為什么Hi-Fi音頻正成為智能手機(jī)和平板電腦的下一件大事
Cirrus Logic英國(guó)音頻產(chǎn)品營(yíng)銷事業(yè)部產(chǎn)品線經(jīng)理 Nigel Burgess
隨著諸多技術(shù)突破和新的流媒體音樂(lè)服務(wù)的不斷融合將Pro Audio高保真（Hi-Fi）功能帶入移動(dòng)設(shè)備，未來(lái)對(duì)于智能手機(jī)、平板電腦和其他移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)是非常燦爛的。正如高清電視改變了人們看電視的方式，Hi-Fi音頻將成為便攜式設(shè)備，尤其是智能手機(jī)的下一件大事。
事實(shí)上，在優(yōu)化移動(dòng)設(shè)備的聲音質(zhì)量方面發(fā)生了許多變化。Hi-Fi音頻功能可以減少噪音、失真或其他數(shù)字干擾的影響，例如前鈴振聲音，盡管聽(tīng)眾可能沒(méi)有意識(shí)到，但毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)影響他們的聆聽(tīng)體驗(yàn)。而驅(qū)動(dòng)程序和增強(qiáng)功能則將為移動(dòng)音質(zhì)帶來(lái)“黑膠唱片般的質(zhì)感”，卻不會(huì)消耗太多電量。
這股風(fēng)潮來(lái)自哪里？
第一個(gè)指向Hi-Fi音響的指標(biāo)，是流媒體音樂(lè)訂閱的增加。據(jù)MIDiA全球流媒體音樂(lè)用戶研究協(xié)會(huì)（MIDiA Research Streaming Music Subscribers）2016年12月的報(bào)告顯示，流媒體音樂(lè)用戶數(shù)量從2014年到2016年翻了一番，從4,100萬(wàn)用戶增加到1億，預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到2.77億。另外， 《BuzzAngle 2016美國(guó)音樂(lè)產(chǎn)業(yè)報(bào)告》指出，2016年美國(guó)任何一天的日均流量（平均每日12億）比全年的歌曲下載量還多（7.334億）。MIDiA數(shù)據(jù)顯示，以Spotify（4300萬(wàn)訂閱者）、Tidal（約100萬(wàn)）、Deezer（690萬(wàn)）和Apple Music（2090萬(wàn)）為代表的流媒體服務(wù)正在主導(dǎo)整個(gè)市場(chǎng)。目前，只有Tidal和QobuzTM提供Hi-Fi流媒體，而Deezer、Soundcloud和JooxTM則提供部分Hi-Fi音效。如果Spotify、蘋果和亞馬遜等大公司開(kāi)始提供Hi-Fi流媒體播放，那么預(yù)計(jì)市場(chǎng)將大幅增長(zhǎng)。根據(jù)SAR Insight＆Consulting1預(yù)測(cè)，到2020年，高分辨率音頻（HRA）的下載量將從全球音樂(lè)下載量的1％（2016年）增加至11％。
圖1. SAR Insight＆Consulting預(yù)測(cè)，到2020年，高分辨率音頻下載量將增加至全球音樂(lè)下載量的11％。
在早期用戶的引領(lǐng)下，這些服務(wù)將喚醒用戶在目前的智能手機(jī)設(shè)備上根本無(wú)法體驗(yàn)到的完全不同的音樂(lè)體驗(yàn)。但為什么目前的智能手機(jī)或其他移動(dòng)設(shè)備的音質(zhì)這么差？這與移動(dòng)產(chǎn)品的物理限制有關(guān)：尺寸、重量和電池壽命。目前，各種技術(shù)限制交織在一起，阻礙了高性價(jià)比的Hi-Fi音頻在便攜式設(shè)備上的應(yīng)用，但是這種情況正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。
將專業(yè)音頻帶入移動(dòng)設(shè)備
“Hi-Fi”音頻是如何定義的？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它是盡可能接近原始音樂(lè)源的低噪聲和低失真音頻。在更技術(shù)的層面上，Hi-Fi音頻是指允許“無(wú)損”聲音傳輸?shù)谋忍芈省榱藟嚎s音樂(lè)，系統(tǒng)會(huì)忽略掉它認(rèn)為人耳聽(tīng)不到的聲音，以節(jié)省存儲(chǔ)空間。然而，這種“有損”壓縮，即MP3，卻確實(shí)降低了音頻質(zhì)量，因?yàn)槿硕鷮?shí)際上可以辨別出這種差異。
這就解釋了為什么在某些便攜式設(shè)備上收聽(tīng)壓縮音樂(lè)時(shí)，一般用戶都可以聽(tīng)出“差異”，但不知道為什么。將Hi-Fi音頻傳輸?shù)揭苿?dòng)設(shè)備時(shí)，還會(huì)帶來(lái)其他的挑戰(zhàn)。過(guò)去，移動(dòng)設(shè)備的存儲(chǔ)量不夠。只是到了現(xiàn)在，智能手機(jī)才有了足夠的存儲(chǔ)空間來(lái)跟上更高分辨率的音頻。事實(shí)上，移動(dòng)產(chǎn)品的存儲(chǔ)容量在過(guò)去幾年中呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，因此存儲(chǔ)大量無(wú)損音頻文件（如免費(fèi)無(wú)損音頻編解碼器（FLAC））文件）已經(jīng)不成問(wèn)題。這意味著用戶不必在音頻質(zhì)量上妥協(xié)，就能夠在手機(jī)上存儲(chǔ)多張專輯。此外，許多在線音樂(lè)存儲(chǔ)公司現(xiàn)在允許用戶下載，還可以隨意刪除歌曲和專輯，從而無(wú)需將整個(gè)音樂(lè)集存儲(chǔ)在手機(jī)上。
音頻芯片設(shè)計(jì)人員也在不斷開(kāi)發(fā)，努力將高性能功能集成到更輕巧的部件中。這些組件不僅尺寸變小，而且功耗更低，最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。尺寸和功耗是輕型智能手機(jī)或可穿戴式設(shè)備的物理因素要求。其他技術(shù)性的音頻設(shè)計(jì)元素被用于優(yōu)化壓縮音樂(lè)和流媒體播放。
指標(biāo)不代表一切
消費(fèi)者可能對(duì)特定的規(guī)格參數(shù)比較關(guān)注，規(guī)格確實(shí)能給產(chǎn)品重現(xiàn)高質(zhì)量音頻的能力提供很好的參考。然而，高質(zhì)量的音頻卻不僅僅只是規(guī)格。除了達(dá)到某些數(shù)據(jù)等級(jí)，如16位/96kHz甚至更高，在重現(xiàn)清澈的Hi-Fi音頻方面，有許多微妙的額外因素需要被考慮到。這些因素會(huì)對(duì)音頻質(zhì)量產(chǎn)生巨大影響。
“無(wú)抖動(dòng)”音頻
比如，抖動(dòng)會(huì)破壞再現(xiàn)的音頻質(zhì)量。所有時(shí)鐘信號(hào)都受抖動(dòng)的影響。在典型的系統(tǒng)中，如果抖動(dòng)總量低于-105dBFS，抖動(dòng)的聲音聽(tīng)不到。在音頻系統(tǒng)中一開(kāi)始就要考慮到時(shí)鐘性能，實(shí)質(zhì)上它必須是音頻系統(tǒng)DNA的一部分。這包括提供準(zhǔn)確的參考時(shí)鐘或圍繞專用的精確鎖頻環(huán)（FLL）設(shè)計(jì)IC以補(bǔ)償不準(zhǔn)確的參考時(shí)鐘。通過(guò)鎖定外部基準(zhǔn)和提供原始參考時(shí)鐘的低抖動(dòng)替代，片上FLL為內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和放大器提供了低抖動(dòng)的時(shí)鐘基準(zhǔn)。
先進(jìn)的Hi-Fi濾波器
先進(jìn)的Hi-Fi濾波器最初是為了高性能DAC而設(shè)計(jì)的，應(yīng)用于許多高端專業(yè)的音響系統(tǒng)中，現(xiàn)在也被應(yīng)用在便攜式應(yīng)用的智能編解碼器中。這意味著，智能手機(jī)、平板電腦和其他產(chǎn)品現(xiàn)在也能享受自然的聲音了。
精心設(shè)計(jì)的Hi-Fi濾波器可最大限度地減少數(shù)字信號(hào)處理的影響。下圖是高級(jí)512單位元DAC架構(gòu)的圖形表示，它順序?yàn)V除噪聲，以幫助消除數(shù)字世界的影響，并提供自然的人們最想聽(tīng)到的聲音。
圖2 Cirrus Logic CS 43130中的512單位元DAC圖示
除了減少抖動(dòng)這一影響音效的因素外，濾波器還能改變滾降和相位響應(yīng)，從而消除前鈴振。例如，鐃鈸碰撞的聲音通常是人們不想聽(tīng)到的，因?yàn)樵陂_(kāi)始擊打時(shí)它的聲音總是不清楚并伴隨著一些雜音。
我聽(tīng)到的是前鈴振嗎？
前鈴振是在數(shù)字處理的過(guò)程中人為制造的，導(dǎo)致人們?cè)谡鎸?shí)的聲音出現(xiàn)之前聽(tīng)到一些聲音。這意味著聲音并不像它應(yīng)該有的那樣清晰。現(xiàn)實(shí)世界中不存在能夠發(fā)出前鈴振的聲音，人耳對(duì)前鈴振聲也非常敏感。如果濾波器在數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換的過(guò)程中沒(méi)有正確運(yùn)作，再現(xiàn)的聲音往往聽(tīng)起來(lái)模糊低沉，暗啞呆板。
下圖通過(guò)使用Cirrus Logic CS43130低功耗DAC帶來(lái)的真實(shí)效果，展示了如何通過(guò)濾波器去除前鈴振，并提供了一系列可供選擇的濾波器。左圖中的可視聲波可被視為優(yōu)先的主要音頻信號(hào)（比如打鼓聲）。后鈴振指聲音產(chǎn)生后的現(xiàn)實(shí)世界中確實(shí)存在的聲音，比如鼓被擊打后的振動(dòng)。但是，前振鈴聲波是數(shù)字處理過(guò)程中音頻濾波器操作失敗所導(dǎo)致的結(jié)果。如右圖所示，先進(jìn)的Hi-Fi濾波器和變化范圍更大的濾波器能夠消除前鈴振，使后鈴振更富變化、更自然，呈現(xiàn)高質(zhì)量的聲音效果。
圖3 Cirrus Logic CS 43130 DAC中先進(jìn)的Hi-Fi濾波器消除前鈴振示例
高動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于減少失真至關(guān)重要
對(duì)于無(wú)失真自然聲數(shù)字音頻來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)范圍是音頻工程中另一個(gè)非常重要的因素。人耳的動(dòng)態(tài)范圍很廣，既能聽(tīng)到非常輕的聲音也能聽(tīng)到非常響的聲音。這一音量范圍被稱為動(dòng)態(tài)范圍。
為使最大信號(hào)范圍被正確再現(xiàn)，高性能DAC的高動(dòng)態(tài)范圍非常關(guān)鍵。如果DAC的動(dòng)態(tài)范圍很低，特別是在低于96dB的情況下，增大音量時(shí)，用戶會(huì)聽(tīng)到數(shù)字本底噪聲。一個(gè)典型的16位MP3文件的動(dòng)態(tài)范圍是96dB。在當(dāng)今先進(jìn)的Hi-Fi音頻格式中，24位FLAC的動(dòng)態(tài)范圍是144dB，32位音頻的動(dòng)態(tài)范圍也相應(yīng)更廣。（FLAC是類似于MP3的一種音頻格式，不同的是，F(xiàn)LAC是無(wú)損的，意味著它即使被壓縮音質(zhì)也不受損。）通過(guò)提供高達(dá)130dB的動(dòng)態(tài)范圍，在所有的放大器增益設(shè)置中，最小和最大的數(shù)字信號(hào)能夠在不受底噪聲影響的情況下被傳遞。
夢(mèng)想即將成為現(xiàn)實(shí)
在移動(dòng)設(shè)備上聆聽(tīng)數(shù)字音樂(lè)在全世界范圍內(nèi)日益流行，在便攜設(shè)備中運(yùn)用上述音頻技術(shù)可謂正逢其時(shí)。最近尼爾森發(fā)布的《2016中國(guó)音樂(lè)360報(bào)告》充分地證明了這一點(diǎn)。報(bào)告披露，72%的中國(guó)人平均每周聽(tīng)音樂(lè)的時(shí)間為16小時(shí)，千禧一代甚至高達(dá)19小時(shí)；66%的音樂(lè)收聽(tīng)者（69%的千禧一代）通過(guò)智能手機(jī)聽(tīng)音樂(lè)。作為一個(gè)超過(guò)10億人口的國(guó)家，中國(guó)一個(gè)國(guó)家的情況就預(yù)示了智能手機(jī)音頻領(lǐng)域巨大的增長(zhǎng)潛力，智能手機(jī)制造商對(duì)這一趨勢(shì)也密切關(guān)注。流媒體音樂(lè)服務(wù)的涌現(xiàn)和訂閱者的增長(zhǎng)、Hi-Fi音頻的流行，進(jìn)一步推動(dòng)了對(duì)移動(dòng)設(shè)備Hi-Fi音頻的需求。當(dāng)芯片技術(shù)提供商還在攻克芯片大小、存儲(chǔ)量、電池壽命和其他移動(dòng)平臺(tái)上的諸多限制時(shí)，音頻器件的設(shè)計(jì)師則打開(kāi)了研發(fā)新技術(shù)以提升用戶聆聽(tīng)體驗(yàn)的大門。這就是為什么Hi-Fi音頻能夠繼智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴設(shè)備之后成為下一個(gè)市場(chǎng)焦點(diǎn)。將高質(zhì)量的專業(yè)音頻帶到移動(dòng)設(shè)備中去，這并不遙遠(yuǎn)，在此時(shí)此地即將實(shí)現(xiàn)。