Cirrus Logic英國音頻產品營銷事業部產品線經理 Nigel Burgess
隨著諸多技術突破和新的流媒體音樂服務的不斷融合將Pro Audio高保真（Hi-Fi）功能帶入移動設備，未來對于智能手機、平板電腦和其他移動設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備，尤其是智能手機的下一件大事。
事實上，在優化移動設備的聲音質量方面發生了許多變化。Hi-Fi音頻功能可以減少噪音、失真或其他數字干擾的影響，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。而驅動程序和增強功能則將為移動音質帶來“黑膠唱片般的質感”，卻不會消耗太多電量。
這股風潮來自哪里？
第一個指向Hi-Fi音響的指標，是流媒體音樂訂閱的增加。據MIDiA全球流媒體音樂用戶研究協會（MIDiA Research Streaming Music Subscribers）2016年12月的報告顯示，流媒體音樂用戶數量從2014年到2016年翻了一番，從4,100萬用戶增加到1億，預計到2020年將達到2.77億。另外， 《BuzzAngle 2016美國音樂產業報告》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數據顯示，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正在主導整個市場。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，那么預計市場將大幅增長。根據SAR Insight＆Consulting1預測，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％。
在早期用戶的引領下，這些服務將喚醒用戶在目前的智能手機設備上根本無法體驗到的完全不同的音樂體驗。但為什么目前的智能手機或其他移動設備的音質這么差？這與移動產品的物理限制有關：尺寸、重量和電池壽命。目前，各種技術限制交織在一起，阻礙了高性價比的Hi-Fi音頻在便攜式設備上的應用，但是這種情況正在發生轉變。
將專業音頻帶入移動設備
“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。在更技術的層面上，Hi-Fi音頻是指允許“無損”聲音傳輸的比特率。為了壓縮音樂，系統會忽略掉它認為人耳聽不到的聲音，以節省存儲空間。然而，這種“有損”壓縮，即MP3，卻確實降低了音頻質量，因為人耳實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音頻傳輸到移動設備時，還會帶來其他的挑戰。過去，移動設備的存儲量不夠。只是到了現在，智能手機才有了足夠的存儲空間來跟上更高分辨率的音頻。事實上，移動產品的存儲容量在過去幾年中呈指數級增長，因此存儲大量無損音頻文件（如免費無損音頻編解碼器（FLAC））文件）已經不成問題。這意味著用戶不必在音頻質量上妥協，就能夠在手機上存儲多張專輯。此外，許多在線音樂存儲公司現在允許用戶下載，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上。
音頻芯片設計人員也在不斷開發，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或可穿戴式設備的物理因素要求。其他技術性的音頻設計元素被用于優化壓縮音樂和流媒體播放。
指標不代表一切
消費者可能對特定的規格參數比較關注，規格確實能給產品重現高質量音頻的能力提供很好的參考。然而，高質量的音頻卻不僅僅只是規格。除了達到某些數據等級，如16位/96kHz甚至更高，在重現清澈的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量產生巨大影響。
“無抖動”音頻
比如，抖動會破壞再現的音頻質量。所有時鐘信號都受抖動的影響。在典型的系統中，如果抖動總量低于-105dBFS，抖動的聲音聽不到。在音頻系統中一開始就要考慮到時鐘性能，實質上它必須是音頻系統DNA的一部分。這包括提供準確的參考時鐘或圍繞專用的精確鎖頻環（FLL）設計IC以補償不準確的參考時鐘。通過鎖定外部基準和提供原始參考時鐘的低抖動替代，片上FLL為內部的數模轉換器（DAC）和放大器提供了低抖動的時鐘基準。
先進的Hi-Fi濾波器
先進的Hi-Fi濾波器最初是為了高性能DAC而設計的，應用于許多高端專業的音響系統中，現在也被應用在便攜式應用的智能編解碼器中。這意味著，智能手機、平板電腦和其他產品現在也能享受自然的聲音了。
精心設計的Hi-Fi濾波器可最大限度地減少數字信號處理的影響。下圖是高級512單位元DAC架構的圖形表示，它順序濾除噪聲，以幫助消除數字世界的影響，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，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，因為在開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？
前鈴振是在數字處理的過程中人為制造的，導致人們在真實的聲音出現之前聽到一些聲音。這意味著聲音并不像它應該有的那樣清晰?，F實世界中不存在能夠發出前鈴振的聲音，人耳對前鈴振聲也非常敏感。如果濾波器在數字模擬轉換的過程中沒有正確運作，再現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先的主要音頻信號（比如打鼓聲）。后鈴振指聲音產生后的現實世界中確實存在的聲音，比如鼓被擊打后的振動。但是，前振鈴聲波是數字處理過程中音頻濾波器操作失敗所導致的結果。如右圖所示，先進的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，呈現高質量的聲音效果。
圖3 Cirrus Logic CS 43130 DAC中先進的Hi-Fi濾波器消除前鈴振示例
高動態范圍對于減少失真至關重要
對于無失真自然聲數字音頻來說，動態范圍是音頻工程中另一個非常重要的因素。人耳的動態范圍很廣，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范圍。
為使最大信號范圍被正確再現，高性能DAC的高動態范圍非常關鍵。如果DAC的動態范圍很低，特別是在低于96dB的情況下，增大音量時，用戶會聽到數字本底噪聲。一個典型的16位MP3文件的動態范圍是96dB。在當今先進的Hi-Fi音頻格式中，24位FLAC的動態范圍是144dB，32位音頻的動態范圍也相應更廣。（FLAC是類似于MP3的一種音頻格式，不同的是，FLAC是無損的，意味著它即使被壓縮音質也不受損。）通過提供高達130dB的動態范圍，在所有的放大器增益設置中，最小和最大的數字信號能夠在不受底噪聲影響的情況下被傳遞。
夢想即將成為現實
在移動設備上聆聽數字音樂在全世界范圍內日益流行，在便攜設備中運用上述音頻技術可謂正逢其時。最近尼爾森發布的《2016中國音樂360報告》充分地證明了這一點。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19小時；66%的音樂收聽者（69%的千禧一代）通過智能手機聽音樂。作為一個超過10億人口的國家，中國一個國家的情況就預示了智能手機音頻領域巨大的增長潛力，智能手機制造商對這一趨勢也密切關注。流媒體音樂服務的涌現和訂閱者的增長、Hi-Fi音頻的流行，進一步推動了對移動設備Hi-Fi音頻的需求。當芯片技術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，音頻器件的設計師則打開了研發新技術以提升用戶聆聽體驗的大門。這就是為什么Hi-Fi音頻能夠繼智能手機、平板電腦和可穿戴設備之后成為下一個市場焦點。將高質量的專業音頻帶到移動設備中去，這并不遙遠，在此時此地即將實現。