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英國音頻產(chǎn)品營銷事業(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服務(wù)的不斷融合將Pro Audio高保真（Hi-Fi）功能帶入移動設(shè)備，未來對于智能手機(jī)、平板電腦和其他移動設(shè)備來說是非常燦爛的。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，盡管聽眾可能沒有意識到，但毫無疑問會影響他們的聆聽體驗(yàn)。而驅(qū)動程序和增強(qiáng)功能則將為移動音質(zhì)帶來“黑膠唱片般的質(zhì)感”，卻不會消耗太多電量。
這股風(fēng)潮來自哪里？
第一個指向Hi-Fi音響的指標(biāo)，是流媒體音樂訂閱的增加。據(jù)MIDiA全球流媒體音樂用戶研究協(xié)會（MIDiA Research Streaming Music Subscribers）2016年12月的報告顯示，流媒體音樂用戶數(shù)量從2014年到2016年翻了一番，從4,100萬用戶增加到1億，預(yù)計到2020年將達(dá)到2.77億。另外， 《BuzzAngle 2016美國音樂產(chǎn)業(yè)報告》指出，2016年美國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（4300萬訂閱者）、Tidal（約100萬）、Deezer（690萬）和Apple Music（2090萬）為代表的流媒體服務(wù)正在主導(dǎo)整個市場。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始提供Hi-Fi流媒體播放，那么預(yù)計市場將大幅增長。根據(jù)SAR Insight＆Consulting1預(yù)測，到2020年，高分辨率音頻（HRA）的下載量將從全球音樂下載量的1％（2016年）增加至11％。
圖1. SAR Insight＆Consulting預(yù)測，到2020年，高分辨率音頻下載量將增加至全球音樂下載量的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)備上根本無法體驗(yàn)到的完全不同的音樂體驗(yàn)。但為什么目前的智能手機(jī)或其他移動設(shè)備的音質(zhì)這么差？這與移動產(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)音頻帶入移動設(shè)備
“Hi-Fi”音頻是如何定義的？簡單來說，它是盡可能接近原始音樂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“無損”聲音傳輸?shù)谋忍芈省榱藟嚎s音樂，系統(tǒng)會忽略掉它認(rèn)為人耳聽不到的聲音，以節(jié)省存儲空間。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)備上收聽壓縮音樂時，一般用戶都可以聽出“差異”，但不知道為什么。將Hi-Fi音頻傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備時，還會帶來其他的挑戰(zhàn)。過去，移動設(shè)備的存儲量不夠。只是到了現(xiàn)在，智能手機(jī)才有了足夠的存儲空間來跟上更高分辨率的音頻。事實(shí)上，移動產(chǎn)品的存儲容量在過去幾年中呈指數(shù)級增長，因此存儲大量無損音頻文件（如免費(fèi)無損音頻編解碼器（FLAC））文件）已經(jīng)不成問題。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)上存儲多張專輯。此外，許多在線音樂存儲公司現(xiàn)在允許用戶下載，還可以隨意刪除歌曲和專輯，從而無需將整個音樂集存儲在手機(jī)上。
音頻芯片設(shè)計人員也在不斷開發(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)計元素被用于優(yōu)化壓縮音樂和流媒體播放。
指標(biāo)不代表一切
消費(fèi)者可能對特定的規(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，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。這些因素會對音頻質(zhì)量產(chǎn)生巨大影響。
“無抖動”音頻
比如，抖動會破壞再現(xiàn)的音頻質(zhì)量。所有時鐘信號都受抖動的影響。在典型的系統(tǒng)中，如果抖動總量低于-105dBFS，抖動的聲音聽不到。在音頻系統(tǒng)中一開始就要考慮到時鐘性能，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)確的參考時鐘或圍繞專用的精確鎖頻環(huán)（FLL）設(shè)計IC以補(bǔ)償不準(zhǔn)確的參考時鐘。通過鎖定外部基準(zhǔn)和提供原始參考時鐘的低抖動替代，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的時鐘基準(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)計的Hi-Fi濾波器可最大限度地減少數(shù)字信號處理的影響。下圖是高級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到的，因?yàn)樵陂_始擊打時它的聲音總是不清楚并伴隨著一些雜音。
我聽到的是前鈴振嗎？
前鈴振是在數(shù)字處理的過程中人為制造的，導(dǎo)致人們在真實(shí)的聲音出現(xiàn)之前聽到一些聲音。這意味著聲音并不像它應(yīng)該有的那樣清晰?，F(xiàn)實(shí)世界中不存在能夠發(fā)出前鈴振的聲音，人耳對前鈴振聲也非常敏感。如果濾波器在數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換的過程中沒有正確運(yùn)作，再現(xiàn)的聲音往往聽起來模糊低沉，暗啞呆板。
下圖通過使用Cirrus Logic CS43130低功耗DAC帶來的真實(shí)效果，展示了如何通過濾波器去除前鈴振，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（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。但是，前振鈴聲波是數(shù)字處理過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
高動態(tài)范圍對于減少失真至關(guān)重要
對于無失真自然聲數(shù)字音頻來說，動態(tài)范圍是音頻工程中另一個非常重要的因素。人耳的動態(tài)范圍很廣，既能聽到非常輕的聲音也能聽到非常響的聲音。這一音量范圍被稱為動態(tài)范圍。
為使最大信號范圍被正確再現(xiàn)，高性能DAC的高動態(tài)范圍非常關(guān)鍵。如果DAC的動態(tài)范圍很低，特別是在低于96dB的情況下，增大音量時，用戶會聽到數(shù)字本底噪聲。一個典型的16位MP3文件的動態(tài)范圍是96dB。在當(dāng)今先進(jìn)的Hi-Fi音頻格式中，24位FLAC的動態(tài)范圍是144dB，32位音頻的動態(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是無損的，意味著它即使被壓縮音質(zhì)也不受損。）通過提供高達(dá)130dB的動態(tài)范圍，在所有的放大器增益設(shè)置中，最小和最大的數(shù)字信號能夠在不受底噪聲影響的情況下被傳遞。
夢想即將成為現(xiàn)實(shí)
在移動設(shè)備上聆聽數(shù)字音樂在全世界范圍內(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。最近尼爾森發(fā)布的《2016中國音樂360報告》充分地證明了這一點(diǎn)。報告披露，72%的中國人平均每周聽音樂的時間為16小時，千禧一代甚至高達(dá)19小時；66%的音樂收聽者（69%的千禧一代）通過智能手機(jī)聽音樂。作為一個超過10億人口的國家，中國一個國家的情況就預(yù)示了智能手機(jī)音頻領(lǐng)域巨大的增長潛力，智能手機(jī)制造商對這一趨勢也密切關(guān)注。流媒體音樂服務(wù)的涌現(xiàn)和訂閱者的增長、Hi-Fi音頻的流行，進(jìn)一步推動了對移動設(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、存儲量、電池壽命和其他移動平臺上的諸多限制時，音頻器件的設(shè)計師則打開了研發(fā)新技術(shù)以提升用戶聆聽體驗(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)備之后成為下一個市場焦點(diǎn)。將高質(zhì)量的專業(yè)音頻帶到移動設(shè)備中去，這并不遙遠(yuǎn)，在此時此地即將實(shí)現(xiàn)。