电脑HIFI心得，无损格式技术原理通俗解释

jalen0824

    小弟研究电脑HIFI有一段时间了，由于时间有限，资金有限所以更多的功夫花在了技术层面的研究，结合自己专业所学以及互联网收集到的资料，给大家阐述下无损音频的技术原理以及为何为无损。
       首先给大家解释一个问题：什么是数字信号，什么是模拟信号？
       数字信号：顾名思义传到的就是数字，但是不是我们习惯的1234567890，二是高低电平，转化为数字就是0和1，也就是我们常说的二进制。我们在此不需要了解数字信号是如何传输的而又是如何解码的，我们只需要知道数字信号要求必须准确，必须进行校验，换句话说在理想环境下可以同时出现两组一模一样的数字讯号。比如我哥哥告诉我现在12点了，和我妹妹告诉我现在12点了一样，不管是谁说的，我都得到了数字“12”。
       模拟信号：模拟信号的具体实现我也不想多说，我们也涉及不到。通俗的说模拟信号在电气中的表现就是振动，然后在由线性采样后标示为波。模拟信号传送入音箱后由于电位的不断变化导致电磁势能传唤从而推动振膜发声，这是音箱的最基本原理。我们需要知道的模拟信号的特性是：不可能出现两段完全一样的模拟信号。如果非要问为什么不可能，我还是给大家举个例子，信号通过导线传输，如果导线电阻变了，信号肯定就有一定变化，那么这一秒我们收到的信号跟下一秒的就是不一样的，因为错了一秒导线肯定就老化了一秒，所以两次信号肯定是有一定差别的，只是我们不可能听出来。
      
       大家如果能明白上面的问题就可以解释什么是无损音乐了。
       首先，不论什么音乐肯定都是乐器演奏出来的，或者肉嗓子唱出来的，这些省心信号其实就是声波，如果我们要记录声波就要用到麦克风，麦克风其实就是把声音这种模拟信号传换为了电信号中的模拟信号然后再由录音装置进行记录。
       关键问题就出在记录这一步。过去的碟片记录是将声音信号刻在了黑胶碟片上。原理是这样的，假设过去刻盘时麦克风就是一个振膜配上一把刀，而到自己就链接在振膜上，当我们发出声音时导致振膜振动，而振膜振动导致刀子振动，刀子振动时如果放上的碟片则会将声音的振动痕迹可在盘片上。播放的时候正好是一个逆程序，我们让读碟的针插进碟片的缝隙中，就是当年录音时刻出来的痕迹，然后再连接一层发声用的振膜，盘片转动，致使振膜跟着振动进而发声。所以在当时的留声机唱片下碟片记录的其实都是模拟信号。这也就是为什么母盘音质最好。
       然而现在的声音录制又是如何实现的呢？是麦克风和一个ADC模块，什么是ADC呢？其实就是模数转换器，就是模拟转数字呗。这里我们得把声音这种波打碎了来分析。就拿我们能解除到的最好的记录模式CD吧，其实是采用的44.1KHz的16bit采样，这些数字代表什么意思呢？就是说，记录声音时每秒记录了44100次信息，每次记录了16位的数据，16位的数据就是两个字节，如果以声音的频率来标示能记录多少种频率呢？就是2的16次方种，也就是65536种，而我们人类的耳朵能听到的范围呢？是20-20000Hz，也就是说cd每秒记录了44100次的音频信息，可记录的的音频范围从0-65536Hz，而实际上人缺只能听到其中一部分，也就是说在PCM编码时我们还可能精确到0.3hz（由于没有具体研究过PCM编码，这里只是猜想）。如果谁要说这样的记录还不够保真的话我只能说，我没见过谁的耳朵这么厉害，能听出来123赫兹的音频跟130赫兹的音频有差别，所谓保真就是听不出来差别就行了，当然这与我们HIFI的理念相悖，但是事实确实如此，除非听现场。
      
      还是我前面提到的数字信号和模拟信号转换的问题，一旦声音信号被记录为了数字信号那么一切就确定了。。。。

      哎呀不行了，还得去办事先写到这里晚上继续写。。。。


       书接上文吧，写的仓促错别字不少，看到的理解下了。。{:soso_e113:}
      恩。。不好意思写的有点乱，还是得给各位hifier说明一个问题，数字信号我已经给大家说过了，它可以存在两个一模一样的信号，刚才在别的坛子上看到一位高人举得例子很生动，就像抄乐谱一样，不管是谁在抄，只要字迹清晰，超多少遍都是同一个乐谱。那么当声音这种模拟信号经过最初的录制被转换为基础的PCM数字格式后在电脑中是如何保存的呢？其实就是二进制文件，我们见到的最基本的音频格式文件应该是WAV格式，这就是最基本的声音文件。有人可能不理解这个问题，就是我们能买到的无损音源应该是CD啊。。。为什么这里出来了个WAV格式？我可以负责的告诉你，没有哪家公司在录制的时候是直接刻盘的，且不说会有多少失真，就单说刻出来母盘再进行复制就要丢失不知道多少细节。

      插曲，CD的格式，这个方面我没有细查，因为看英文的东西太累了，而且现在的cd标准不断提高，所以不一定适用。我们直接放在CD机中进行播放的音频CD可以说是最基础的CD格式，那么一张光盘上究竟记录了什么呢？我们看到很多大大说，上面记录了音轨，也有人说上面记录了光轨，还有人会告诉你他的CD是母版等等。其实我前面已经说了，CD这种光存储产品，首先记录的不是模拟信号，而是数字信号，家里有显微镜的可以看看，或者眼睛好的对着光也能看见盘面上比较明显的轨迹。如果说cd盘上刻的是什么，绝对不是曾经的黑胶唱片上刻的轨道有高低起伏，而是只记录了两种信息，“突起”和“凹陷”，被光头读出后转化为高电平和低电平，然后被解码器翻译为0和1的数字信号，再有解码器转换为模拟信号来驱动音响，这个读盘再放出的过程有一个很重要的器件就是DAC，我们现在很多烧友其实不是很明白DAC到底是个什么，其实全程就是Digital to Analog Converter，其实就是模数转换器，也就是我们常说前级的一部分。至于后级运算放大器是个什么东西以后的帖子中再讨论。在CD读盘时其实就是每秒读出了88kb左右的数据进行解码。开篇我提到一点，数字信号的传输是非常严格需要校验的，即使传输了1Tb的数据也不允许有1位的偏差，1T=1024G，1G=1024Mb ， 1Mb=1024Kb ， 1Kb=1024byte ， 1byte=8bit，我们说的1bit就是一位，cd的格式就是44.1kHz，16bit。我列举这些是想告诉大家，数字信号的传输是不允许错误出现的。但是，最早的CD格式，也就是沿用到现在的CD格式还真就允许错误出现，因为最早的CDA标准中音频CD的格式是不带校验的，也就是说即使光头读到了错误的数据，也不会紧跟着读取到验证码来识别读取的数据是否正确。当然在后来出现的DVD以及现在还没有完全普及的BD和当时的数据格式的cd都是加了错误校验的，甚至有些还加入了冗余校验，这就是为什么碟片有时看起来好像有损伤而数据依旧能读出的原理。然而据我所知，纯音乐格式的CD依旧没有更新，所以说其实直接用CD读取解码是很难保证无损的，也就是说并不是觉得的保真，因为没有了校验的数字信号是很容易出错的，难免碟盘上沾了个灰什么的出来的声音就不会是100%保真了。

       至此我们先看一下到目前为止的过程，声音从乐器发出------由麦克风接受震动产生模拟信号---------由录音设备ADC讲声音信号转化为数字信号存储。接下来就是要么刻盘，要么转换文件了。然而我们引发了一个疑问，这个过程保真么？答案是肯定不是100%的，录音棚的效果，麦克风的质量，ADC的采样精度都会导致出现失真。所以我们在考虑什么是无损音频的路程才刚刚开始，就是当录制完成，第一个数字文件出现之后再变为什么格式我们才会说有损或者无损。
      记住，其实讨论有损和无损是从声音第一次被转化为二进制文件进行保存之后开始说起的。
      （这里还要给大家说明一个小问题，就是录音后最早的声音存储是采用多高的标准，我前面提到的CD的标准44.1KHz，16bit知识CD的标准，实际录制过程中为了追求质量可能比这个要高，可能是24bit，或者32bit或者88.2KHz，这些都是有看到的，比如Dts就是24bit的，因为不是仅仅是双声道，盗版光盘上总是爱印刷DTS音乐，其实放进电脑看一下码率就知道了，基本上没有真的。）

       哎呦，又大半夜了，还是明早继续吧，我才知道写点东西其实很难啊，求支持。。。。。

dimalam

模拟输出涉及到的变数很多，模拟电路比数字电路产生的变化更多。

一套pchifi，最重要的是电源的源头，再生线性电源是pchifi的根本，没有这个为前提，后面的设备再高端和高解析，都无法发挥出应有功力

jalen0824

dimalam 发表于 2013-2-23 22:26
模拟输出涉及到的变数很多，模拟电路比数字电路产生的变化更多。

一套pchifi，最重要的是电源的源头，再生 ...

感谢指点，硬件这一块我不是很了解，不过确实如你所说，现在的HIFI设备好像并不愿意在供电电路这上面下文章，源头这方面就是不好控制了，如果每个hifi设备都能像CPU的供电电路那样下功夫多项稳定供电该有多好，不过貌似成本不低啊

卡卡81322

过来学习了，普及知识，理性发烧

yankuang2008

谢谢分享，楼主真是辛苦了，简单而有明确

dimalam

jalen0824 发表于 2013-2-23 23:08
感谢指点，硬件这一块我不是很了解，不过确实如你所说，现在的HIFI设备好像并不愿意在供电电路这上面下文 ...

不管音源、信号源怎样，最后，还是要通过模拟信号输出。所以，数模转换和模拟放大是核心问题。

chdong999

楼主辛苦了，教给我们很多音乐知识，谢谢！！

jswcph

确实很深奥的说啊！

旱水沟里的鱼

我觉得吧.应该是源头+中间环节+终端  这三个都很重要的.你细细分析下看看！

志当存高远

写的通俗易懂，谢谢分享。

银月弯刀

天天学习，好好向上！

月影无踪

写的不错，楼主是好人啊！

天籁锅

学习了，计算机解码无损，没什么问题！
问题最大的是信号容易被干扰，所以无法hifi。
电脑出好声，要求很高，如果只是听听玩，笔记本电脑+footbar就行

baohua008752

楼主辛苦，谢谢！！

落草的小米

学习总结，数字信号是值得信赖的（有校验，理论采样率到无穷大是和原声一模一样的）， 可以减少流通过程中的误差积累。
模拟信号能全部反应声音，没有采样率上的损失，也没有为了存储体积而进行的声学冗余去除，但是容易受到干扰，稳定性不够好，对器材要求严格。
借鉴电话的功能，其实手机信号就是数字信号的弱化版，采样率低了，编码率低了。而有线电话就是模拟信号，当然在输出部分是不完全一样的。

其实最大的误差是发生在刻录阶段和刻录信息读取阶段。
一个是录音室阶段， 一个是听歌阶段。所以才会有专业录音室和HIFI一族来改进听歌阶段感受。