面向SACD的DXD技术之优势
已有 1384 次阅读 2009-2-23 14:57 |个人分类:翻译|关键词:DXD SACD 优势
DXD（面向SACD的高清低噪音录制、编辑的极限数字清晰技术），是飞利浦和索尼最近发布的一种新格式。DXD最初是为了Merging公司的Pyamix DSD workstation 而研发的，并被认为是最好的DSD源记录格式之一。现在，最初的A-D, D-A转换器已经可以把其他格式直接转换成DXD格式，丹麦数字音频公司的MD MIKAEL VEST对于面向SACD的录制给出了一个概括总结，其中概述了DXD的优缺点。
超级音频CD（SACD）的概念于2000年由索尼和飞利浦公司提出，作为新一代的音乐格式，可提供超清音质、多声道音频，以及对传统CD播放器的向后兼容性。这项技术现在已经被用在音乐生产和消费者的“食物链”的各个环节上，可以说目前在实现SACD音乐的道路上，无论在商业还是技术方面都没有真正的阻碍。确实，在已售出大量环绕声系统，众多DVD播放器也都支持SACD的强大市场基础之上，SACD的多声道功能对艺术家和音乐制造商们提出了一项挑战：把对音乐的感知从立体声提高到多声道，让消费者更好地欣赏音乐。
许多已有的作品被重新灌装到SACD，新的原创作品也开始涌现。这就引出了本文的主题：SACD的实际记录格式，特别是新的记录格式——DXD。但是在详述之前，首先需要提到DVD-A。
当市场上有两个几乎一模一样的格式共存，技术的改良的速度就会减缓；这种现象以前在VHS和Betamax录影带共存的时候就发生过。最终其中一种，或两种格式都可能胜出。在SACD和DVD-A之间，主要的增值性差异在于防盗版机制，这方面SACD更安全可靠，但在录制和创作阶段，它的操控也更为复杂。声音质量方面，SA-CD拥有更高带宽，这为更精确地表现音乐提供了可能。然而这一点细微差别并不太重要，因为这两种格式比起CD来都要强很多。
SACD的关键优势在于高效的防盗版保护；向后兼容性，可选择CD播放器；播放时间可媲美传统CD；可用立体声和5.1多声道的混合；相对于CD音质的大幅改进；以及可兼容相对应的DSD存储内容。
在录音工作室的技术解决方案方面，现在制造商可提供多种适合制作SACD的设备，可以与已有的设备通用。为了记录和编辑最高质量的素材，索尼和飞利浦发布了一种新的编辑格式，极限数字清晰技术（DXD）。DXD是为找到“最大公分母”格式而提出的一项提议，使用这种技术，在实际的编辑过程中就不必因为1-bit DSD信号的限制而牺牲音质。1-bit DSD信号是SACD的最终音频格式。在PCM中有一种类似DXD和DSD的技术，是先用24-bit以上进行音频记录和处理，在控制阶段再调谐到16-bit。
要定义SACD录音系统/设备的总体质量，技术评价的要点必须基于音质的技术规格（即度量衡）和人耳听到的音质评价。除了PCM常用规格之外，最重要的是录音系统的脉冲响应和DSD音频信号母版的带外噪音频谱。
SACD上的音频数据格式叫做DSD，它用1-bit音频数据，44.1kHz样本频率的64倍抽样，这样就产生了每秒2.8224MB的数据率。这种格式被称为DSD64。存储多音道数据的格式也是用DSD64，但是要伴随一种名为DST的无损失编码方案。DSD的一个很大优势在于数字记录信号的脉冲响应不会在一些常规处理中被损耗，而在传统的PCM中，即使高达192kHz的取样也会有损耗。然而因为在抓取首要音频波段——20Hz~20kHz120dB的动态范围时，使用了一个噪音修整程序，DSD信号的噪音频谱增加了超过22KHz。双倍解析DSD格式音频也是从128倍样品频率中取样，数据率每秒5.6448Mbit，被称为DSD128。高频率的好处是可以让这种格式中的带外噪音也在双倍的频率上，即44kHz以上。由于对存储量的双倍要求，DSD128没有直接用于SACD。（要了解DSD格式的细节，请参看【2】）。图表1到图表3展示了DSD64、DSD128和PCM和DXD抽样格式在不同抽样率上的A-D转换特性。
要透彻地说明DXD格式，需要联系到DSD格式实际定义的初衷。DSD基本上有两种方法。一种只用DSD做SACD的实际音频数据格式，而另一种用DSD做采集格式，也就是用于制作类似音频的最初取样的一种格式。
用一些录音设备可以取得DSD中的音频数据，但是引入这种格式的最初原因是索尼音乐需要存储大量的类似数据格式的录音带。因为这个目的，DSD数据格式当时被当作一般性地存储数字音频数据的最佳方式。
而它的实现方式就是直接存储A-D转换器中的delta sigma调节器的1-bit输出。因此，将DSD格式用作SACD光碟上的比特流格式，也可以用于发布几乎不需要编辑的立体声素材压缩包，而当时在1-bit范围内也是不可能进行编辑的。换句话说，翻录已有的音频素材到SACD上也是很讲得通的。然而，重要的是，要知道在SACD制作中进行原音录制时，因为种种原因，所使用录音设备是不同的，为了尽量地利用的DSD音速优势，必须采用另一套折衷方法。
如果你研究一下飞利浦公司最初的技术白皮书【2】，就会发现DSD信号最初是定义为能够高效地表达SACD上数字音频数据的一种用户格式。
对于SACD制作的录音，在A-D转换器和硬件方面，现今有三种不同的方法：DSD、PCM 和DXD。
在DSD录制中，使用供DSD64信号的真DSD A-DC转换素材。由于1-bit信号的数学本质，不把数据转换为编辑格式，以上内容便不可编辑。通常要对唱片进行编辑和混音就要把原信号转换成类似PCM的bit数大于1的信号。理论上这就要牵扯到一个噪音修整程序，从而导致对于信号的脉冲回应和噪音曲线的降级。
PCM录音可以使用惯用的方法制作，素材由A-D方式转换到PCM，用标准的44.1kHz, 88,2kHz或176,4kHz取样率进行录音、编辑，再用合适的系统处理成DSD格式。可以用DSD A-D转换器，实时格式转换软件（如插件），或“脱机”软件程序。
DXD录音以A-D转换器直接输出的DXD音频信号为基础。这种录音的优点是DXD信号可以直接编辑，从而得到比DSD更高的清晰度。它的一大好处就是带外噪音水平比起DSD信号显著下降。相对来说编辑过程对于录音频道和最终混音音乐的直接动态范围关系的变化不太敏感。
DXD是飞利浦和索尼作为一种SACD制作中用于录音和编辑的高取样率、多bit处理的格式而发布的。DXD定义为一种352.8kHz取样率的24-bit信号。DXD的优势在于它的信号不再局限于像DSD那样的1bit模式。因此，拥有更高秩序的delta sigma调节器，例如5bit的A-D转换器就可以使用。使用更高秩序的调节器实际上使得大幅降低高频率噪音水平成为可能，从而改进了转换质量。因为DXD抽样率是44.1kHz的8倍，信号不必有任何降格就很容易地再抽样到DSD。DXD单信号的数据率是24bit乘352.8kHz，即8467,2MHz，是DSD64信号的3倍。
在任何录音系统中，音速质量都是最重要的参数，而录音工程师和艺术家们必须从听觉质量方面进行选择。在技术标准方面，评价录音设备性能时有两种度量衡特别引起大家的兴趣——带外噪音和脉冲回应。
以下的曲线图是由不同格式的电脑模型导出的，基于Digital Audio Denmark和Merging科技转换器的基本理论和实际表现【3】【4】。
图表1表示了AD转换的脉冲回应，这是一种对数字化信号的时间紧密度的度量标准。
定义脉冲回应用到两个因素——取样过滤器(去假信号过滤器)的roll-off频率，和过滤器的roll-off斜率。高roll-off频率产生高振幅的脉冲。低roll-off频率产生较少的前后回音，从而得到更精确的脉冲时间点。
由于宽松的过滤器斜率和高带宽，DSD拥有完美的脉冲透明度。对于不同的PCM级，有不同的结果。当抽样频率增加，脉冲就更高，但需要遵从Nyquist（即在一半的抽样率附近完全衰减）的高斜率的过滤器会有前后回音的效果。在更高的速度中，过滤器斜率可以更宽松，因为当有效的音频振幅很低，例如50kHz以外，把音频内容折向下的风险就非常小。
图表2表示不同格式的频率回应。图表3表示FFT的带外噪音频谱。
这很清楚地表明了，当多声道录音和混音时，DSD中的64fs A-D转换的高噪音水平会加总。可以看出DXD比DSD有更低的噪音频谱，在60kHz上要低50dB。
Scarlet Book是关于SACD媒体、媒体中存储的数字音频信号的一套技术标准，也是SACD音频和数据播放设备的标准。Scarlet Book等同于CD标准的Red Book。
在音频信号的标准方面，对SACD光盘的DSD信号噪音频谱有个限制。30dB/oct斜率，40kHz到100kHz的频率段上，RMS噪音累积不能超过20dB（SACD水平）【5】。这一标准接近大多数DSD A-D转换器可以达到的程度，所以它对于编辑系统中任何的噪音变化都非常敏感。图表3中的DSD噪音曲线图中RMS噪音是-23.5dB。
那么，怎样才能制作出理想的SACD唱片呢？因为DXD技术方面的原因，DXD是最合适录制高质量信号的格式。由于DXD是一种类似PCM的信号，编辑时可以用通用的无损耗数字程序，只要把FS调到8倍操作就可以了。出品SACD时这个信号可以转换到DSD。DXD也可以用抽样率转换来转换到标准的PCM，而始终保证最终的控制格式确定音乐作品的质量水准。现在，我们可以录制和编辑DXD的16声道【4】。
另一方面，DSD64不是很适合做多声道录音，因为DSD的带外噪音会大大影响作品的总体噪音水平，这取决于实际的混音，以及声道之间动态范围的关系。考虑到带外噪音的限制，Scarlet Book中的标准规定了对于最终的SACD制品的要求。当多个声道的噪音加起来时，就比较难达到这条标准了。
DSD128的取样在唱片的噪音方面取得了重大进步。然而，编辑时它仍然需要像DSD64一样转换信号格式，因此对唱片总体效果还是有影响。
如果最终的混音必须是SACD的话，更务实一些的解决方法是在88.2kHz的PCM上录音；如果最终是DVD-A的话则用96kHz。就SACD来说，PCM混音可以在出品阶段转换到DSD。当然，总的来说，唱片的脉冲回应限于88.2kHz PCM，但另一方面，如果实际要录制的音乐原声质量高（也就是素材的频率回应高），这可能就不是什么真正的问题。这种唱片要达到Scarlet Book上的规定就不会有问题了。
最后归结到一个很简单的结论。由录音工作室选择实际的操作，DSD、PCM和DXD可以单独使用，也可以组合使用。要得到一个合格的SACD录音系统，必须从带外噪音、脉冲回应和人耳听到的音质三方面对系统进行评价。
基本的三种SACD录音设备可以有多种运用方式，只要用得得当，多数都能得到很高的音质。但要设定真正的最高音质，还是需要认真考虑DXD技术。
参考：
【2】DSD为何成为数字音频技术的最佳选择，2001 AES论文
【3】www.digitalaudio.dk, AXION音频转换器
【4】www.merging.com, Sphinx2音频转换器
【5】SACD音频信号特性，Scarlet book, Marts 2003