[转帖]SACD来龙溯源

whadmin

　　在读者决定看好DVD-Audio与SACD之前，解一下各种技术的原理应该是不错的。
　　SACD技术根植于所谓的PWM理论，Pulse Width Modulation， 脉冲宽度调变，听起来很伟大，但确实却是非常直觉的观念。
　　什么是脉冲调变？我们可以从调光器的原理说起。当我们打算调整110V灯泡的"亮度"时，至少有两种方法：
　　改变电压：将110V降低一点，譬如降成80V、60V，这样灯光的亮度就不一样的。灯光亮度为什么会因"电压高低"不同？很简单，因为电压高、灯泡功率大，电压低、灯泡功率小，电压造成功率的改变，如此而已。 　　改变"导通时间"：还有一个方法，如下图所示。如果我们断断续续的供应电压，譬如有时候110，有时候0V，灯泡功率也是会获得控制的，但读者会想到几个疑问：

　　灯泡会不会忽亮忽暗啊？当然会。所以，我们必须让这个脉冲断续周期密集一点，当灯泡有点暗、却还没熄灭之时，马上又上电，又太亮了？断电。就在ON/OFF之间控制灯泡的功率。
　　比起调整电压，控制导通时间好麻烦！是有点麻烦，但是好处在于"省电"。控制导通时间，只是单纯的ON/OFF，改变电压却经常得"损失"电压、损失"功率"。从110V降到 60V，如果用电阻分压，那多的60V全到了电阻上，电阻承受功率还得很强才行。
　　当然，调节电压还有其他很有效率的作法，暂时不谈。 这种ON/OFF控制灯泡亮度、功率的作法，其实就是"脉冲宽度调变"。参考我们画出的图形，电压导通的"宽度"是不是一直在变？那些高高低低的讯号就是"脉冲"，横轴的时间就是"宽度"，因为脉冲宽度一直在变，用某种方式在变，所以就是"脉冲宽度调变"，PWM是也。
　　PWM其实用在很多控制上，譬如灯泡亮度、功率，或者，当我们把灯泡换成电热丝，就成了温度控制（可以拿来烘鸡蛋、孵小鸡）。模拟一下：先对电热丝加热，太热了？关掉，于是温度下降，太冷了？再把电加上去，在开开关关之间，达成温度控制的目的。
　　冷气温度的控制也相同。压缩机开启时，温度持续下降，等到降到超过特定温度时，? 设定25度，则压缩机关闭。此时温度上升，超过25时，压缩机再度开启。同样的，在ON/OFF之间，达到温度控制的效果。（还有一种变频控制，比较贵、更有效率，以后再谈）
　 　结论
　　当我们可以利用脉冲宽度来调整亮度、温度等人类感官可以"感受"的类比因素时，是不是可以应用在音响上，拿来再生重播呢？（波形不也是强弱、疏密的改变吗？） 答案是肯定的，
　　在上提到，当我们以PWM技术控制灯泡、温度时，这些脉冲必须密集一点，否则非得灯泡暗了才开，温度热翻天了关，那还搞什么控温、控光？ 当然，除了脉冲密集一点，还有一招，就是"受控物"，譬如灯泡、电热丝"钝"一点。拿烙铁做例子，电烙铁绝对不会因为立刻拔下插头而冷却，这就是反应"钝一点"，在拔拔插插之间，就能达到控温效果。
　　请大家记得"钝一点"的观念，继续以下的讨论。
纵波与横波
　　这是初中物理上的分类方式。拿一个绳子上下摆动，这是横波，就好像我们看到的正弦波那样，上下动，这是横波。
　　纵波，又称为疏密波，弹簧的振动就是疏密波，空气的压缩也是疏密波。当喇叭振膜推动空气之后，会对空气发挥压缩的效果，压缩的快慢、强弱将对空气发生对等的影响。用力压时，空气密度高一点；轻轻的压，空气密度差一点，如果不压反拉（喇叭也是会回头拉的），空气密度更疏松。
　　人耳的听觉来自于空气对于"耳膜"的压力。读者应该发现到了，喇叭用力压，透过空气，也对耳膜施压，耳膜振动，我们听到声音，如此而已。 于是我们发现，原来人耳的动作、声音的传递，也是很"PWM"的，PWM无所不在、PWM也很"类比"。
让我们来想想以下的"如果"：
　　如果我们能让来自CD唱盘的讯号变成宽宽窄窄的脉冲，然后让耳朵钝一点......钝一点？就是听起来不要忽大忽小的，大小之间平滑的"　接起来"，那不就是"再生重播"？
　　我们面对几个问题：
　　耳朵虽钝，但其实还不钝得离谱。但庆幸的是，喇叭钝，喇叭不够钝，还有其他技巧可用，就是"低通滤波器"。 装过DAC的朋友都知道，因为DAC跑出来的波形跟锯齿一样，可以用低通滤波器来"平滑化"。就频域来看，这等于衰减高次谐波，让声音不刺耳。
　　CD唱盘的输出很小，即使让它变成宽宽窄窄的脉冲，还是小，小得推不动喇叭。所以，我们的构想是，让小脉冲负责开闭开关，然后切换一个很大的电压，让这个很大的电压也是宽宽窄窄的，然后有足够电流去推动喇叭。
　　这是怎样的结构呢？
　　 我们现在即将讨论的，其实就是一个PWM放大器，也就是Class D放大器。 请看下图。首先，我们要想办法把CD唱盘的输出讯号弄成宽宽窄窄的脉冲讯号。理论上不算太难，只要让原始波形与锯齿波去比较就行。不过这个过程不容易理解， 没关系，先跳过去。

　　想把我们的构想与目的描述一次。
　　目的：要把小小的脉冲扩大，譬如原本5V的脉冲高度扩 张成50V，然后去推喇叭。
　　构想： 用小小的脉冲去推动一个开关，开关左右是一个 50V高压。正常状况下，左侧的50V是到不了右侧输出端的，不过当脉冲为"高电位"时，开关导通，此时右侧 电压升为50V；当脉冲为"低电位"时，开关关闭，右侧电压立刻垮了下来。
　　实现方式： 找一个可以当成开关的元件，这个开关受控于另一个小脉冲。对了，"继电器"可以当成开关，可惜机械动作速度太慢，就算速度够快，一秒钟切个几百次，不坏掉才怪！切记、切记，要让最后的输出平滑，不是开关切换够密集，就是耳朵够钝，还记得我们前两集提到的吗？ 所以，我们非选择电子开关不可，一般来说，最好用的电子开关莫过于MOSFET，速度够快，而且寿命也长。
　　如下图所示，小脉冲推MOSFET，然后MOSFET的切换造成右侧输出电压的高低不同，您瞧，脉冲是不是被扩大了 呢？抛开恼人的数学式，请读者跟著我一同想像。如果，我是说如果，我们把输出接到喇叭上（当然啦，还有一些必备手续被我省略了），应该是忽然很大声、忽然没声音。对，我们应该让脉冲密集一点，让"很大声"还没掉到"很小声"之前，还有中间、中高、中低、中高高 、中低低......越密越好。
　　从上述得知: 开关必须切得很快才行。您得找一个很快、很快的MOSFET。那个将CD输出变成脉冲的过程要注意，必须成为"密集的脉冲"。在不太严格的情况下，我们姑且将此"密集"定义为"调变频率"，调变频率高，可以让脉冲更为密集。找个电路，譬如低通滤波器，让"后面"，就是喇叭、人耳都"钝一点"。
　　一定有读者好奇，PWM扩大机的好处在哪里？跟SACD有何关连？
　　 有个图很难画，请读者跟我一起想像： 当宽宽窄窄的脉冲波经过低通滤波器、输入喇叭之后，虽然可以用示波器观测到"正常的波形模样"，但一定会一齿、一齿的...... 就目前的技术来说，调变频率可以处理得很高、很快，调变频率的速度越高，这个"一齿、一齿"的现象越不明显，当然，音质越好。PWM或者Class D放大器的限制就在这里，要频宽大，调变频率就要高，譬如直上500KHz（早期 SONY全频宽PWM放大器就是如此）。
　　将调变频率拉高是不容易的，除了要半导体元件的配合外，频率一高又成了干扰源，会放射出去干扰人！我们可以 发现Harris的CoolAudio系列有不少高功率Class D放大器 驱动IC，但多数仅能动作于500Hz之下，就是受限于调变频率。
　　讨论至此，相信所有读者，包括初学的朋友在内，都可以帮我解答一个问题： 为什么Class D放大器的调变频率会影响到杂讯的多寡？因为调变频率非常高时，"一齿、一齿"的杂讯比较不容易见到，调变频率很低、很低时，这个"一齿、一齿"就明 显了。像布袋戏中的"二齿"。 最后一个问题是，放大就放大，何必大费周章，又切又换的，弄出什么开关、什么脉冲，难道是骗钱？（厂商骗钱，我骗稿费，嘿嘿）
还是调音？
　　 错错错！这是因为MOSFET只是当成开关来用，耗电很少，换句话说MOSFET几乎不吃电的，它只是一个快速ON/OFF开关，不像什么AB类、A类扩大机，功率晶体要通过偏流（谁说过，越热越好，但越热越费电、越费电越花钱，得花钱盖核能电厂，然后动员一堆人抗议、静坐......） 找此逻辑推断，为了追求政治的安定，我们必须使用PWM扩 大机。 结论：在传统扩大机中，晶体是拿来放大的，但是在PWM扩大机中，晶体是拿来当开关的。
　　上次谈到社会运动与PWM的关系后，这次谈谈PWM与SACD的爱恨情仇。
　　参考下图，这就是直接把数位输出转化为PWM输出的作法。
　 大家知道，数位输出就是高低电位的变化，如果我们控制高低电位变化的时间，那不就是等于控制脉冲的宽度？

　　　真够简单的！只要让"1"久一点，脉冲就长一点，让"1" 短一点，脉冲就短一点。如果图上的"t"越小，就代表数位输出端所能呈现脉冲宽度变化更为细腻。
　　 更为细腻？这就像我们前几集说的，"调变频率"高一点。 摆在CPU或数位系统上，这意味速度快一点，让我们可以用更快的速度缩短输出时间间隔，呈现最细致的变化。
　　 想想极端的例子。如果CPU的输出仅能做到每秒切换一次高 低（t=1秒），或者每秒切换100,000次，那个厉害？哪个一齿、一齿"少？当然是后者。
　　 如果，每秒切换速度在2,000,000次以上，大概只要用一个很简单的低通滤波器就可以没什么"一齿、一齿"，平平滑滑的了。
　　这就是SACD。当音乐储存在软体上时，呈现的型态就几乎是 很PWM的，用一对0与1来表示脉冲宽度的关系（当然还是用上许多编码技术啦），然后利用一些机制把这些0与1捉出来，很直觉的变成长短脉冲，接著送入低通滤波器。整个PWM的过程就是DAC，一个简单的DAC。 SONY/Philips强调的是，如果有一天软体储存技术更高了， 运算技术也更强悍，几乎不必动到DAC，我猜，SONY指的是那个低通滤波器，因为我们只是把更密集的脉冲送入低通滤波器、换取更佳的音质。
　　 看了那么多，本次SACD的故事到此结束，希望读者已藉此学到：
　　1.PWM的概念。
　　2.Class D/PWM放大器是什么东东。
　　3.SACD的基本原理。
　　 本文只是介绍SACD，顺便介绍一堆有的没有的概念，有助音响概念与电路技术的理解。我没有骗稿费哟！

来源：天极网