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本帖最后由 hihi12 于 2018-1-21 20:53 编辑
改进数播和PCHiFi播放效果的一些小建议 下面所述，主要是面向产品工程师，亦可供一般的爱好者参考 由于有网易云音乐、酷我音乐、虾米音乐、QQ音乐、AppleMusic、Spotify等资源，同时一些唱片公司既出售CD、LP等唱片也出售流媒体的数字音频文件，这使得高品质音乐的播放，高品质音乐节目源的获取变得非常方便、快捷。这也使得通过精心的搭配，以数字音频播放器或PC为基础的音乐播放系统变得比以往更现实了，同时由于技术的进步其音质也获得了很大的提高。 目前推出数播转盘、数播一体化机器、音频DAC解码器的公司很多，但是其技术指标、音质音色等却差别很大，良莠不齐。下面依据个人的学识和工作经验，试图加以一些粗浅的分析，并提出一些改进的小建议，希望有助于对产品的改善，在推出新产品时有所助益。一家之言，仅供参考。由于眼界不高，视野不够宽阔，加上学识、水平有限，错谬难免，欢迎批评指正，谢谢！ 在目前的技术条件之下，数字音频播放器和PC HiFi都是基于各种各样的处理器来实现的。既有ASIC+MCU；MPU+MCU+解调、解码算法；DSP+MCU+解调、解码算法；CPLD+MCU+解调、解码算法；FPGA+解调、解码算法等侧重于硬解的解决方案。也有主控芯片+应用处理器+播放软件；通用处理器+播放软件；CPU+操作系统+播放软件等侧重于软解的解决方案。从原理上来讲，ASIC（内置有MCU、MPU、CPU等处理器的类型）、DSP、CPLD、FPGA、MCU、MPU、CPU等各种各样、各种类型、各种架构的处理器，这些处理器都可以用来做音频应用。但是实际上却是这样的一种情况：并不是每一种处理器都适合拿来做音频应用的。至于硬解和软解，也没有必要相互攻击，标榜自己是最好的，实际上是没有最好的解决方案，只有合适的解决方案。硬解有硬解的优点和缺点，软解有软解的优点和缺点。如果可以做到相互取长补短、相互促进的话，那才是良性发展的方式。音频处理之所以难以处理好，盖在于音频处理最关键的是实时处理。音乐的播放既讲究实时性，又强调即时性，在把他们都做好的同时，还要把二者做到相辅相成、相互契合和谐合。仅仅就实时性一项而言，处理的难度就很大。如果做过CD、DVD、蓝光机等机器的与伺服、光盘信号处理等相关联的工作之话，会很容易明白这些的。一些设计用途主要是应用于控制类产品的处理器并不适合用于音频处理，控制类的产品对实时性的要求不是很高，反倒是精密控制类的产品对实时性的要求会更高一些。如果一定要用这一类型的处理器来处理音频，原则上并不是不可以，这需要在对软硬件等方面做优化处理后才会有所提高其适用性，特别是要提高其实时性的处理能力。可以这么说：一种处理器的架构、基本的逻辑门电路形式、处理器硬件电路的结构和形式等，其中尤其是时钟树的架构、信号处理的流程和信号处理的架构，基本上就已经决定了它的声音特点。国内不同公司之间主控芯片的声音差异，国内国外不同公司之间主控芯片的声音差异，主要就来源于此。相对来说，软解对电源的质量、信号的完整性、硬件电路的逻辑时序、硬件电路的时钟信号质量等方面，要求比硬解的更高。在定义好所需要的功能之后，在一定的成本范围之内，硬解有一定的成本优势。硬解的劣势在于灵活性不够，优化、升级的空间、范围有限，而软解则没有这些问题。 在弄明白了上述的这些问题之后，无论是采用硬解的方案还是采用软解的方案，在处理好了上述的这些基本问题之后，再侧重于处理好整个系统的实时性、延时时间等问题。处理好了这些问题，是很容易做好产品、玩好产品的。如果有兴趣，不妨试试采用ASIC、FPGA等芯片的硬解机器，采用树莓派、医疗和工业等用途的无风扇单板PC机、嵌入式单板PC机，台式PC专机等软解机器的表现。从这些基本的平台入手，尝试着对软件、硬件等方面都去做优化处理，其中尤其是电源的质量和时钟的质量。把这些基本的平台都玩熟悉之后会进步很大，到时候就可以依据自己的喜好来搭配自己的硬件、软件平台了。 还要特别说明的一点是：有许多人误认为数字电路、D类功放、射频电路等对电源的要求不高，而实际上数字电路、D类功放、射频电路等对电源的要求比纯模拟电路的要求更高。弄不明白这一点，处理不好电源问题，是很难弄好数字电路、D类功放、射频电路、数字+模拟混合电路的。在目前的技术条件之下，在现实世界之中是没有纯粹的数字电路的。目前现实世界之中的数字电路是一种特殊的模拟电路，逻辑门电路的开和关，时钟和数据的上升沿、下降沿等都有一定的时间和延时，只不过聪明的人类利用时序问题来比较完美地解决了此问题。在可以预期的将来，量子技术、量子计算等不需要时间、时序来参与的技术才会没有这些问题。 除了上述的这些方面之外，无论是要做好产品还是要玩好产品，抠细节做好细节处理好细节问题是免不了的，细节问题需要一点一滴地去抠，各个方面各个地方都要去抠。抠不好细节，离做好产品、玩好产品的路程还有点远，还需要努力去挖掘、去完善。电源、时钟、硬件电路的基础逻辑门电路方式（ASIC、FPGA、CPLD等硬件电路的基础逻辑门电路方式有些是不一样的）等，对于系统的信号完整性至关重要，信号完整性做不好，误码率将会变高，这也是数码味的一个主要来源。 采用硬解或软解来做数播或做PCHiFi，这都需要在软件、硬件二方面上发力，关键都在于对硬件电路的优化和对软件的解码算法优化上面。软解强调对软件的解码算法优化，这一点好理解。为何硬解也强调对软件的解码算法优化，这一点可能不好理解。而实际上，硬解是将解码算法采用逻辑门来硬件化，这样一说，想必就好理解一点了。 要想把产品的性能做好，把音质做好，无论是哪一种硬件平台、软件平台，始终都是围绕着信号完整性、实时性、即时性等方面来发力。尽管前端误码率较高的时候可以通过纠错电路来提高误码率，而误码率大到一定程度或累积到一定程度的时候，纠错电路也是无能为力的，但是通过纠错电路的处理会使得实时性、即时性会有所下降。很显然地，无论是通过软件方式还是硬件方式来执行微代码都是需要花费一定时间的，在目前的技术条件之下，除非采用量子计算的处理方式，这个执行时间才会短到可以忽略不计的程度。举个不是很恰当的例子来说明一下，在举例说明之前，先来介绍时间的倍率关系：1s=103ms；1ms=103μs；1μs=103ns；1ns=103ps；1ps=103fs。例子如下：信号完整性好时，在某一个时间段（ns级），某个数据的低电平为0.2V持续时间1.2ns，高电平为2.8V持续时间1.8ns，上升沿（0.1Vpp到0.9Vpp）持续时间0.3ns，下降沿（0.9Vpp到0.1Vpp）持续时间0.4ns；信号完整性不好时，在某一个时间段（ns级），某个数据的低电平为0.3V持续时间1.1ns，高电平为2.9V持续时间1.5ns，上升沿（0.1Vpp到0.9Vpp）持续时间0.5ns，下降沿（0.9Vpp到0.1Vpp）持续时间0.2ns。由此可以直观地观察到信号的形态失真，但是数字电路不同于模拟电路，在一定的范围之内允许有一定的信号形态失真，超出了这一个范围，电路就会认不出这个信号，认为是误码。而这个信号形态失真的程度是和电源、时钟息息相关的。在数字电路之中，这属于时序问题。一般的误码可以通过纠错电路来还原或仿真、模拟出原来的信号，但是在目前的技术条件之下，被纠错的信号和前、后信号的时序还不能准确地还原出来。换一句话来说，频率领域里面的信号失真可以很准确地还原或仿真、模拟出来；时间领域里面的信号失真还不可以很准确地还原或仿真、模拟出来。这也是以后发展的量子计算的处理方式的优势，采用量子计算的处理方式：时间领域里面的信号失真可以很准确地还原或仿真、模拟出来。 目前，CD系统的误码率可以做到10的负9次方；DVD系统的误码率可以做到10的负12次方；蓝光DVD系统的误码率则可以做得比DVD系统的误码率好一些；基于TCP/IP协议互联网的误码率，由于其对实时性、即时性的要求稍低一些，对误码率的要求也可以放低一些。同样地，视频系统由于其对实时性、即时性的要求稍低一些，对误码率的要求也可以放低一些。反倒是音频系统其对于实时性、即时性的要求很高。在目前的技术条件之下，极优秀的系统误码率做到10的负15次方差不多就可以触摸到技术的天花板了。 有兴趣深入地探索研究之话，可以研读《CD机纠错与检错技术》、《DVD机纠错与检错技术》、《蓝光DVD机纠错与检错技术》、《光盘信号处理与CD伺服系统》、《光盘信号处理与DVD伺服系统》、《光盘信号处理与蓝光DVD伺服系统》这一类的书籍，《基于FPGA的光盘母盘误码检测仪设计》这一类论文也是有所裨益的。纠错算法、纠错技术是一门专门的学门，与其相关的密码算法、密码学对于理解纠错算法、纠错技术很有裨益。 在目前的技术条件之下，可以绝对地说：数字电路是基于电源、时钟来运行的，由此可见电源、时钟之对于数字电路的重要性。这也是一再强调电源、时钟重要性的原因。 目前大家都已经认可了时钟抖动对音质有负面的影响。时钟抖动或数据抖动，这一类的抖动分为周期抖动和非周期抖动。周期抖动好理解，就是按照一定的节拍周期性重复地出现的一种抖动。这一种抖动很容易处理，处理的成本也较低。非周期抖动就是不规则出现的一种抖动，这一类抖动大部分与电源、时钟系统有关。通过提高电源的质量，提高时钟系统的质量，改进时钟树的架构等方法，可以减少非周期抖动的出现，处理的成本会高一些。在非周期抖动中，随机抖动这一种抖动是最要命的，也是最难处理的，很多时候是无能为力的。对于这一种抖动，在大部分的时候是做归零处理的，或作静音处理。选型选择好处理器，提高电源的质量，提高时钟的质量，改进信号处理的流程，改进信号处理的架构，在统计的意义之上，这都可以降低随机抖动出现的概率。抖动更多的时候会影响到对信号细节的还原，同样的系统，同样的软件、硬件平台。有些系统在重播音乐的时候，音乐的旋律性、音乐的工整度很好。而有些系统在重播音乐的时候，声音也很细腻，声音也很平衡，音场、3D感、音箱的脱箱感也很好，临场感、堂音也都很好，但是就是音乐的旋律性、音乐的工整度不是很好，这时候有可能是由于随机抖动偏高了一点而引起的。声音做到流畅、自然，说明周期抖动，可以预测到的非周期抖动绝大部分都已经处理好了，唯有随机抖动算是漏网之鱼了。随机抖动、随机数，这些东西神不知鬼不觉，很难知道它会在什么时候出现，很难预测，即便是用到大数据都很难去做预测，它有如上帝的骰子一般。人工智能的一些种类就用到了伪随机数，有朝一日人类解决了随机数的问题，那人类就可以窥望到神界了。一些赌场、赌马等场合使用的赌博工具，有一些也会用到随机数，不过不是真正的随机数，是伪随机数。优良的数字音频产品、数字音频系统可以将随机抖动部分降低为伪随机抖动，而伪随机抖动是可以通过技术手段而加以解决的。 尖、刺、毛、硬等是劣质数字音频产品、劣质数字音频系统的通病。早期CD常见的在听感上，低频有嗡声、轰鸣声等在音乐之中不存在的东西，中频听起来明显地比LP、磁带机等纯模拟器材有塌陷，高频也存在嗞声、丝声等音乐之中不存在的东西。后来证实是由于误码率高、抖动大、电源系统和数字电路不匹配、时钟系统不良等原因造成的。通过技术的进步解决了绝大部分的问题，除了随机抖动等这一类离神界很近的那几个问题不能从根本上来解决之外，数字音频系统算得上是比较成熟、完善的系统了。而对于随机抖动，优良的数字音频产品、数字音频系统，目前已经可以将它们出现的概率提高到不影响正常欣赏音乐的时间。比如一首曲子5分钟长，除非是外部因素的影响，又或者是运气实在太差，优良的数字音频产品、数字音频系统可以保证在5分钟内不连续出现随机抖动。单次的随机抖动一般在欣赏音乐的时候都不大留意到，连续出现的随机抖动才容易被留意到。 下面的这一种PC HiFi的玩法，和一些数播的玩法相类似，可以相互借鉴。个人所见，仅供参考。 PCHiFi的一种玩法 1.PC部分 PC主机没有采用市场上出售的成品机，而是采用了工业控制类的主机来充任。研祥、华硕、宏碁、明基、纬创、威盛、技嘉等都有推出一体化、无风扇的单板工控机主板、嵌入式单板电脑。由于CPU、存储器等不像民用的PC主机那样采用插槽，而是直接焊接在主板上，因此在可靠性、稳定性等方面上要比民用品要高一些。配套的电源没有采用常用的开关电源，改为了线性电源。作为音频输出的USB接口，电源和数据部分全部加上了隔离器，同时对数据部分作整形、同步、缓存、抖动清除、重组时序等方面的处理。为了避免干扰，显示器和鼠标、键盘部分也加上了隔离器。和互联网链接的以太网接口、WiFi接口等也全部加上了隔离器。硬盘部分没有采用机械硬盘，而是采用了半导体硬盘。 2.操作系统和工作软件部分 操作系统采用了微软最新的Win10或苹果最新的Mac OSHigh Sierra。浏览器为微软的Edge浏览器或苹果的Safari浏览器。音频播放器采用Win10自带的Media Player或JRiver播放器。作为一个插件，和一种玩法，可以对播放器加插进了一个数字滤波器。另外的一种玩法是用PC机来玩有源分频，分频也是采用数字滤波器来实现。 3.解码器部分 USB到IIS、AES3/SPDIF桥接器采用意大利Amanero的，音频DAC采用AKM的AK4497，模拟电路可以根据自己的喜好：1.采用全运算放大器电路；2.采用运算放大器+分立元器件电路；3.采用全分立元器件电路；4.采用全电子管电路；5.采用分立元器件+电子管电路。在USB到IIS桥接器和音频DAC之间，亦对电源、时钟和数据部分作隔离、整形、同步、缓存、抖动清除、重组时序等方面的处理。 4.时钟系统和数据处理系统 时钟系统和数据处理系统所有的分频、缓冲、时钟分配、时钟合成、时钟抖动清除、缓存、数据抖动清除、隔离、整形、同步、时序重组等单元电路和功能，全部是采用以SRAM结构为基础的逻辑门电路，摒弃常用的SDRAM、DRAM、Flash等结构的逻辑门电路。这使得时钟系统和数据处理系统自身的本底jitter比普通的电路要低一到二个数量级，这带来电路的信号质量、电路的信号完整性极佳。 5.电源部分 电源变压器全部是采用C型变压器，数字电路部分单独采用一只变压器，模拟电路部分单独采用另外一只变压器。滤波电容采用Nichicon音频专用的类型。按照道理来说，开关电源要比线性电源要好，但是由于优质的开关电源变压器非常昂贵，这导致优质的开关电源成本高昂。而采用一般的开关电源变压器时，由于电磁干扰大，其性能并不比优质的线性电源更好一些。优质的开关电源变压器对材料和工艺的要求极高，这也导致其门槛极高。普通的开关电源变压器和优质的开关电源变压器很容易区别：在电磁波暗房，在将其安装到电路上进行工作后，将场强仪或示波器的地线夹头连接到上述电路的地线上，将场强仪或示波器的探测或测量灵敏度调到最灵敏的最高位。对于优质的开关电源变压器，即便是把探头或测试头放在变压器上或周边上，场强仪或示波器基本上没有反应或者只有极轻微的反应。而一般的开关电源变压器，在距离开关电源变压器的半米球面圆周之处就有了很明显的反应。 衡量电源质量的基本技术指标有这几个：所有的技术指标全部是在0.5Hz到1MHz的频带之内测量，开关电源考虑到电磁干扰问题，高频则要延伸到100M或500M或1G。1.宽频带内的集总噪声，单位微伏μV。有可能之话，最好也做噪声频谱和噪声分布的测试。2.电源的稳定性，向负载供电，在10毫秒内，从1%额定负载到100%额定负载时的电压跌落、起伏幅度；在10毫秒内，从100%额定负载到1%额定负载时的电压跌落、起伏幅度，单位微伏μV。3.电源的响应时间，从10%额定负载到90%额定负载时，或者从90%额定负载到10%额定负载时，电源系统的响应时间，单位纳秒nS或毫秒mS。4.过载特性，在10毫秒内，从10%额定负载到200%额定负载时的电压跌落、起伏幅度；在10毫秒内，从200%额定负载到10%额定负载时的电压跌落、起伏幅度，单位微伏μV。5.峰值过载特性，在0.1毫秒内，从10%额定负载到200%额定负载时的电压跌落、起伏幅度；在0.1毫秒内，从200%额定负载到10%额定负载时的电压跌落、起伏幅度，单位微伏μV。6.电源的电磁干扰，单位分贝微伏每米dBμV/m。其他的还有一些技术指标，由于不是主要的，在此不再列出。 从某种意义上来讲，MP3害人不浅，有许多从MP3时代开始听音乐的爱好者，有部分人有时候就认为MP3比CD好听。
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狗仔卡
发表于 2018-1-21 20:52
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