SACD来龙溯源


Super Audio CD的缩写,是超级音频光盘系统,是索尼和飞利浦在它们联合开发的MMCD(单面双层结构的高密度光碟)基础上研制推出的新数字音频格式。它的频率范围和动态范围均优于CD。SACD是一种新型的光盘,它不是CD格式,而类似DVD光盘,播放时需使用SACD专用的播放设备。


  SACD技术根植于所谓的PWM理论,Pulse Width Modulation, 脉冲宽度调变,听起来很伟大,但确实却是非常直觉的观念。


timg.jpg


  什么是脉冲调变?我们可以从调光器的原理说起。当我们打算调整110V灯泡的"亮度"时,至少有两种方法:


  改变电压:将110V降低一点,譬如降成80V、60V,这样灯光的亮度就不一样的。灯光亮度为什么会因"电压高低"不同?很简单,因为电压高、灯泡功率大,电压低、灯泡功率小,电压造成功率的改变,如此而已。


   改变"导通时间":还有一个方法,如下图所示。如果我们断断续续的供应电压,譬如有时候110,有时候0V,灯泡功率也是会获得控制的,但读者会想到几个疑问:


1120535525-0.jpg


  灯泡会不会忽亮忽暗啊?当然会。所以,我们必须让这个脉冲断续周期密集一点,当灯泡有点暗、却还没熄灭之时,马上又上电,又太亮了?断电。就在ON/OFF之间控制灯泡的功率。


  比起调整电压,控制导通时间好麻烦!是有点麻烦,但是好处在于"省电"。控制导通时间,只是单纯的ON/OFF,改变电压却经常得"损失"电压、损失"功率"。从110V降到 60V,如果用电阻分压,那多的60V全到了电阻上,电阻承受功率还得很强才行。

  当然,调节电压还有其他很有效率的作法,暂时不谈。 这种ON/OFF控制灯泡亮度、功率的作法,其实就是"脉冲宽度调变"。参考我们画出的图形,电压导通的"宽度"是不是一直在变?那些高高低低的讯号就是"脉冲",横轴的时间就是"宽度",因为脉冲宽度一直在变,用某种方式在变,所以就是"脉冲宽度调变",PWM是也。


  PWM其实用在很多控制上,譬如灯泡亮度、功率,或者,当我们把灯泡换成电热丝,就成了温度控制(可以拿来烘鸡蛋、孵小鸡)。模拟一下:先对电热丝加热,太热了?关掉,于是温度下降,太冷了?再把电加上去,在开开关关之间,达成温度控制的目的。


  冷气温度的控制也相同。压缩机开启时,温度持续下降,等到降到超过特定温度时,? 设定25度,则压缩机关闭。此时温度上升,超过25时,压缩机再度开启。同样的,在ON/OFF之间,达到温度控制的效果。(还有一种变频控制,比较贵、更有效率,以后再谈)


  结论


  当我们可以利用脉冲宽度来调整亮度、温度等人类感官可以"感受"的类比因素时,是不是可以应用在音响上,拿来再生重播呢?(波形不也是强弱、疏密的改变吗?) 答案是肯定的, 


  在上提到,当我们以PWM技术控制灯泡、温度时,这些脉冲必须密集一点,否则非得灯泡暗了才开,温度热翻天了关,那还搞什么控温、控光? 当然,除了脉冲密集一点,还有一招,就是"受控物",譬如灯泡、电热丝"钝"一点。拿烙铁做例子,电烙铁绝对不会因为立刻拔下插头而冷却,这就是反应"钝一点",在拔拔插插之间,就能达到控温效果。


  请大家记得"钝一点"的观念,继续以下的讨论。 


纵波与横波


  这是初中物理上的分类方式。拿一个绳子上下摆动,这是横波,就好像我们看到的正弦波那样,上下动,这是横波。


  纵波,又称为疏密波,弹簧的振动就是疏密波,空气的压缩也是疏密波。当喇叭振膜推动空气之后,会对空气发挥压缩的效果,压缩的快慢、强弱将对空气发生对等的影响。用力压时,空气密度高一点;轻轻的压,空气密度差一点,如果不压反拉(喇叭也是会回头拉的),空气密度更疏松。


  人耳的听觉来自于空气对于"耳膜"的压力。读者应该发现到了,喇叭用力压,透过空气,也对耳膜施压,耳膜振动,我们听到声音,如此而已。 于是我们发现,原来人耳的动作、声音的传递,也是很"PWM"的,PWM无所不在、PWM也很"类比"。 


    让我们来想想以下的"如果":


  如果我们能让来自CD唱盘的讯号变成宽宽窄窄的脉冲,然后让耳朵钝一点......钝一点?就是听起来不要忽大忽小的,大小之间平滑的" 接起来",那不就是"再生重播"?


  我们面对几个问题:


  耳朵虽钝,但其实还不钝得离谱。但庆幸的是,喇叭钝,喇叭不够钝,还有其他技巧可用,就是"低通滤波器"。 装过DAC的朋友都知道,因为DAC跑出来的波形跟锯齿一样,可以用低通滤波器来"平滑化"。就频域来看,这等于衰减高次谐波,让声音不刺耳。


  CD唱盘的输出很小,即使让它变成宽宽窄窄的脉冲,还是小,小得推不动喇叭。所以,我们的构想是,让小脉冲负责开闭开关,然后切换一个很大的电压,让这个很大的电压也是宽宽窄窄的,然后有足够电流去推动喇叭。


  这是怎样的结构呢?


  我们现在即将讨论的,其实就是一个PWM放大器,也就是Class D放大器。 请看下图。首先,我们要想办法把CD唱盘的输出讯号弄成宽宽窄窄的脉冲讯号。理论上不算太难,只要让原始波形与锯齿波去比较就行。不过这个过程不容易理解, 没关系,先跳过去。


1120534537-1.jpg


  想把我们的构想与目的描述一次。


  目的:要把小小的脉冲扩大,譬如原本5V的脉冲高度扩 张成50V,然后去推喇叭。


  构想: 用小小的脉冲去推动一个开关,开关左右是一个 50V高压。正常状况下,左侧的50V是到不了右侧输出端的,不过当脉冲为"高电位"时,开关导通,此时右侧 电压升为50V;当脉冲为"低电位"时,开关关闭,右侧电压立刻垮了下来。


  实现方式: 找一个可以当成开关的元件,这个开关受控于另一个小脉冲。对了,"继电器"可以当成开关,可惜机械动作速度太慢,就算速度够快,一秒钟切个几百次,不坏掉才怪!切记、切记,要让最后的输出平滑,不是开关切换够密集,就是耳朵够钝,还记得我们前两集提到的吗? 所以,我们非选择电子开关不可,一般来说,最好用的电子开关莫过于MOSFET,速度够快,而且寿命也长。 


  如下图所示,小脉冲推MOSFET,然后MOSFET的切换造成右侧输出电压的高低不同,您瞧,脉冲是不是被扩大了 呢?抛开恼人的数学式,请读者跟著我一同想像。如果,我是说如果,我们把输出接到喇叭上(当然啦,还有一些必备手续被我省略了),应该是忽然很大声、忽然没声音。对,我们应该让脉冲密集一点,让"很大声"还没掉到"很小声"之前,还有中间、中高、中低、中高高 、中低低......越密越好。 


  从上述得知: 开关必须切得很快才行。您得找一个很快、很快的MOSFET。那个将CD输出变成脉冲的过程要注意,必须成为"密集的脉冲"。在不太严格的情况下,我们姑且将此"密集"定义为"调变频率",调变频率高,可以让脉冲更为密集。找个电路,譬如低通滤波器,让"后面",就是喇叭、人耳都"钝一点"。 


  一定有读者好奇,PWM扩大机的好处在哪里?跟SACD有何关连?


   有个图很难画,请读者跟我一起想像: 当宽宽窄窄的脉冲波经过低通滤波器、输入喇叭之后,虽然可以用示波器观测到"正常的波形模样",但一定会一齿、一齿的...... 就目前的技术来说,调变频率可以处理得很高、很快,调变频率的速度越高,这个"一齿、一齿"的现象越不明显,当然,音质越好。PWM或者Class D放大器的限制就在这里,要频宽大,调变频率就要高,譬如直上500KHz(早期 SONY全频宽PWM放大器就是如此)。 


  将调变频率拉高是不容易的,除了要半导体元件的配合外,频率一高又成了干扰源,会放射出去干扰人!我们可以 发现Harris的CoolAudio系列有不少高功率Class D放大器 驱动IC,但多数仅能动作于500Hz之下,就是受限于调变频率。


  讨论至此,相信所有读者,包括初学的朋友在内,都可以帮我解答一个问题: 为什么Class D放大器的调变频率会影响到杂讯的多寡?因为调变频率非常高时,"一齿、一齿"的杂讯比较不容易见到,调变频率很低、很低时,这个"一齿、一齿"就明 显了。像布袋戏中的"二齿"。 最后一个问题是,放大就放大,何必大费周章,又切又换的,弄出什么开关、什么脉冲,难道是骗钱?


还是调音?


  错错错!这是因为MOSFET只是当成开关来用,耗电很少,换句话说MOSFET几乎不吃电的,它只是一个快速ON/OFF开关,不像什么AB类、A类扩大机,功率晶体要通过偏流(谁说过,越热越好,但越热越费电、越费电越花钱,得花钱盖核能电厂,然后动员一堆人抗议、静坐......) 找此逻辑推断,为了追求政治的安定,我们必须使用PWM扩 大机。 结论:在传统扩大机中,晶体是拿来放大的,但是在PWM扩大机中,晶体是拿来当开关的。 


  上次谈到社会运动与PWM的关系后,这次谈谈PWM与SACD的爱恨情仇。


  参考下图,这就是直接把数位输出转化为PWM输出的作法。


  大家知道,数位输出就是高低电位的变化,如果我们控制高低电位变化的时间,那不就是等于控制脉冲的宽度? 


1120532M1-2.jpg


    真够简单的!只要让"1"久一点,脉冲就长一点,让"1" 短一点,脉冲就短一点。如果图上的"t"越小,就代表数位输出端所能呈现脉冲宽度变化更为细腻。


  更为细腻?这就像我们前几集说的,"调变频率"高一点。 摆在CPU或数位系统上,这意味速度快一点,让我们可以用更快的速度缩短输出时间间隔,呈现最细致的变化。


  想想极端的例子。如果CPU的输出仅能做到每秒切换一次高 低(t=1秒),或者每秒切换100,000次,那个厉害?哪个一齿、一齿"少?当然是后者。


  如果,每秒切换速度在2,000,000次以上,大概只要用一个很简单的低通滤波器就可以没什么"一齿、一齿",平平滑滑的了。 


  这就是SACD。当音乐储存在软体上时,呈现的型态就几乎是 很PWM的,用一对0与1来表示脉冲宽度的关系(当然还是用上许多编码技术啦),然后利用一些机制把这些0与1捉出来,很直觉的变成长短脉冲,接著送入低通滤波器。整个PWM的过程就是DAC,一个简单的DAC。 SONY/Philips强调的是,如果有一天软体储存技术更高了, 运算技术也更强悍,几乎不必动到DAC,我猜,SONY指的是那个低通滤波器,因为我们只是把更密集的脉冲送入低通滤波器、换取更佳的音质。


   看了那么多,本次SACD的故事到此结束,希望读者已藉此学到:


  1.PWM的概念。

  2.Class D/PWM放大器是什么东东。

  3.SACD的基本原理。

注:本文转载自影音新时代网,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如有侵权行为,请联系我们,我们会及时删除。