PC-HIFI的實(shí)現(xiàn)途徑研究

張 玉 華

(濰坊工程職業(yè)學(xué)院，山東 青州　262500)

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PC-HIFI的實(shí)現(xiàn)途徑研究

張 玉 華

(濰坊工程職業(yè)學(xué)院，山東 青州262500)

摘要：從闡述經(jīng)典HIFI音響系統(tǒng)存在的問題入手，探討PC-HIFI即“個人電腦高保真音響”系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢、特點(diǎn)及發(fā)展前景，指出PC-HIFI必將成為音樂欣賞設(shè)備的主流。

關(guān)鍵詞：PC-HIFI；XMOS；高保真；音頻；無損

PC-HIFI是Personal Computer High Fidelity的縮寫，直譯為“個人電腦高保真”。“個人電腦高保真音響系統(tǒng)”，俗稱“電腦音響發(fā)燒”，是指包含家用電腦的一系列高品質(zhì)音響設(shè)備系統(tǒng)的總稱，其功能通過電腦在內(nèi)的器材對原記錄的音樂信號進(jìn)行解析、修飾和處理，使原音源音場信息在時域和空域能逼真再現(xiàn)。

一、經(jīng)典HIFI的發(fā)展現(xiàn)狀

1972年，荷蘭Philips公司首次研發(fā)成功“激光視盤”，被稱為“Video Long Play”(VLP)；之后的十幾年，競爭激烈的電子音頻行業(yè)爭相研究新技術(shù)，多家公司相繼開發(fā)了更先進(jìn)的CD播放器，使其性能和尺寸不斷滿足家用HIFI設(shè)備的要求。1982年，日本Sony公司發(fā)布了世界上第一臺CD光盤播放器CDP-101，以后多家公司陸續(xù)開發(fā)了靜止視頻圖像(CD+G)、模擬視頻/數(shù)字音頻混合(CD Video)、純數(shù)字視頻(Video CD)、互動元素(CD-i)、照片存儲(Photo CD)等音視頻設(shè)備。1984年，為了商業(yè)需要，Philips和Sony兩公司協(xié)議制定了一種通用標(biāo)準(zhǔn)(即Red Book紅皮書)，隨后CD-ROM(Compact Disc Read-Only Memory的縮寫，即只讀光盤驅(qū)動器)設(shè)備被廣泛應(yīng)用于電腦數(shù)字存儲中。

單從音源發(fā)展來說，經(jīng)典HIFI經(jīng)歷了模擬唱片、磁帶、激光唱盤等過程，而真正的高品質(zhì)數(shù)字音頻HIFI的實(shí)現(xiàn)，一般公認(rèn)為在CD(compact disc 激光

唱片)出現(xiàn)以后。CD播放機(jī)主要由轉(zhuǎn)盤和解碼器組成，電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動CD盤片做勻速轉(zhuǎn)動，再通過激光光頭識讀光盤反射的數(shù)字信號，解碼器再把數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，由功放器把放大后的模擬信號提供給音箱發(fā)聲。CD唱片作為音源播放的過程，如圖1所示。

圖1CD唱片播放流程

二、經(jīng)典HIFI的特點(diǎn)

由于CD記錄的是數(shù)字信號，讀取數(shù)據(jù)的播放也是數(shù)字播放，原則上是無失真、無噪聲干擾，其音質(zhì)還原能力要比原先的唱片和磁帶模擬播放能力更強(qiáng)、背景更黑，其輸出音質(zhì)也要比其他播放要強(qiáng)很多，但是人們發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些缺點(diǎn)。

1.CD采樣頻率和量化精度影響播放質(zhì)量

根據(jù)乃奎斯特取樣定理，在模擬訊號數(shù)字化的過程中，如果取樣頻率大于模擬訊號最高頻率2倍，就能精確還原出原始的模擬訊息。音頻的最高頻率約為20kHz，所以取樣率應(yīng)至少大于40kHz，為留一點(diǎn)安全系數(shù)，索尼和菲利普公司工程師在制定標(biāo)準(zhǔn)時，CD取樣標(biāo)準(zhǔn)最終選擇了44.1kHz，為了獲得盡量高的信噪比，最終將量化精度定位在16bit。但是，隨著人們對音質(zhì)要求的提高和微電子技術(shù)的進(jìn)步，每秒44.1kHz的采樣頻率還是太少，導(dǎo)致音樂細(xì)節(jié)丟失多,播放的數(shù)碼味較重。因此，人們希望通過提高采樣率和高比特率來改善音質(zhì)，陸續(xù)研發(fā)了HDCD、XRCD、SACD等記錄器材，使音質(zhì)有所提升，但由于存儲數(shù)據(jù)容量過大、CD轉(zhuǎn)軌壓縮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)較低以及過高的價格等因素制約，至今仍未得到普及。

2.CD播放時盤片很難做到恒速運(yùn)轉(zhuǎn)

播放音樂時，光頭讀取到的數(shù)據(jù)會實(shí)時被解碼轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出，受CD形狀、材料、厚度不均的影響，盤片轉(zhuǎn)速很難穩(wěn)定。在這個過程中，如CD盤片轉(zhuǎn)速稍有不均勻，音質(zhì)就會產(chǎn)生一定的失真，特別是一些自行翻錄的CD，音質(zhì)會更差。

3.CD載體易磨損

CD唱片是塑料片制成，每播放一次就會磨損一次，播放的次數(shù)越多就磨損得越厲害。隨著CD碟的磨損老化，以及CD機(jī)激光光頭的老化，會使讀取誤碼率大大提升，音質(zhì)也越來越差。那么，有沒有比CD更好的HIFI方式呢？

三、PC-HIFI的特點(diǎn)

PC-HIFI是將電腦作為數(shù)字音頻信號處理器，然后再連接解碼器等音響設(shè)備。因此，PCHIFI與經(jīng)典HIFI只是音源和讀取方式的差別，后續(xù)設(shè)備并無多大差別。眾所周知，由于電腦具有完備而成熟穩(wěn)定的操作系統(tǒng)，以及各種功能強(qiáng)大的應(yīng)用軟件，如Foobar2000、Jriver Media Center 、PowerAMP Music Player等音頻數(shù)據(jù)信息解析處理能力是其他設(shè)備無法比擬的，因此，電腦播放比其他任何播放器播放都具有巨大的優(yōu)勢。

圖2　電腦播放方案

在PC-HIFI播放中，除音源外，解碼顯得尤為重要，解碼器直接反映PC-HIFI的素質(zhì)，一套系統(tǒng)想要得到更好的品質(zhì)，必須要有一個優(yōu)秀的解碼器作為支持。在上圖方案中，可以選擇由電腦聲卡數(shù)字信號輸出，解碼后再連接同軸，AES或者光纖接口輸出至音箱。然而，實(shí)踐證明，電腦聲卡在播放中仍然品質(zhì)不高，這是由于供電噪聲、主板干擾、時基誤差等原因造成的。為解決Jitter等問題以及力求全面降低機(jī)箱內(nèi)的各種干擾，可以利用獨(dú)立晶振，選擇通過數(shù)字界面將數(shù)字信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換來提升音質(zhì)，實(shí)施USB異步傳輸，例如通過XMOS芯片方案實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量接口轉(zhuǎn)換，可同時采取“提高時鐘精度”、“做好屏蔽供電”、“控制相位噪聲”等措施。由此看出，PC-HIFI是電腦實(shí)現(xiàn)數(shù)字播放的過程，該播放過程包含：文件服務(wù)器或者媒體服務(wù)器+硬盤+負(fù)責(zé)播放的CPU(通常同時做文件服務(wù)器)+數(shù)字信號輸出+DAC+音箱設(shè)備。而結(jié)合互聯(lián)互通技術(shù)，如果我們將DLNA媒體播放(以太網(wǎng)或WIFI)技術(shù)集成在DAC中，同時增加USB隔離線路，就能實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的PC-HIFI播放。

與經(jīng)典HIFI比較，電腦的應(yīng)用使以前遇到的一些困難迎刃而解，顯然PC-HIFI具備許多優(yōu)勢。

1.與經(jīng)典HIFI相比更能呈現(xiàn)原始音樂的表現(xiàn)效果

現(xiàn)在的中高檔聲卡本身就是給音樂制作設(shè)計的，其共同點(diǎn)就是音染少，解析度高，更能把音樂作品的真實(shí)面目表現(xiàn)出來。雖然不否定各種CD機(jī)、功放甚至高價線材(或許)加上的音染，更討好個別人的耳朵，但起碼對于原始文件來說，這些形式的播放離HIFI的概念更遠(yuǎn)了。

2.解決信號傳輸緩慢和卡斷問題

在Win平臺下，通過播放軟件設(shè)置，先建立一個緩沖區(qū)，讀取(或傳輸)一部分?jǐn)?shù)據(jù)信號將其轉(zhuǎn)換后播放，在播放的同時再讀取另一部分轉(zhuǎn)換(傳輸)……這就避免了實(shí)時播放中出現(xiàn)的卡斷和不穩(wěn)定現(xiàn)象。在這一點(diǎn)上，電腦相對于傳統(tǒng)CD機(jī)是有天然優(yōu)勢的。

3.能播放多格式和更高規(guī)格的音頻文件

以PC作為播放設(shè)備的播放器，可以隨意播放WAV、APE、FLAC等格式的無損音樂文件而不受固件的限制，因為電腦系統(tǒng)和軟件都很容易隨時升級，其他的播放器則很難實(shí)現(xiàn)電腦的這些功能。當(dāng)今的音樂作品在制作時就是以高比特高采樣的方式完成的，PC-HIFI可以直接播放這個母帶文件，而CD必須要先壓縮、刻碟才能播放，哪個更保真顯而易見。

4.PC-HIFI對音頻文件的管理及播放更便捷

PC-HIFI播放時，選曲十分方便，而且存儲、管理、分類操作都十分容易。同時，播放軟件也變得越來越強(qiáng)大，其他系統(tǒng)如LINUX的硬件要求也不高，但播放軟件素質(zhì)及易用性(尤其多播放列表前提下)和Win下面的Foobar有一些距離，在目前Win平板大幅降價的情況之下，LINUX平臺的價格優(yōu)勢就沒有了,相比之下播放軟件還是Win下的Foobar更出色。目前，F(xiàn)oobar官網(wǎng)已經(jīng)發(fā)布公告在開發(fā)Android和IOS版，估計明年能看到移動版的Foobar。

四、PC-HIFI的實(shí)現(xiàn)途徑研究

結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，最新的PC-HIFI方案可作如下嘗試。

音源要選擇無損格式數(shù)字音源，可存儲在電腦硬盤上或NAS(Network Access Server，縮寫為NAS)上，播放設(shè)備可以由電腦(臺式、筆記本、平板)、智能手機(jī)等多種設(shè)備選擇來完成，播放軟件可選擇Foobar2000等，信號傳輸可以是有線傳輸也可以是無線傳輸。方案如圖3所示。

舉例來說，不足千元的平板電腦通過OTG連接大容量硬盤，或者通過DLNA技術(shù)、有線路由器、WIFI等推送音樂到包含內(nèi)置FIFO技術(shù)的解碼器，再由功放和音箱出聲，就目前市場價格，不足萬元的設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)90%的人可接受的PC-HIFI播放。

圖3　PC-HIFI實(shí)現(xiàn)途徑

結(jié)論

綜上所述，只要我們處理好電腦的“數(shù)碼音源”、“內(nèi)部信號干擾”和“數(shù)據(jù)傳輸損失”等問題，就能順利實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)家庭PC-HIFI。

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(責(zé)任編輯：陳紹志)

Study on the Realization of PC-HIFI

ZHANG Yu-hua

(Weifang Engineering Vocational College, Qingzhou Shandong262500)

Abstract:Discussing the problems of classic HIFI sound system, this paper explores the advantages, characteristics and development prospects and points out that PC-HIFI will become the mainstream in the field of music appreciation equipment.

Key words:PC-HIFI; XMOS; high fidelity; audio; lossless

作者簡介：張玉華(1965-)，男，山東壽光人，濰坊工程職業(yè)學(xué)院考核辦公室主任、汽車系主任，教授，理學(xué)碩士。

收稿日期：2014-12-01

中圖分類號：TN2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-2080(2015)01-0088-03

doi：10.3969/j.issn.1009-2080.2015.01.021