音響系統中的數位和類比部份初解

有鑑於一些版友對於音響系統中數位和類比觀念不是很清楚,
小弟就野人獻曝, 簡略的說一下在音響系統中出現的數位和類比訊號,
如果有錯誤歡迎指正.

音響系統的目的, 就是為了能重現某些聲音,
甚至在上面做一些處理, 比如加強高低音或是濾掉雜音等.

那聲音是什麼?
就是空氣的振動, 由耳膜接收到後, 再經由神經傳到大腦,
最後由我們的大腦演譯出我們所聽到的聲音來.

為了把聲音紀錄下來, 愛迪生發明了留聲機

好像扯太多了...廢話不多說,
紀錄聲音的方式, 其實就是紀錄空氣振動的波形,
所以麥克風上會有一片振膜, 然後上面有線圈和磁鐵,
於是空氣振動時, 會讓這線圈前後振動, 於是產生了電流.
到這個階段, 訊號全都是類比訊號.
但是怎麼紀錄下來就是數位和類比的分野了.

數位訊號是把這連續變化的電流, 每隔一個極短暫的時間就紀錄一下該時間點的電流值,
這個短暫的時間如果是 0.0001 秒, 也就是每秒取 1 萬筆,
那麼我們就稱取樣率為 10K.
假設這電流值的範圍是在 -10 mA~ 10 mA 之間波動,
那我們用 0~65535 去表示, -10 mA 的值為 0, 10 mA 的值為 65535,
那就表示以後只要讀到的值是 32767, 我們就知道當時的電流值幾乎為 0.
而 0~65535 共有 65536 個值, 是 2 的 16 次方,
我們就稱這個採樣的解析度有 16 bits.
但因為原始聲音是連續的, 所以產生的電流也是連續變化,
它是有可能產生 0.51, 65534.82 這樣的值的,
那這些值怎麼辦? 如果要儲存, 只好把 0.5 當作 1,
0.49 當作 0 這樣, 把小數的部份全轉成整數, 這樣才有辦法用 16 bits 的整數去描述.
但也因為這樣, 數位訊號就是在取樣 -> 紀錄時, 產生了避免不了的失真.

而如果是類比訊號的紀錄, 就是把這連續的電流值,
放大之後去驅動刻錄的裝置, 電流高低直接影響刻錄時的深淺,
所以刻出來的軌道, 其高低變化是連續的, 而不像是數位方式一階一階的,
當然, 類比錄音也有類比錄音要面對的問題,
比如怎麼保證電流高低和刻槽深淺是線性的變化?
(這個問題數位紀錄方式一樣會碰到, 也就是 ADC 的工作特性曲線)
不過基本上, 記錄下來的類比訊號是連續變化的.

不管是數位或是類比, 記錄有了, 那接下來就是播音了.
這個就是大家最常接觸的部份.

數位資料因為不是連續的, 而電流, 空氣的振動都是連續變化的,
於是我們需要一個 DAC (Digital to Analog Converter),
把原來的數位訊號轉回連續的類比訊號,
而 DAC 的好壞, 就大大的影響了還原後的波形.
最差勁的 DAC, 就是只把每個點之間的電流值, 用線性變化帶過去,
也就是產生出來的波形, 是呈折線狀.
而較好的 DAC, 是會經過一些演算法(各家有各家不同的演算法),
讓產生出來的波形圓潤且完美的通過這些點,
但問題來了...越好的演算法頂多就只是越接近原始的電流波形,
永遠都沒辦法完全等同於原始波形.

類比資料呢? 因為本來就已經是連續的了,
所以不太需要經過什麼處理, 直接讀出波形來就可以.

不管由數位訊號轉回類比, 或是本身已經是類比訊號,
再把這類比訊號經過擴大機, 再經過喇叭...最後讓單體的振膜振動,
於是還原回了聲音.
此階段也全都是類比的事.
(D 類或 T 類擴大機在這個階段也是有將類比轉 PWM 訊號, 再轉回類比的處理過程,
只是這過程算不算是做數位化處理, 恐怕不太好定義.)

也就是說所謂的數位流在整個音響系統中,
其實做的只有"記錄"這件事而已(當然要不要做額外的訊號處理先不談),
也就是從麥克風記錄到儲存媒體上,
以及從儲存媒體讀出來,
在記錄之前全是類比訊號在走,
讀出來後也是還原回類比訊號再播放,
也就是在儲存資料之外的部份, 全都是類比訊號的事情

而這幾十年數位科技在音響系統上的進步,
只是在更小的體積上有更大的容量,
讀寫速度更快, 取樣和解析度更高(意思就只是更逼近原始類比資料),
然後 DAC 的處理速度更快, 演算法更好(意思還是更逼近原始類比資料),
或是比如要增強高音, 加重低音, 或是濾波等等.
而且也便於儲存/攜帶/複製.
但要是要對類比訊號做一樣的處理,
以電路上來說可是複雜得多.
(當然是指做到一定的水準以上, 而不是隨便做做.)
而在音質上, 其實沒什麼提升.
(除非指的是新的數位流去比舊的數位流,
而不是數位流去和類比作比較)

所以如果要做個結論,
整套音響系統的好聽與否, 絕大部份的比例是取決於這些類比電路設計的好壞.
數位流所負責的, 不過就是儲存資料而已.
只是現代人接觸的電子電路...大多是偏重於數位電路了,
因為現代就是個數位化的時代吧, 簡單, 方便.
類比電路可是難得多的東西啊...