術(shù)的層面上，Hi-Fi音頻是指允許“無(wú)損”聲音傳輸的比特率。為了壓縮音樂(lè )，系統會(huì )忽略掉它認為人耳聽(tīng)不到的聲音，以節省存儲空間。然而，這種“有損”壓縮，即MP3，卻確實(shí)降低了音頻質(zhì)量，因為人耳實(shí)際上可以辨別出這種差異。 這就解釋了為什么在某些便攜式設備上收聽(tīng)壓縮音樂(lè )時(shí)，一般用戶(hù)都可以聽(tīng)出“差異”，但不知道為什么。將Hi-Fi音頻傳輸到移動(dòng)設備時(shí)，還會(huì )帶來(lái)其他的挑戰。過(guò)去，移動(dòng)設備的存儲量不夠。只是到了現在，智能手機才有了足夠的存儲空間來(lái)跟上更高分辨率的音頻。事實(shí)上，移動(dòng)產(chǎn)品的存儲容量在過(guò)去幾年中呈指數級增長(cháng)，因此存儲大量無(wú)損音頻文件（如免費無(wú)損音頻編解碼器（FLAC））文件）已經(jīng)不成問(wèn)題。這意味著(zhù)用戶(hù)不必在音頻質(zhì)量上妥協(xié)，就能夠在手機上存儲多張專(zhuān)輯。此外，許多在線(xiàn)音樂(lè )存儲公司現在允許用戶(hù)下載，還可以隨意刪除歌曲和專(zhuān)輯，從而無(wú)需將整個(gè)音樂(lè )集存儲在手機上。 音頻芯片設計人員也在不斷開(kāi)發(fā)，努力將高性能功能集成到更輕巧的部件中。這些組件不僅尺寸變小，而且功耗更低，最大限度地延長(cháng)電池壽命。尺寸和功耗是輕型智能手機或可穿戴式設備的物理因素要求。其他技術(shù)性的音頻設計元素被用于優(yōu)化壓縮音樂(lè )和流媒體播放。 指標不代表一切 消費者可能對特定的規格參數比較關(guān)注，規格確實(shí)能給產(chǎn)品重現高質(zhì)量音頻的能力提供很好的參考。然而，高質(zhì)量的音頻卻不僅僅只是規格。除了達到某些數據等級，如16位/96kHz甚至更高，在重現清澈的Hi-Fi音頻方面，有許多微妙的額外因素需要被考慮到。這些因素會(huì )對音頻質(zhì)量產(chǎn)生巨大影響。 “無(wú)抖動(dòng)”音頻 比如，抖動(dòng)會(huì )破壞再現的音頻質(zhì)量。所有時(shí)鐘信號都受抖動(dòng)的影響。在典型的系統中，如果抖動(dòng)總量低于-105dBFS，抖動(dòng)的聲音聽(tīng)不到。在音頻系統中一開(kāi)始就要考慮到時(shí)鐘性能，實(shí)質(zhì)上它必須是音頻系統DNA的一部分。這包括提供準確的參考時(shí)鐘或圍繞專(zhuān)用的精確鎖頻環(huán)（FLL）設計IC以補償不準確的參考時(shí)鐘。通過(guò)鎖定外部基準和提供原始參考時(shí)鐘的低抖動(dòng)替代，片上FLL為內部的數模轉換器（DAC）和放大器提供了低抖動(dòng)的時(shí)鐘基準。 先進(jìn)的Hi-Fi濾波器 先進(jìn)的Hi-Fi濾波器最初是為了高性能DAC而設計的，應用于許多高端專(zhuān)業(yè)的音響系統中，現在也被應用在便攜式應用的智能編解碼器中。這意味著(zhù)，智能手機、平板電腦和其他產(chǎn)品現在也能享受自然的聲音了。 精心設計的Hi-Fi濾波器可最大限度地減少數字信號處理的影響。下圖是高級512單位元DAC架構的圖形表示，它順序濾除噪聲，以幫助消除數字世界的影響，并提供自然的人們最想聽(tīng)到的聲音。
圖2 Cirrus Logic CS 43130中的512單位元DAC圖示 除了減少抖動(dòng)這一影響音效的因素外，濾波器還能改變滾降和相位響應，從而消除前鈴振。例如，鐃鈸碰撞的聲音通常是人們不想聽(tīng)到的，因為在開(kāi)始擊打時(shí)它的聲音總是不清楚并伴隨著(zhù)一些雜音。 我聽(tīng)到的是前鈴振嗎？ 前鈴振是在數字處理的過(guò)程中人為制造的，導致人們在真實(shí)的聲音出現之前聽(tīng)到一些聲音。這意味著(zhù)聲音并不像它應該有的那樣清晰�，F實(shí)世界中不存在能夠發(fā)出前鈴振的聲音，人耳對前鈴振聲也非常敏感。如果濾波器在數字模擬轉換的過(guò)程中沒(méi)有正確運作，再現的聲音往往聽(tīng)起來(lái)模糊低沉，暗啞呆板。 下圖通過(guò)使用Cirrus Logic CS43130低功耗DAC帶來(lái)的真實(shí)效果，展示了如何通過(guò)濾波器去除前鈴振，并提供了一系列可供選擇的濾波器。左圖中的可視聲波可被視為優(yōu)先的主要音頻信號（比如打鼓聲）。后鈴振指聲音產(chǎn)生后的現實(shí)世界中確實(shí)存在的聲音，比如鼓被擊打后的振動(dòng)。但是，前振鈴聲波是數字處理過(guò)程中音頻濾波器操作失敗所導致的結果。如右圖所示，先進(jìn)的Hi-Fi濾波器和變化范圍更大的濾波器能夠消除前鈴振，使后鈴振更富變化、更自然，呈現高質(zhì)量的聲音效果。
圖3 Cirrus Logic CS 43130 DAC中先進(jìn)的Hi-Fi濾波器消除前鈴振示例 高動(dòng)態(tài)范圍對于減少失真至關(guān)重要 對于無(wú)失真自然聲數字音頻來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)范圍是音頻工程中另一個(gè)非常重要的因素。人耳的動(dòng)態(tài)范圍很廣，既能聽(tīng)到非常輕的聲音也能聽(tīng)到非常響的聲音。這一音量范圍被稱(chēng)為動(dòng)態(tài)范圍。 為使最大信號范圍被正確再現，高性能DAC的高動(dòng)態(tài)范圍非常關(guān)鍵。如果DAC的動(dòng)態(tài)范圍很低，特別是在低于96dB的情況下，增大音量時(shí)，用戶(hù)會(huì )聽(tīng)到數字本底噪聲。一個(gè)典型的16位MP3文件的動(dòng)態(tài)范圍是96dB。在當今先進(jìn)的Hi-Fi音頻格式中，24位FLAC的動(dòng)態(tài)范圍是144dB，32位音頻的動(dòng)態(tài)范圍也相應更廣。（FLAC是類(lèi)似于MP3的一種音頻格式，不同的是，FLAC是無(wú)損的，意味著(zhù)它即使被壓縮音質(zhì)也不受損。）通過(guò)提供高達130dB的動(dòng)態(tài)范圍，在所有的放大器增益設置中，最小和最大的數字信號能夠在不受底噪聲影響的情況下被傳遞。 夢(mèng)想即將成為現實(shí) 在移動(dòng)設備上聆聽(tīng)數字音樂(lè )在全世界范圍內日益流行，在便攜設備中運用上述音頻技術(shù)可謂正逢其時(shí)。最近尼爾森發(fā)布的《2016中國音樂(lè )360報告》充分地證明了這一點(diǎn)。報告披露，72%的中國人平均每周聽(tīng)音樂(lè )的時(shí)間為16小時(shí)，千禧一代甚至高達19小時(shí)；66%的音樂(lè )收聽(tīng)者（69%的千禧一代）通過(guò)智能手機聽(tīng)音樂(lè )。作為一個(gè)超過(guò)10億人口的國家，中國一個(gè)國家的情況就預示了智能手機音頻領(lǐng)域巨大的增長(cháng)潛力，智能手機制造商對這一趨勢也密切關(guān)注。流媒體音樂(lè )服務(wù)的涌現和訂閱者的增長(cháng)、Hi-Fi音頻的流行，進(jìn)一步推動(dòng)了對移動(dòng)設備Hi-Fi音頻的需求。當芯片技術(shù)提供商還在攻克芯片大小、存儲量、電池壽命和其他移動(dòng)平臺上的諸多限制時(shí)，音頻器件的設計師則打開(kāi)了研發(fā)新技術(shù)以提升用戶(hù)聆聽(tīng)體驗的大門(mén)。這就是為什么Hi-Fi音頻能夠繼智能手機、平板電腦和可穿戴設備之后成為下一個(gè)市場(chǎng)焦點(diǎn)。將高質(zhì)量的專(zhuān)業(yè)音頻帶到移動(dòng)設備中去，這并不遙遠，在此時(shí)此地即將實(shí)現。 |
