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xs_horizon分享之八:DSD DA 的几种解码过程优缺点

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发表于 2016-4-27 17:14:35 |显示全部楼层
本帖最后由 soundaware 于 2016-4-27 17:46 编辑

    高产来了!来自享声xs_horizon 的第八篇分享,继续上次DSD的问题进行探讨,本次讨论内容主要关于DSD DA的几种解码过程的优缺点。
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■  目前来说,商业化的DSD只有SACD,也就是DSD64的格式,现在的正常销售音源也基本是DSD64。但对于DSD解码,不仅仅是标准方,音频芯片方,还是整个行业,仍然有其争议性与妥协之处,这种妥协让我想来了音频发展的历程,因为这就是一个优化与妥协的发展史。

    模拟音频因为不易保存,所能达到的指标很一般,相对现在数字来说可能很差,保存时长差等重大缺点。所以音频领域才有了数字,所以无损的CD格式才得以出现:

1)CD能够明显更好的指标,耳听范围低失真,而且易于保存。如果形成文件,那理论上的寿命是无限的。

2)重放设备体积变小,方便,简单。

    然而CD也存在很多的问题:

1)超过人耳听音范围的音域没有信息。

2)因为模数转换的原因,所以在模拟信号变成数字信号时会带来一个采样噪声,在22khz左右,结果出现了各种DA方案,有有西格马 DA,有纯string DA等。 String DA采用原生的阻容方案,实现DA过程,然后再用滤波器进行滤波,而西格马DA,则采用8x或更高的过采样或异步重采样进行,但西格马是不完美的(大家可以搜索相关的论文,有各种追求完美的方案,当然没有哪个西格马是绝对完美的),会带来一些听感上的劣化,同样string DA也是不完美的,比如我们熟悉的R-2R pcm 1702,前17位是完全原生,后面的则采用拟合方法,从而限制了其转换精度,而后续的PCM1792 则在PCM1702上进行了改进(类似string DA与西格马的混合体),但是我们烧友仍然更喜欢PCM1702的听感。

    因为CD格式的不完美,所以才有了SACD,它有更宽的音域,加上DSD采样与原生重放那种特有的特点(声音变化越剧烈,采样的信息越多),从而DSD在采样后以及原生重放过程当中,对音乐变化的细节保留的更加充分,从而带来听感上的更加顺滑,流畅,自然与模拟, 不仅仅对于CD格式,对于PCM格式同信息量的176.4khz同样有这方面的优势, 这在享声A280 DSD播放器, 选择采用DSD 直解还是DSD转PCM,存在一耳朵的区别。

图片1.png

    SACD的出现,我一直有一种这样的感觉,因为模拟的不完美,所以人们想到了数字,因为数字的不完美,所以我们又想起了模拟, SACD的感觉就是很像模拟声。

    我最近跟几位录音老师(张春一老师等)以及专业录音室产品设计师聊天,也都提到了SACD 唱片的制作,传统的SACD唱片制作一般是源于PCM母带,进行母带处理后转化成SACD,因为SACD本身采样的特点以及原生重放与PCM完全不同,所以除了给音乐用户带来远超CD的信息量的同时,也带有了DSD格式本身的那种自然,模拟的特征。这是我认为SACD对于中文音乐用户的意义! 但是真正高品质把处理好的PCM母带高保真的转成DSD文件,需要极强的处理能力,据我所知,一张SACD专辑这个转换过程是接近按天为单位计算的,根本不是几分钟或个把小时就能完成的任务,而且都是配备服务器或者特别极强性能的DSP板卡,因为实时很难高品质的处理, 同时,他们要再处理这个DSD文件,又要花较长时间转回到PCM,并进行处理,再转回DSD。

    因为CD不完美,所以有了SACD,但SACD也不是完全的完美,当然,这不仅仅是SACD,包括现在的PCM,仍然有不完美的,比如一般要用到西格马流程并且尽量升频,特别是96khz以下。SACD也有同样问题,只不过SACD跟PCM有一个不同就是DSD信号是不能处理的,如果需要处理必需要重采样成PCM,再处理。

    但是SACD转PCM是需要极强的处理能力的,因为SACD最大频宽达到了100khz,而且动态比达到了120db, 超过了24bit,96khz的信息量,如果要把SACD的全部信息采样下来并且保存,一般采样都是要>200khz, 24bit, 更重要的是需要极强的滤波器功能,这对于实时转换来说难度极大,为此现在DA芯片 在DSD转PCM时几乎放弃50khz及以上的信息量, 部分可能放弃更多。这也是为何录音室在处理高质量的DSD与PCM之间相互转换时,有更为强大的服务器,都很难实时处理,需要异步等待转换的重要原因。

图片2.png

◎中为本人,右为peter (因为听了高精度飞秒版本的m1pro与m1的巨大区别,而拍照合影)

    去年,在2015年广州,我跟ESS 几位研发相关的负责人(预研的VP,CTO ,ChiefArchitect)都有深入聊过DSD DA的问题,ESS的 CTO peter(原Wolfson 公司的CTO, 因为wolfson被收购,于是加入ESS)虽然主要是聊了有关我公司的架构与时钟对DA的影响,可以作为DA性能发挥的一个案例而写入ESS调研的备忘当中,因为听了仅仅因为时钟区别而带来巨大区别的一款产品(M1与飞秒时钟的M1PRO)。然而作为DSD,一直是跟ESS架构师及负责研发的VP有深入的沟通各种重放的优缺点,为此稍作整理分享如下。  

    1、EMM等极个别少数方案:

图片3.png

优点:指标相对较好。

缺点:实时转换DSD与PCM无法保留所有信息,经历了DSD转PCM后而且破坏了DSD格式特有的声音特点。

个人观点:认为即然已经转换到了PCM并升频,就使用PCM原生重放即可,又转换DSD重放有点让人费解,难道是想再保留一些DSD格式的那种音色特点?  

    2、DSD转PCM方案(相当多的DSD播放器或者解码器,部分SACD采用)

    这个方案是所有支持DSD接口的DA芯片自带的功能,大家简单查看CS4398的DSD转PCM流程即可,其他芯片也是大同小异。

图片4.png

优点:指标相对较好, 而且可以像PCM一样进行各种静音,淡化处理,程序统一化,简单。

缺点:声音变成了PCM的风格,变得动态更大,更直接,没有DSD原生的那种顺滑感,模拟感,后续的解码也是完全PCM的解码过程,完全没有了DSD格式特有的风格,变成了与高码的PCM没有区别,同时实时DSD转PCM也是有损的。

个人观点:我个人认为,如果DSD转PCM过程性能出众,并且PCM DA原生DA性能出众,其实是没有必要做成方案1一样,更简单更容易好声。  

    3、Pure DSD (Direct DSD) , 也就是翻译的直解方案 (相当部分的SACD,专业的DSD解码器,播放器均有采用此模式)。

    如果说DSD转PCM方案是所有支持DSD解码的芯片均支持的话,那Pure DSD (Direct DSD) 在目前顶级 DA芯片当中至少有80%以上是作为重点功能推介的。包括有稍早的CS4398,WM8741,PCM1792,也包括了最新的AKM系列,虽然ESS有点特殊,其实通过内部深度修改,也能够设置出类似模式。

图片5.png

    这个模式虽然相对于转PCM来说,指标要差一些,比如,我们在A280 采用原生DSD模式下实测THD+N 在0.00096%,(部分指标下降也有因为测试文件是从PCM 快速转换成DSD所造成的损失)但相对于原始的PCM 24bit 测试THD +N则为 0.0006x%。

图片6.png

  
    主要原因是因为DSD64格式的自在在采样时的噪声,在25khz时从-130db 开始有噪声 (上图到24khz一直是-135db底噪),到33khz时达到接近-100底噪,之后就被 Direct DSD 的Filter开始压制,并逐渐趋于平缓后并开始下降。虽然说25khz以后是非耳闻区域,但是DSD 的优势除了信息量上,还有一个频宽,但SACD 在红皮书中也主要保证50khz内,所以在 Direct DSD 通道下,DA内部会有一个模拟的滤波功能,比如从某芯片内部架构图得知(有NDA原因),就有一个8阶的GIC滤波进行对30khz以上的SACD噪声进行压制,从而使得Direct DSD(pure DSD) 在拥有真正原生听感的同时,也能照顾在音域外的信噪比,同时因为内置滤波器的压制,从而也能保证整个重放系统的可靠性。

优点:音域内声音最好,最原始的DSD重放效果(直接阻容网络进行DA)。

缺点:指标相对于DSD转PCM略差一些,同时 Direct DSD在重放过程当中无法对其任何控制。

个人观点:DSD原生重放犹如string DA的过程(比如R-2R PCM1702),很难完美,但无法阻止烧友对其声音的喜爱,以及这个通道所拥有的独一无二的重放效果. 这也是为何最新的四大主流顶级DA厂商,AKM,TI,ESS,CSS重点推出此通道的原因。   对于这三个解决方案,EMM的方案最后并没有被最新的AKM,ESS,TI等DA芯片所采纳,也并不是PCM转DSD困难(TI早就有PCM转DSD的芯片),而是EMM最后一步PCM又转成DSD重放在设计上显得有点冗余,所以最后现在的DSD DA芯片也主要集中在方案2以及方案3,也是现在主流顶级DA芯片所重点推广介绍的功能。

    发烧就是追求一个极致完美的过程,追求耳朵的享受,因为模拟不完美,所以有了数字,因为数字标准设计不完美,所以享声才投入精力去优化改进数字协议的质量,因为PCM不完美,所以就有了DSD, 当然DSD也有不太完美的地方,但是不可否认其优势。所以享声一直在追求尽可能的完美!

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发表于 2016-4-27 17:18:36 |显示全部楼层
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发表于 2016-6-1 11:07:38 |显示全部楼层
恩,很科学,收藏了!
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发表于 2016-6-9 23:39:49 |显示全部楼层
飞秒时钟无敌啊!
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