第六部分 數字音頻格式和數字音頻接口
一、數字音頻格式
1 、PCM 格式及其分類
PCM 是未壓縮( 無損) 的數字音頻格式。其採樣速率爲可以爲6 、8 、11.025 、16 、22.05 、32 、44.1 、48 、64 、88.2 、96 、192KHz, 採樣精度可以爲8 、12 、13 、16, 20, 或24 bits 。可以有1 到8 個聲道。最大比特速率爲6.144 Mbps ，如果有5 個或更多聲道, 這個最大速率就限制了採樣率和比特位數。例如音頻CD 爲44.1 kHz/16 bits/ 雙聲道；DVD 不 僅能夠播放2 聲道的超高保真音響（192KHz/24bit/ 雙 聲道），還能播放線性PCM 最多6 個聲道 的環繞聲音響（96kHz/24bit/6 聲道）。
PCM 格式又根據其量化方式可以分爲線性PCM （linear PCM ）和非線性PCM(non-linear PCM) ，前者是均勻量化得到的，後者是非均勻量化得到的。
Ø 均勻量化
如果採用相等的量化間隔對採樣得到的信號作量化，那麼這種量化稱爲均勻量化。均勻量化就是採用相同 的“等分尺”來度量採樣得到的幅度，也稱爲線性量化，如圖6 所示。
圖6 均 勻量化
Ø 非均勻量化
非線性量化的基本想法是，對輸入信號進行量化時，大的輸入信號採用大的量化間隔，小的輸入信號採用 小的量化間隔，如圖7 所示。這樣就可以在滿足精度要求的情況下用較少的位數來表示。聲音數據還原 時，採用相同的規則。
在非線性量化中，採樣輸入信號幅度和量化輸出數據之間定義了兩種對應關係，一種稱爲u 律壓擴(companding) 算法，另一種稱爲A 律壓擴算法。
u 律(u-Law) 壓擴(G.711) 主 要用在北美和日本等地區的數字電話通信中。它的輸入和輸出關係是對數關係，所以這種編碼又稱爲對數PCM 。A 律(A-Law) 壓擴(G.711) 主要用在歐洲和中國大陸等地區的數字電話通信中。A 律 壓擴的前一部分是線性的，其餘部分與u 律壓擴相同。
對於採樣頻率爲8 kHz ，樣本精度爲13 位、14 位 或者16 位的輸入信號，使用u 律壓擴編碼或 者使用A 律壓擴編碼，經過PCM 編碼器之後 每個樣本的精度爲8 位。
圖8 非均勻量化
2 、DSD 音頻格式
PCM 脈碼調製數字音頻格式是70 年代末發展起來 的，記錄媒體之一的CD ，80 年代初由飛利 浦和索尼公司共同推出。PCM 的音頻格式也被DVD-A 所 採用，它支持立體聲和5.1 環繞聲，1999 年 由DVD 討論會發布和推出的。
PCM 的比特率，從14-bit 發展到16-bit 、18-bit 、20-bit 直到24-bit ；採樣頻率從44.1kHz 發展到192kHz 。到目前爲止PCM 這項技術可以改善和提高的方面則越來越來小。只是簡單的增加PCM 比 特率和採樣率，不能根本的改善它的根本問題。其原因是PCM 的主要問題在於： 1 ）任何PCM 數字音頻系統需要在其輸入端設置急劇升 降的濾波器，僅讓20 Hz - 22.05 kHz 的頻率通過（高端22.05 kHz 是由於CD 44.1 kHz 的一半 頻率而確定），這是一項非常困難的任務。2 ）在錄音時採用多級或者串聯抽選的數字濾波器（減低採樣 率），在重放時採用多級的內插的數字濾波器（提高採樣率），爲了控制小信號在編碼時的失真，兩者又都需要加入重複定量噪聲。這樣就限制了PCM 技術在音頻還原時的保真度。
爲了全面改善PCM 數字音頻技術，獲得更 好的聲音質量，就需要有新的技術來替換。近年來飛利浦和索尼公司再次聯手，共同推出一種稱爲直接流數字編碼技術DSD 的 格式, 其記錄媒體爲超級音頻CD 即SACD ，支持立體聲和5.1 環繞聲。
DSD 音頻格式簡化了信號流程，去掉了PCM 使用的 多級濾波器，將模擬音頻直接以2.8224MHz 的高採樣頻率，按1-bit 的數字脈衝來記錄。雖然DSD 格式表示的聲音 信號是數字化數據，但是它又與真正的聲波非常接近，可完整的記錄當今最佳模擬系統的信息。最好的30ips 半 英寸模擬錄音機能記錄的頻率能超過50KHz ，而DSD 格 式的頻率響應指標爲從DC 到100KHz 。 能覆蓋高級模擬調音臺的動態範圍，通過其音頻頻段的剩餘噪聲功率，保持在-120dB 。DSD 的頻率響應和動態範圍，是任何數字和模擬的錄音系統無法與之比擬的。從聲音的質量上來說, 數字音頻技術是爲了接近模擬聲音的質量。DSD 音頻 格式的發展將更有利的與模擬音頻系統配合。
二、數字音頻接口
常見的數字音頻接口有I2S 接口、PCM 接口和SPDIF 接口。這裏只作簡要介紹。
Ø I2S 接口：
只能傳輸單聲道或雙聲道立體聲的數字音頻，數據格式爲PCM 格 式。該接口又派生出三類：左對齊格式、右對齊格式、I2S 格式。 I2S 時差性能要優於 SPDIF ，適合短距離通訊。
Ø PCM 接口：
也叫DSP 模式音頻接口。一般用來傳輸單聲道 或雙聲道立體聲的數字音頻，但是理論上也可以傳輸多聲道的數字音頻。數據格式爲PCM 格式。
Ø SPDIF 接口：
SPDIF (Sony Phillips Digital Interface) SONY 、PHILIPS 數 字音頻接口。 它的傳輸載體有同軸 和光纖兩種，後者抗干擾能力更強。SPDIF 能傳輸PCM 流， 也能傳輸杜比數字（Dolby Digital ）、DTS 這 類環繞聲壓縮音頻信號。PCM 流是原始、未經壓縮的音頻信號，杜比數字、DTS 也是來源於PCM 流。
