浅谈有关数字升频的问题

gzwpf

最近网上谈论升频和Jitter的帖子很多。
根据本人所掌握的知识，谈点看法，才疏学浅，还望这方面的专家们指正。
先介绍一些概念（基于我的知识，不见得准确，欢迎讨论）：
1、大家经常说到的升频有两种 Upsampling（上采样） Oversamping（过采样）。
2、Upsampling（上采样）分为异步、同步两种。
3、Oversamping（过采样）是同步升频的简单化。
4、把升频器称为滤波器本人认为不妥，即使同步升频也一样，之所以这么叫开了，
   是因为市场有些数字滤波器内部采用了升频的方法。但不能就因此说升频器就是滤波器。
5、升频的主要目的是降低其后的滤波器的阶数。高阶滤波器的缺点除复杂性和成本高外，
   其最大的坏处是对不同频率的“相移”不同。
   采样率的增加会降低对DAC精度的要求，增加信噪比，
   其原理是因为上采样减少了在“使用频带”（对44.1K采样音频而言为1-22.1K）
   的噪声功率。
6、异步升频（Upsampling）由于在用异步的方式，使用高精度的本地时钟，可以将音源的Jitter隔离。
   也就是说，无论音源的JItter如何，最终影响DAC的Jitter都是本地化的（当然严格的说，音源连线的干扰Jitter
   也有，但如果使用光纤连接，则可避免）
7、Upsampling算法实现中，需要多种数字滤波器，如：抗镜像滤波器，抗混叠滤波器等等，
   有些人习惯将其称为滤波器，也许出于这个因素。
8、Upsampling采用插值算法（Interpolation)在已有采样样本之间增加新的样本。
   新样本值是通过插值计算获得（如多项式插值，拉格朗日插值等）。也就是说新样本值不仅仅与原有的两个相邻采样值相关，
   而是与多个值相关，
   为了改变时延特性，有的转换器允许改变选择值的个数，也就是改变多项式的阶数，进而调整运算的复杂度。
   增加或减少时延。
9、同步Upsampling的实现，经过一个整数倍的L-内插，或者再级联一个抽取器。
10、而异步的Upsampling的实现，是经过一个整数倍的L-内插后，再经过一个准连续内插器（QCI）
    准连续内插器的功能，就是计算出在新的采样率时间点的采样值。
    准连续内插器的算法有FIR内插、拉格朗日内插等。
11、与大家习惯思维相反，在一定的条件下（比如下一点所述），异步采样率转换算法具有比同步更高的效率，
    也就是更小的时延。
12、同步转换，如果采用内插级联抽取，则需要很高阶数的抗镜像滤波器，抗混叠滤波器配合，造成效率更低。
13、Upsampling转换器也可以先内插，升频为目标频率的几倍后，然后再进行一次抽取，降低为所需的频率。
    以实现更高的精度。（如上条所述，在此情况下，异步的效率会比同步更高）
14、DAC内部的升频准确的叫法是（Oversampling)其方法与Upsampling不同
    仅是通过保持原有的采样值为N次，来实现N倍的升频。将噪声向高端推出，增加了DAC的性能。
    其相当于最简单的内插，与采样率转换器的内插是完全不同的，其本质上没有增加采样点。
问题点：
W1、用数字算法增加采样点是否是假的？
W2、升频是否必要？
W3、整数倍升频是否比非整数倍更好？或者简化为44.1升频为48带来什么问题？
我的看法：
1、定义什么是“假”
   定义1：如果在一个区间内，DAC发出的模拟信号与原模拟信号不同，则定义这个信号为”假模拟“
   定义2：如果在一个区间内，进入DAC的数字信号与原模拟信号数字采样数字值不同，则定义这个信号为”假数字“
2、由于CD数字信号为44.1K采样率，因此在两个采样点中间的数据是永久的丢失了。
   我们假设这两个相邻的采样点为A、B。
3、根据1、2、得出：用任何方法得出的ＡＢ之间的数字或模拟信号都不能保证，不是“假”的。
4、既然3、成立，那么定义“假”无意义。因此，定义：
5、“仿真度”：定义为与原信号（模拟或数字）的接近程度。
6、按照5 的定义，根据音乐信号的特点，可以得出“折线”的仿真度最低，其次是“三角波”，而正弦波最高。
7、折线的密集度越高（采样率越高），则仿真度越高，同样适于三角波和正弦波。
8、DAC的作用就是用模拟器件（电阻或电容）模拟AB之间的波形。
   即使是电阻形式的DAC也是利用了电容的充放电波形特性来生成新的模拟波形。
9、内插算法是以数字方式，通过在AB之间插入新的采样点，而新采样点的计算方法其实与DAC在AB之间的动作无本质区别。
10、通过增加采样点，降低了对DAC转换精度的要求，也降低了对滤波器的要求。

因此，可以得出W1结论，从“假”或“仿真度”的方面分析。
DAC+滤波器 与 升频 + DAC + 滤波器 并无不同。
只是工作的分配问题。
11、升频的益处：（1）降低对DAC的精度要求，提高信噪比（2）降低滤波器的阶数，进而减少复杂度和成本，避免“相移”的恶化。
12、异步升频的益处：（1）相比同步效率更高（2）可以实现本地时钟，隔离Jitter。
因此，可以得出W2结论,升频有必要，异步更有必要。

最后关于“整数倍同步升频”，时间关系，下次继续。

欢迎理性讨论，鄙视谩骂和无厘头。

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邀请老虎发言。

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john_liu2003

原帖由 gzwpf 于 2009-9-14 11:52 发表
最近网上谈论升频和Jitter的帖子很多。
根据本人所掌握的知识，谈点看法，才疏学浅，还望这方面的专家们指正。
先介绍一些概念（基于我的知识，不见得准确，欢迎讨论）：
1、大家经常说到的升频有两种 Upsampling ...

顶创业精神！[s:20]
看完贴也学习了。

饿虎扑食

原帖由 gzwpf 于 2009-9-14 12:19 发表
邀请老虎发言。

呵呵呵，我不是专家，正在学习中。[s:97] [s:14] [s:30]

饿虎扑食

以本人用的垃圾DAC里的AK4393解码芯片的技术指标来看，96kHz的指标可没有44.1kHz的时候强。[s:97] [s:14] [s:30] 既然是44.1kHz的信号，硬要把它弄成88.2kHz或96kHz，然后输入AK4393，技术指标反而会下降。[s:97] [s:14] [s:30]AK4393本来就内置8倍超采样数字滤波器，你再加多一倍也没什么用。[s:14] [s:14] [s:14]

[ 本帖最后由 饿虎扑食 于 2009-9-14 13:10 编辑 ]

yxiao

原帖由 gzwpf 于 2009-9-14 11:52 发表
我的看法：
2、由于CD数字信号为44.1K采样率，因此在两个采样点中间的数据是永久的丢失了。
   我们假设这两个相邻的采样点为A、B。
3、根据1、2、得出：用任何方法得出的ＡＢ之间的数字或模拟信号都不能保证，不是“假”的。
4、既然3、成立，那么定义“假”无意义。

先请澄清一下，“不是‘假’的”是否系“都是‘假’的”之误？

言归正传：Upsampling后 A、B 两点是否还是采样点？如果已经不是，则新的  A、B 是否就由真变成了假。

后面的仿真度的讨论，依据是  A、B 为真，否则是否就成了对（能产生）假  A、假 B 的（虚设模拟信号）的“仿真”了？

[ 本帖最后由 yxiao 于 2009-9-14 13:38 编辑 ]

饿虎扑食

11、升频的益处：（1）降低对DAC的精度要求，提高信噪比（2）降低滤波器的阶数，进而减少复杂度和成本，避免“相移”的恶化。
12、异步升频的益处：（1）相比同步效率更高（2）可以实现本地时钟，隔离Jitter。


11.之（1），没法认同，以我用的AK4393芯片而言，96kHz的信号对它来说，是个更重的负担，指标下降了嘛。[s:14] [s:14] [s:14] 而且，我怀疑转换可能会带来噪声。

12. 之（2）可以实现本地时钟，隔离Jitter。理论是这样，这也是我对DAC1感兴趣的原因。可就本人拥有的垃圾DAC（其实是SRC）的使用效果来看，它的D/A CONV要好于它的SAMPLE RATE CONV，它的SAMPLE RATE既支持内部时钟，也支持时钟DIG IN。
1. 我的理解，它的D/A CONV就是不升频，输入信号由DAC内的8倍超采样数字滤波器进行处理。
2. 它使用内部时钟进行SRC的时候，就是异步升频。
3.它使用DIG IN进行SRC的时候，就是同步升频。
很遗憾，它的SRC比不上直接D/A CONV的效果。[s:97] [s:14] [s:30] 这是我根据低端的SRC得到的结论。

以后有机会见识DAC1的时候，或许会改变我的看法，也不一定。实际上，从原理看，异步升频似乎能隔离jitter，若真如此，却是PC HiFi Fans们的福音啊。[s:21] [s:21] [s:21]

dddddd666666

只要是用一定的频率对一个波采样，其二个采样脉冲之间数据肯定是永久丢失了，这个被丢失的数据不是随便补正的，它是根据或者参考前后二个被采数据值，根据这二个数据的动态趋势，模拟再生被丢失的数据。那么这二个采样脉冲的周期，就决定了后续补正的效果。周期越大补正误差越大，因此提高采样频率来缩短周期，达到提高补正精度，尽可能的还原原始信号，当然这个频率也不能无限制的提高。以上只是从理论分析来讲，升频有好处。
但当初设计CD标准时，其采样频率定在44.1kHZ ,也应该是专家们认证通过的，或许专家们认为44.1是最合适的了。也有可能当初是技术尚不支持再高一点的频率，或者是从制造成本考虑？

gzwpf

原帖由 饿虎扑食 于 2009-9-14 13:08 发表
以本人用的垃圾DAC里的AK4393解码芯片的技术指标来看，96kHz的指标可没有44.1kHz的时候强。[s:97] [s:14] [s:30] 既然是44.1kHz的信号，硬要把它弄成88.2kHz或96kHz，然后输入AK4393，技术指标反而会下降。[s:97] [s ...

DAC芯片的信噪比，不能等同于整个系统的信噪比。单个芯片的信噪比指标是已经减去信号本身的信噪比
以后得出的值。
如果要测试整个系统的信噪比，必须以模拟正弦波作为输入信号。
通路1为：模拟信号发生器->AD->采样率转换->DA->测试仪器。
通路2为：模拟信号发生器->AD->DA->测试仪器。
例如：AD采样率为44.1K
这样的比较才有意义。

量化噪声是由AD时就产生的，如果排除掉量化噪声，单独谈DAC的信噪比，就没有意义了。

大部分的DA在采样率高时的信噪比都会有所降低。但这不等于整个系统的信噪比会降低。

不然的话，你就会得出以下的悖论。

96K的原声带还不如44.1K的原声带。

[ 本帖最后由 gzwpf 于 2009-9-15 08:39 编辑 ]

gzwpf

原帖由 yxiao 于 2009-9-14 13:29 发表

先请澄清一下，“不是‘假’的”是否系“都是‘假’的”之误？

言归正传：Upsampling后 A、B 两点是否还是采样点？如果已经不是，则新的  A、B 是否就由真变成了假。

后面的仿真度的讨论，依据是  A、B 为真 ...

1、先请澄清一下，“不是‘假’的”是否系“都是‘假’的”之误？

答：没有错，不能保证不是“假”的，意思就是不能保证其为“真”的。
因为AB之间的信息已经不复存在了，只有上帝才知道原来是什么东西了。
2、Upsampling后 A、B 两点是否还是采样点？
如果是整数倍的升频，那么AB点就会保留。

如果不是整数倍，就不能保证AB点肯定会保留了。
但也不能因此就说AB的数值消失了。只是因为其不在采样时间点上，所以不会输出。
比如，你没有看到钟表的秒针指向1.5秒，事实上1.5秒的时刻还是存在的。
只是钟表不会显示出来罢了。

仔细想想以上的这个例子，“饿虎”就不会别那么不喜欢“非整数倍升频”了。

[ 本帖最后由 gzwpf 于 2009-9-14 15:29 编辑 ]

gzwpf

原帖由 dddddd666666 于 2009-9-14 15:15 发表
只要是用一定的频率对一个波采样，其二个采样脉冲之间数据肯定是永久丢失了，这个被丢失的数据不是随便补正的，它是根据或者参考前后二个被采数据值，根据这二个数据的动态趋势，模拟再生被丢失的数据。那么这二个采 ...

原文：根据这二个数据的动态趋势，模拟再生被丢失的数据


插值的算法很多，除了利用原有两个点进行插值外，

也可以使用多个采样点的值进行插值。随便翻翻高等数学教材就会有很多的算法了。

使用的数值越多，那么对原来曲线的趋势越逼近，曲线越平滑（或者用数学的语言，减少少了高频量化噪声）。

这也是为什么升频后，有人会感觉声音变得平滑的原因。