對1BIT與多BIT的思考

[阿毛]

出國前整理最近看的文章心得

先說一下，其中還有很多不清楚的細節，有待有興趣的朋友一同思考，例如，從歷史中知道CD的解碼方式演化成兩種：1BIT與多BIT。而未來的規格爭霸也可以說是從這裡延伸的，因為SACD是1BIT，而DVD AUDIO是多BIT的。而SHAPE新推出的所謂1BIT數位擴大機，顯然也是在這個脈絡下產生的，那麼到底1BIT與多BIT各自之間的優劣是在哪裡？似乎是我們了解整個數位音源發展的一個關鍵知識了。


接下來是歷史性的說明文件：「D/A轉換器大致可以粗分為兩大主流：一是多位元，另一個則是單位元。以發展時間的長短來說，多位元是在CD唱盤問世時就出現的，而第一代的1bit產品則是約在1990代初期才在市場上出現，但是多bit和1bit以結構上分析到底孰優孰劣？就多bit而言，它的優點是沒有所謂的再量化的過程，因此噪音較低﹔除此之外，亦有較佳的動態表現。但傳統的多bit在Low Level的情況有非線性失真及過零失真（Zero Cross）的問題，若想克服需要使用非常復雜的電路結構，這就造成了多bitDAC晶片在追求高品質的目標下，同時也要負擔高昂的代價。相對地以1 bitDAC它的優點是先天上就不存在過零失真的問題，類比波形的線性良好，再則生產成本較低，這就是市場上中低價位的CD player大量使用1 bitDAC的原因。

然而1 bit DAC需要更高的頻率的Clock，以及它在“再量化”的過程中會造成若干訊息失落，這也是它擠身Hi-End　的障礙。所謂的單位元數位類比轉換就是數位訊號在經過多倍（CD音響的標准取樣頻率44.1KHz的倍數）超取樣的方式作取樣處理之后，再經過一個多重噪音整型程序（Noise Shaping），最后送入一個被動式的類比濾波器之中轉換成為類比訊號。大多數單位系統的轉換過程都是以PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調變）的方式來進行，然而飛利浦獨家發展的位元流（Bitstream）轉換方式卻是采用PDM（Pulse Density Modulation，脈沖密度調變）的方式來完成，這兩種處理方式一般來說無法相容。

單位元數位/類比轉換的優點是處理過程較為單純，造價低廉，而且可以不必像多位元系統一般必須很精確的要求每一個訊號位元的精確度，所以可以在一定的制作成本之內取得相當理想的轉換精確度與極低的失真度，相當適用于一般的中低價位的數位/類比轉換流系統。單位元的數位/類比轉換流程一般可以分為几大類，像是最常見的飛利浦元流方式、日本NTT所發展的MASH(Multi stAge noise Shapping，多階噪音整型)以及新興的Delta Sigma方式等。這些轉換晶片的工作方式雖然不太相同，但是多倍超取樣以及多次噪音型技朮的采用卻是共通的。

位元流的代表之一是Philips SAA7350，SAA7350是飛利浦公司生產的1 Bit DAC，每一片SAA7350可以提供兩聲道的平衡輸出，當它與20Bit八倍超取樣的數位濾波器連接，左右聲道的數位訊號經輸入介面送進雜訊整形濾波器，出來成為1 Bit 訊號，再進入由CMOS閘和電容組成的1 Bit D/A將1 Bit 訊號變成連續訊號，最后透過類比低通濾波器輸出。Philips的DAC7解碼模組中就有使用到SAA7350，實際上該說它只用了SAA7350的前半總再加上兩枚TDA1547 1Bit Converter,TDA1547的弁鄐j致相當于SAA7350的雜訊整形濾波器輸出的1 Bit訊號，然後經過TDA1547的1 Bit D/A至積分線路，再經由低通濾波器輸出由SAA7350+TDA1547再加上NPC的SM5803和其他周邊元件就是DAC7數位模組，廣泛地使用在飛利浦和其他廠牌的1 Bit D/A系統中。DAC7的作法雖然僅將SAA7350中的后半總另外使用，卻使得類比部分免于受到數位部分的嚴重干擾，使線性更加完善，否則飛利浦也不會如此浪費去使用和SAA7350類比部分弁酯契_的TDA1547晶片。


1 Bit，MASH，△Σ，ΣDECO
寫到這里，再把上述四個名詞稍作說明。市場上的DAC晶片可分為1Bit和多Bit ，早期的1Bit DAC為達到多Bit相當程度的精確度，必須使用非常高頻的Colck。若是用1Bit D/A以一個LSB表示16Bit的資料，Clock頻率將高明達44.1KHzX(216-1)=2.8900935GHz，才與16Bit相當就需要近3GHz的時永頻率。這樣看來，似乎1Bit DAC沒有什井e途。還好后來又陸續發展△Σ調變方式，又演進到“多級雜訊量化抑制技朮”MASH（Multistage Noise Shaping）使1Bit DAC可以比以前使用較低倍的Clock就能得到更高的精確度。在今天，大多數的1Bit解碼單元都有應用到上述技朮，所以不論是MASH、△Σ、ΣDECO，其實都是1Bit。

多位元的數位/類比轉換方式是比較早被發展出來的轉換技朮。它的工作方式比較復雜，對處理過程之中的精確度要求也比較高。多位元的處理方式可以分為兩種，一種是所謂的電流加法式，另外一種則是較為常見的電阻梯型式。電流加法式的工作原理有一點兒類似打摩斯電碼一般，處理晶片之中有一組事先依2的平方根所建立的內碼，這些內碼會控制一個電流產生器，然后依處理晶片所接受到的數據控制電流產生器的接通或是斷開，就像數位資料之中的0與1一般，產生了一連串對應于原數位訊號的電流。這些電流訊號最后再經過一個電流/電壓（I/V）轉換程序轉變成電壓訊號，就可以得到逐點變化的類比訊號。而電阻梯形式就比較簡單而常見了，它就是先在數位轉換晶片之中建立一組由電阻所構成的梯形轉換網路，所謂的梯形其實就是代表了訊號的類比波形，經過取樣濾波處理后的數位訊號在送入這一組轉換網路之后就直接被轉換成一般的類比訊號輸出。

一般來說，多位元的數位/類比轉換方式對于工作流程之中的精確度要求比較高，要不然會產生比較嚴重的失真。例如在采用電流加法型的處理晶片時，若是電流產生器的瓜速度不夠快的話，那仍N產生大量的開關失真。相對的若是采用電阻梯形式的話，若是電阻排列的精密度不夠，那什T號就會成為不完美的鋸齒波，聲音的失真之大自然是無可避免。但是多位元系統若是處理得當的話，不但轉換的精確度相當高，也會有速度快、動態大的優點，所以目前几乎所有的高價系統都仍然采用多位元的數位/類比轉換系統，但是大多對轉換器的解析度、精確度及誤差等要求很高，所以造價也不便宜。目前較為常見的多位元轉換晶片有美國的Ultra Analogue 20400、Burr Brown PCM63P以及Analogue Device 1862等几顆。」


真長一篇，看到這邊，我想這只是解釋了1BIT與多BIT的基本工作原理與過去在「CD」這個格式下的實驗經過，對於未來的發展還看不出什麼端倪。

接下來是一個大陸使用者的心得：「講個我的經歷。想起當年買MARANTZ CD16，CDM4 PRO+1547實在是誘惑，所以，在94年春節前的某一天花8600元（當時是一年積蓄啊）歡天喜地地把它抱回家，以取代我以前的MARANTZ 94，可是聽來聽去，總是讓我感到失望。慢、鈍、朦，這就是我的夸張感受！難道是先入為主嗎？堅持几個月還是接受不了，最后讓几百元的價格出手了都這樣廉價。其實1比特CD機也有讓我感動的東西：PHILIPS 600，真的和MARANTZ有所不同。可惜PHILIPS 800，MARANTZ 15沒有在自己認為好的環境下聽過。我不想談現在的19、17、16D、14是什切n音，聽過是聽過，帶有“偏見”再發表意見就不公正了。不管怎切縑AMARANTZ CD機畢竟是我最佩服的產品。可惜啊！如果MARANTZ有一款用例如PCM63、PCM1702或AD1862，我一定買！有句實話還是要講，除去DAC，MARANTZ其它方面的制作無人能比。」

顯然，這位使用者不能滿足於MARANTZ繼續使用1BIT的DAC技術。而我看過的另一篇文章則是不能滿足於現在MARANTZ所採用的傳動結構CDM12.1。排除掉個人的喜好不談，我從中所體認到的一個事實是：「CD的黃金年代已經過去了」，如今沒有廠商願意再研發這個即將消失的數位規格，因為不管是1BIT或多BIT，SACD與DVD AUDIO才是未來的主流。其中的優劣也酗j家各有所好。但是最後真的建議大家，在這個時節買CD PLAYER，請盡量挑那個CD黃金年代的產品，尤其是1BIT系統的，現在做的，比以前的還差很多呢。而多BIT的，是有進步，但在這個CD規格中的進步，真的是最後的迴光返照了，HDCD就是代表性的產品。

我常常看到有人建議新手買MARANTZ的67或19，這是1BIT走下坡路的產品了，要買1BIT的話，其實我覺得MARANTZ以前的CD16、CD95、CD11…，菲利浦的CD960…。這些，是1BIT的黃金年代產品（二手價約1-2萬）。而多BIT呢？就是那些高價的THETA、KRELL、PROCEED…的一些經典產品（二手價約3-5萬）。至少這些東西在傳動、電源、類比線路…整個的工藝水平，都已經到達CD PLAYER的幾乎最高境界了。要更高的境界，只能從SACD、DVD AUDIO去找尋了。沒辦法，這就是CD規格的天限。


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侏儒的眼球裡藏著一個9尺的巨人•我在浴缸裡游了來回9趟自由式－極小空間•極大自由•台灣渥克劇團

由 阿毛 於 02/23/2002 02:01:52 修改

[JCP]

現在的多bit都是用delta-sigma的，我覺得跟1 bit很像，只是SACD完全跟多bit無關，少掉多到1跟1到多兩道程序，更為乾脆罷了。傳統真正的多bit，比如Rotel 971裡面的B.B. PCM 63，是20bit的。24 bit我只聽過delta sigma的，沒聽說有真正傳統多bit的。另外一顆TDA 1541（好像只有16bit），我的arcam aipha在用的，也是多bit。Audio alchemy是用philips的位元流DA，但是我覺得至少到了DDE 2.0已經聽不太出來低價位元流DA的缺點，其實很耐聽。所以我覺得類比部分才是影響DA聲音最大的，然後數位處理的部分也影響很大，這兩大部分做好了其實DA晶片用什麼都會好聽了。否則用再好的DA晶片也是枉然（很多DIY的東西或者國產土炮就是如此）。不是看不起DIY，而是音響真的有太多know how，專業廠商賣的就是專業，才會那麼貴。不相信多拆幾台DA就知道了。