杏彩体育app下载:音频DAC基础技术的学习指南

　　第一件事情，先统一一下名称和术语。我们习惯上称之为“”的DAC，英文的书写是：Digital-To-，而真正的英文书写是：Decoder。为了统一而不至于造成误解，以下，DAC或保持其英文缩写（DAC）或称为

　　有记录的最早的数模转换器，可能是18世纪土耳其奥托曼帝国水坝上使用的二进制权水量测量系统，竟然不是在电的领域！

　　数模转换技术开始在通讯系统大量使用。1853年美国发明家 M.B.Farmer 构思了时域分配的多路复用（TDM）的概念来分时使用电报线年Bell发明电线年，Willard.M.Miner 获得了用机电旋转多路开关按 4.32kHz 或 3.5kHz 的频度对声音采样然后再还原的多路复用技术的美国专利，用于电话线路，算是第一次有人把数模转换用到了声音上了。

　　光电管实现的PCM（脉冲密度调制）技术，只用了5个比特的数字信号。1937年法国国际电话和电报公司（ITT）的Alec Harley Reeves（再次）发明了使用电子管的PCM，实现了有记录的第一个全电子数模转换器。数模转换器的处理技术（实现方法）也是从最早机械

　　晶体管、CMOS集成电路和现在的大规模CMOS集成电路（芯片）。大规模集成电路，给了数据处理很大的便利和空间。美国ANALOG DEVICES公司的混合信号

　　从数模转换器的结构看，最简单的是串式DAC（又叫Kelvin分压器），就是加上电压的一串电阻

　　是一位叫B.D.Smith的人在1953年首先提出，来用于数模转换的。技术的核心，是通过电阻分压，来得到输出信号的值，而电阻分压的网络，是由数字量来控制的，这样实现从数字量到模拟量的转换。

　　这是一个巧妙的设计，每个电阻回路（梯级）的阻值都是上一级回路的一半，这样正好实现了二进制加权的运算，与权电阻的数模转换器需要用到大量阻值的电阻相比，R-2R数模转换器仅需要两种阻值的电阻就可以实现，既简单又可靠。

　　PCB）上实现，取决于不同的设计，各商家的成品DAC会有很大不同。用于音频数模转换，由于对转换操作和电阻精度要求非常高，在设计方案和制作工艺上都有很高的要求。TI公司的PCM1704（R-2R）DAC原理图

　　1）电阻是线R是古老和传统PCM数模转换的代表性技术。要在高性能的音频数模转换器上应用，想必是有一个理由的：通过电阻分压进行转换，理论上电阻是线性的，所以不会带来失真和额外噪声。这里，“

　　”成为了核心概念。2）避免过采样和数字滤波R-2R DAC可以仅通过对网络中电阻的切换来进行数模转换，不需要用到过采样、插值、抽取等数字滤波的手段，避免使用数字滤波器

　　2）过零失线R数模转换还不可避免地会产生过零失真。每当最高为位电阻上的电压发生变化时（从0到1，或相反），必然会引起输出电压极性的变化（从正到负，或相反），由于电阻误差的存在，外加电阻网络内部的电阻的同时切换，会在过零点引起差分非线性失真和短暂的电涌，产生过零失线R DAC的过零失线）量化精度

　　），也就是说，如果使用这样的高精度电阻做R-2R DAC的最高位，10位以上深度的数字信号都是没有意义的，因为那些位上的信号都被最高位电阻上的误差所淹没，DAC的动态范围也不可能达到60dB。现在常常会播放32位的数字信号，最小位的信号幅度是1/2^32=1/4,294,967,296，那么，提出一个问题，电阻网络怎样能够达到这样的精度？

　　对于R-2R转换，商家常常会尝试一些方法，比如在制造上提高电阻的精度、对电阻网络（特别是最高位、高位的电阻）进行矫正或补偿、等等，尽可能地来提高精度以改善性能。实际上，要实现高性能的音频数模转换，R-2R DAC是需要克服许多难题的。

　　Delta调制技术标志一个新时代的开始1950年，就像发明PCM一样，也是法国的ITT公司的实验室，提出了 Delta（增量）调制技术（由量化一个值改为量化一个值的增量），尽管，因为需要高频的支持，在高速数字信号技术出现以前，各种限制阻止了这个技术（和后来的Sigma-Delta调制技术）在高质量音乐方面的应用，但还是标志了，数子音频转换技术的一个新的时代的开始，技术手段从量化信号的幅度转变到量化信号的变化，关注点也从幅度转向了时间。Sigma-Delta DAC

　　同年美国Bell电话实验室的C.C.Cutler也获得了差分PCM调制技术的专利（Delta调制可以认为是差分PCM调制的一种简单形式）。1952、1953年，荷兰Phillips实验室也发现了同样的原理，并且提供了许多1位和多位的研究成果。1954年Cutler又获得了非常有意义的过采样和噪声整形的专利，1962年，在Delta调制基础上改进的Delta-Sigma（主要是增加了Sigma-积分）技术由Inose、Yasuda和Murakami正式提了出来，1970年代，AT&T的

　　改称之为Sigma-Delta（可能更正确一些）。从此，数字音频技术正式进入了Sigma-Delta时代。Sigma-Delta是使用低位（1位或几位）量化和高速采样的技术，简单描述，就是把被采样的输入信号与原先采样的累计量化的信号差值进行比较（Delta），比较后得到的差值（确定是增加还是减少，如果是1位量化，则是1或0），再与上一次累计的量化差值相加（Sigma），再形成以PCM编码的音频信号的数字量，通过高的采样频率，来很好地跟踪输入信号的波形。

　　差异化的一个例子，TI公司在Sigma-Delta调制的基础上再加入了分段调制的手段，把原来多位的数字信号，分解为高位和低位两个部分（分段），因为它们分别的作用和效果有所不同，所以可以按不同目的来分别进行处理。PCM1794数模转换芯片做了这样的设计，用来实现出色的动态性能和改善对Jitter（抖动）的容忍度。

　　传统的梯形电阻网络转换器就像一行灯泡，每个灯泡都连接了一个开关。比如有16个灯泡，每个都有不同的亮度，可以通过点亮不同的组合来实现2^16或65536种不同的亮度级。不过，各个灯泡光强度上的差异会在输出亮度级上引入误差。任何特定的开关组合可能都不会精确产生所需的亮度。类似地，梯形电阻网络转换器在试图重建音频信号时也会引入误差。

　　Sigma-Delta技术采用了完全不同的一种方式。它没有使用多个灯泡和开关，而是仅使用了一个灯泡和一个开关，只是简单地靠灯泡的亮和灭来改变亮度。例如，若让灯泡在亮与灭之间不断地切换，并且亮和灭的时间长度相等，则输出就是一半的亮度。如果灯泡点亮的时间增长，则亮度也会增大。类似地，理想情况下Sigma-Delta转换器可以用1个比特表示音频幅度，只需要使用非常快速的切换和非常精确的定时即可。Sigma-Delta技术本身是一种表示音频波形的精确方法

　　或者，更简单地来描述两者最根本的区别，R-2R数模转换是以对幅度量化为基线进行转换的，Sigma-Delta则是以保持幅度不变（1位调制）或基本不变（多位调制：一般为4~6位），而以时间为基线进行转换的。

　　1）提高量化的精度并在不同幅度上的精度保持一致，误差与信号本身没有关联，就是噪声，可以方便地在后期进行处理；2）只在时间上对信号进行划分，所以没有过零误差（失线）通过过采样（插值）、数字滤波（抽取）和噪声整形，降低音频范围带内的噪声，动态范围可较容易地达到120dB以上水准；4）避免了使用砖墙式的模拟滤波器，以最小化相移和失真。

　　Sigma-Delta技术通过使用多倍于正常采样频率的高采样频率，把Nyquist频率增加了多倍，采样定理规定Nyquist频率应不低于被采样信号最高频率的两倍，对音频即40kHz。比如CD采用的采样频率是44.1kHz，留出了一些余量。过采样下，Nyquist频率可以高达几百kHz或更高，数字滤波会在Nyquist频率与音频频带之间清理出较大的空间，经过整形后的噪声被最大化地整理到了Nyquist频率以上的频带内，这样就允许用简单平缓的低阶模拟滤波器，来轻松的滤除不需要的噪声，同时最大化地保持信号的幅度和相位不受影响。

　　Sigma-Delta技术中，1比特量化本身是线性的，但是本底噪声将会比较高，如果使用多比特（比如4位），可以降低本底噪声，但会带来元件不一致（失配）导致的失真。一个解决方案是通过动态元件适配（DEM）技术，把不一致的元件进行随机轮换，可以把失配误差的平均值减小到接近于零，失配（失真）就转变为带内的噪声，再通过整形，把噪声转移到带外，动态范围仍然可以保持在较高的水平。这一般是需要

　　大多Sigma-Delta调制不能实现100%的调制深度（满幅度只能到50%），而在调制深度加深时产生的直流分量将导致噪声增加；另一个为噪声整形时的暂态非线性问题

　　ESS公司也给出了解决方案，对Sigma-Delta调制器在细节上进行了不同的设计，级联独立稳定的低阶调制器，仔细选择集成器区的相对增益，使得削波的发生得到很好的控制。这样，当调制深度接近100%时，各个低阶的调制器都还是稳定的，ESS的HyperStream商标下的Sabre系列的DAC（如ES90xx、ES90xxPRO DAC芯片）的调制器可以达到90%的满幅度值的调制深度，从而来应对上面的问题。

　　DSD原来是存档的还要说一下的是DSD。最开始时，DSD并不是作为可提供的格式来使用的。1988年，Sony公司收购CBS/Columbia唱片公司，获得了大量优秀的磁带录音，Sony要把所有的磁带档案转为数字格式的档案，但是并不能确定未来何时会发布新的格式，也不能确定新格式的位数和频。