高保真還原 手機(jī)Hi-Fi芯片是噱頭還是干貨

Hi-Fi和聲學(xué)

　　Hi-Fi和家庭影音系統(tǒng)其實(shí)并不是指同一樣事情，相反，他們是相對(duì)的，Hi-Fi全稱是High-Fidelity，意思為“高保真”，根據(jù)百度百科的定義，Hi-Fi是指與原來的聲音高度相似的重放聲音。而家庭影音系統(tǒng)的組成，根據(jù)百度百科的定義，包括：影碟機(jī)、調(diào)諧機(jī)、電唱機(jī)、均衡器、效果器、卡拉OK機(jī)、調(diào)音臺(tái)、功放前級(jí)和功放。從定義來看，Hi-Fi和家庭影音系統(tǒng)存在著明顯的區(qū)別，前者講求“高保真”，需要準(zhǔn)確還原每一件樂器的聲音和位置。而家庭影音系統(tǒng)則講求震撼和排山倒海的視聽效果，只要能夠感受到炮火在不同方位爆炸，直升飛機(jī)在你頭頂盤旋，仿佛身臨其境即可，必要時(shí)還能夠加入音效進(jìn)行修飾?；蛘呤褂靡粜Чぞ邔⒙曇舻囊粽{(diào)、頻率、振幅等指標(biāo)調(diào)得面目全非，和Hi-Fi追求的“準(zhǔn)確”有很大區(qū)別。

　　搞清楚了兩者區(qū)別，今天我們的定調(diào)也就清晰了，本文介紹的是Hi-Fi芯片和Hi-Fi系統(tǒng)，而不是家庭影院系統(tǒng)，所以在下文主要還是講述Hi-Fi芯片如何讓智能手機(jī)的Hi-Fi系統(tǒng)變得更加“高保真”。

　　每一塊Hi-Fi芯片加入Hi-Fi系統(tǒng)中每一個(gè)環(huán)節(jié)，其實(shí)都有其自身的作用，不過要了解這些Hi-Fi芯片的作用，我們必須先了解一下聲音的傳播原理和Hi-Fi系統(tǒng)的各個(gè)組成部分。

　　先回顧一下物理課知識(shí)，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的區(qū)別：根據(jù)百度百科的定義，模擬信號(hào)是指連續(xù)變化的物理量所表達(dá)的信息，如溫度、濕度、壓力、長(zhǎng)度、電流、電壓等，模擬信號(hào)在一定時(shí)間內(nèi)有無限個(gè)不同的取值，表現(xiàn)在圖表上一般就是連續(xù)而平滑的曲線。

　　相應(yīng)地，數(shù)字信號(hào)是離散的、不連續(xù)的信號(hào)，舉個(gè)最簡(jiǎn)單例子，由于數(shù)字信號(hào)只有兩種狀態(tài)，1和0，以電壓為例，我們假設(shè)“1”是高電平，“0”是低電平，同時(shí)以5V為分界線，高于5V為高電平，低于或者等于5V為低電平，這個(gè)時(shí)候就可以用兩種狀態(tài)去描述不斷變化的電壓。聰明的伙伴應(yīng)該意識(shí)到，數(shù)字信號(hào)并不是記錄連續(xù)變化的物理量，而是在一定時(shí)間間隔，通過采樣來記錄相關(guān)物理量，所以最終在圖表上顯示的圖案并不是一段曲線，而是棱角分明的類似柱形圖的形狀。注意，電壓這種物理量既能夠用模擬信號(hào)表示，也能夠用數(shù)字信號(hào)表示。

　　聲音的傳播過程，簡(jiǎn)而言之就是將聲波變成電信號(hào)，將電信號(hào)從模擬信號(hào)（經(jīng)過采樣、量化和編碼）轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再放在信道（可以看作是聲音的傳播通道，類比汽車行駛的高速公路）進(jìn)行傳播，抵達(dá)接收端的時(shí)候，再將數(shù)字信號(hào)還原為模擬信號(hào)，最終將電信號(hào)還原為聲波。為什么不直接用模擬信號(hào)進(jìn)行傳播呢？很簡(jiǎn)單，還是電壓這個(gè)例子，3.5V和4V對(duì)于模擬信號(hào)來說區(qū)別很大，如果直接用模擬信號(hào)傳播的話，在復(fù)雜多變的信道環(huán)境中很容易受到干擾，讓3.5V電壓值畸變成4V，數(shù)據(jù)無效，需要重傳數(shù)據(jù)。

　　將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)再進(jìn)行傳播的話，即使遇到干擾和噪聲，讓3.5V電壓值變成了4V，根據(jù)上文提及的數(shù)字信號(hào)的特征，我們假定了在5V以下，3.5V和4V都屬于低電平，也就是“0”這種狀態(tài)，所以數(shù)字信號(hào)在信道傳輸過程中，即使被干擾也只會(huì)出現(xiàn)“0”這種信號(hào)，最終抵達(dá)接收端的時(shí)候，通過解碼程序就能夠準(zhǔn)確無誤將“0”這種數(shù)字信號(hào)狀態(tài)還原成“3.5V”這個(gè)模擬信號(hào)物理量。請(qǐng)看下圖：

聲音的傳播過程

　　最左邊的紅色字體標(biāo)示了四個(gè)關(guān)鍵設(shè)備：輸入設(shè)備（麥克風(fēng)/錄音機(jī)）、前端（播放器/手機(jī)）、后端（耳放/運(yùn)放/功放）、輸出設(shè)備（耳機(jī)/音箱），這些也是聲音能否真實(shí)還原的關(guān)鍵，也就是“高保真”的關(guān)鍵。

　　接著我們?cè)倏瓷蠄D最右邊的區(qū)域，首先我們先聊聊錄音部分，一段聲音首先必須通過輸入設(shè)備的“高保真”記錄之后，才能夠在最終回放環(huán)節(jié)獲得原汁原味的重現(xiàn)。這也是聲音轉(zhuǎn)變成電信號(hào)之后，再由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)的重要環(huán)節(jié)，在手機(jī)Hi-Fi體系中我們用ADC這種芯片進(jìn)行把關(guān)，例如vivo Xshot中采用TI的TLV320ADC。而ADC芯片的作用，其實(shí)就是負(fù)責(zé)在模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的時(shí)候，盡量提高采樣率，同時(shí)減少壓縮率。

輸入設(shè)備

　　采樣率分為采樣速度和量化位數(shù)，不懂？192kHz/24bit有印象吧？這年頭不要說索尼、魅族和vivo，連小米、nubia、聯(lián)想等不是音樂播放器起家的廠商也在追求這項(xiàng)參數(shù)。192kHz指的是采樣速度，24bit指的是量化位數(shù)。由于采樣速度和量化位數(shù)的內(nèi)容牽扯到很多音頻知識(shí)，但是它們不是今天的主題，所以請(qǐng)各位讀者姑且記住，這對(duì)數(shù)值越大越好，也就是192kHz/24bit相比以前的44.1kHz/16bit（CD標(biāo)準(zhǔn)）采樣率要好。

　　提高采樣率的同時(shí)，我們需要減少壓縮率，也就是和MP3格式之類的高壓縮音頻文件說再見。還記得以前沒有出現(xiàn)192kHz/24bit的所謂“高保真”音頻文件的時(shí)候，我們買CD聽的時(shí)候也會(huì)覺得CD的音質(zhì)很好。而上文提過，CD標(biāo)準(zhǔn)的采樣率只是44.1kHz/16bit，為什么相比如今那么多所謂采用192kHz/24bit采樣率的音源文件（MP3格式），音質(zhì)上好上不少，這就是壓縮率的原因。

　　MP3、OGG格式的音頻文件經(jīng)過壓縮之后，把很多細(xì)節(jié)閹割掉，音質(zhì)差了不少。采用這種有損壓縮格式進(jìn)行存儲(chǔ)音樂文件的原因，主要還是因?yàn)椴捎昧烁卟蓸勇什蓸拥囊纛l文件體積龐大，不便于后期存儲(chǔ)和移植到其它地方分享、傳播。而CD標(biāo)準(zhǔn)的壓縮率普遍不高，所以即使采用率不高，但是依然能夠擁有很好的音質(zhì)。

　　像MP3、OGG這類依靠丟失細(xì)節(jié)和損害音質(zhì)，從而大幅度壓縮文件大小的音頻格式，我們稱為有損壓縮。另一種相對(duì)的壓縮方式就是無損壓縮。常見的無損壓縮格式有FLAC、WAV、DSD、APE，這幾種格式壓縮率不高，很好地還原了音頻文件的細(xì)節(jié)，缺點(diǎn)就是生成的文件體積比較大。

　　解釋了ADC職能，接下來我們看看前端。前端的作用就是把剛剛錄制好的聲音片段（已經(jīng)變成了數(shù)字信號(hào)），通過軟件和硬件結(jié)合調(diào)用的方式進(jìn)行解壓縮和解碼。既然有了將模擬信號(hào)編碼成數(shù)字信號(hào)，之后進(jìn)行了壓縮的步驟（錄音），根據(jù)對(duì)稱性，肯定有解壓縮，并且將數(shù)字信號(hào)還原成模擬信號(hào)的步驟（回放聲音）。

前端

　　關(guān)于解壓和解碼，以本文的重點(diǎn)——智能手機(jī)為例，回放音樂時(shí)候，我們首先打開音樂播放器，這時(shí)候音樂播放器就會(huì)有兩種選擇，要么調(diào)用專門的DSP芯片（例如Cirrus Logic的CS4398）對(duì)音頻文件進(jìn)行解壓縮和解碼（俗稱硬解），要么就推給萬能的CPU進(jìn)行處理（俗稱軟解）。CPU日常工作本身就很多，再扔給它處理音頻解壓和解碼無疑增加了CPU的運(yùn)算壓力，不要以為如今的CPU已經(jīng)擁有8核心，上了64位架構(gòu)運(yùn)算能力就很了不起，音頻文件需要處理的信息量也與日俱增，更別提有時(shí)候CPU還要兼顧處理4K視頻等龐大的信息量。所以為了減輕處理器的工作壓力，手機(jī)廠商在硬件層面上引入一些芯片分擔(dān)處理器運(yùn)算壓力，除了本文提及的DSP（DAC、ADC等），最常見的例子還有蘋果和華為如今大肆宣傳的協(xié)處理器。

　　言歸正傳，專職負(fù)責(zé)音頻解壓和解碼工作的DSP芯片，常見的有CS4398和ES9018K2M。當(dāng)然，在解壓音頻文件的過程中，手機(jī)廠商特別喜歡加入“音效混響”來優(yōu)化音質(zhì)的表現(xiàn)。加入不同的音效進(jìn)行優(yōu)化，都會(huì)讓最終的音頻文件在回放時(shí)候走向兩種不同的結(jié)果。結(jié)合百度百科的資料和小編的理解，業(yè)界喜歡將能夠提高“Hi-Fi”音質(zhì)的音效稱為“還原性音效”，而將能夠讓音質(zhì)變得更加符合用戶個(gè)人喜好的音效稱為“修飾性音效”。前者的調(diào)音結(jié)果很好理解，就是將解壓后的音頻文件盡量彌補(bǔ)、修復(fù)、還原，調(diào)整到和錄音時(shí)候無異，后者的調(diào)音結(jié)果則是千差萬別，極端情況下，還能夠讓一首充滿喜感的曲目變成哀樂，街邊商鋪經(jīng)常播放的那些disco版本的傷感歌曲其實(shí)可以通過修飾性音效獲得。

　　“還原性音效”的代表就是Dirac、Beats、BBE，“修飾性音效”的代表就是SRS。小編發(fā)現(xiàn)了一個(gè)規(guī)律，在手機(jī)上的SRS、調(diào)調(diào)、MaxxAudio中的MAXXEQ工具都提供了很多對(duì)音頻文件進(jìn)行調(diào)整的選項(xiàng)，人聲強(qiáng)化、弱化背景、搖滾音效、電子風(fēng)、爵士味等多種選項(xiàng)的組合就能夠?qū)⒁皇浊扛牡妹婺咳?。相反，所謂的BBE和Beats音效，在vivo和HTC的手機(jī)上只有區(qū)區(qū)一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)，讓用戶選擇是否開啟。大概這就是“還原性音效”和“修飾性音效”的區(qū)別吧，一個(gè)一切從簡(jiǎn)，另一個(gè)包羅萬象。

　　解壓完畢，接下來就進(jìn)入解碼階段，依然是CS4398等DAC芯片的職能，將離散型的脈沖電流（數(shù)字信號(hào)）變成喇叭能夠識(shí)別的交流電信號(hào)（模擬信號(hào)）。

　　注意，以下這部分內(nèi)容比較偏向?qū)W術(shù)性，所以不是太感興趣的讀者可以適當(dāng)跳過這部分的內(nèi)容。（對(duì)應(yīng)下圖的藍(lán)色字部分）

后端和輸出設(shè)備

　　DAC解碼之后，由數(shù)字信號(hào)（脈沖電流）還原得到的模擬信號(hào)（交流電），信號(hào)一般都比較弱，手機(jī)廠商為了讓這種交流電能夠更好地推動(dòng)耳機(jī)和喇叭工作，通常都會(huì)加入耳放/功放/運(yùn)放芯片，放大模擬信號(hào)，增加交流電的電流強(qiáng)度，推動(dòng)阻抗更高的耳機(jī)/喇叭，或者驅(qū)動(dòng)靈敏度更低的耳機(jī)/喇叭。這部分的職能由OPA2604等運(yùn)放/功放芯片和MAX97220等耳放芯片負(fù)責(zé)。

　　模擬信號(hào)經(jīng)過耳放/功放/運(yùn)放的放大后可以輸出到輸出設(shè)備（喇叭）上了。耳機(jī)和音箱的主要元件就是喇叭，所以接下來我們看看喇叭的工作原理，請(qǐng)看下圖：

喇叭構(gòu)造結(jié)構(gòu)

　　從上圖很好地看到整個(gè)音箱喇叭的構(gòu)造結(jié)構(gòu)，電信號(hào)主要就是通過直接或者間接驅(qū)動(dòng)磁體、盆架、紙盤三個(gè)部分，最終讓電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲音，還原到人耳，這部分內(nèi)容由于和Hi-Fi芯片關(guān)系不大，所以請(qǐng)各位讀者有選擇性地看看就好。當(dāng)放大后的交流電通過喇叭上一圈一圈的線圈，根據(jù)“安培定則”的原理，通電線圈附近就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，同時(shí)，根據(jù)“安培力”的定義：通電導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中的時(shí)候會(huì)受到安培力的作用?！鞍才嗔Α钡姆较蛭覀兛梢酝ㄟ^“左手定則”進(jìn)行判斷。在喇叭這個(gè)例子中，“安培力”方向會(huì)不斷變化，主要是因?yàn)橥娋€圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向，會(huì)隨著交流電方向不斷變化，從而時(shí)刻改變“安培力”的方向。

　　另外，喇叭上固定的磁鐵也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向是恒定的，這就會(huì)和上述磁場(chǎng)相互作用，從而削弱和增強(qiáng)這種“安培力”的效果。具體的兩種情況請(qǐng)看下圖：

兩個(gè)磁場(chǎng)方向相同

兩個(gè)磁場(chǎng)方向相反

　　兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用下的“安培力”最終就會(huì)推動(dòng)線圈在兩個(gè)相反的方向來回移動(dòng)，從而帶動(dòng)連接在線圈的紙盤震動(dòng)，紙盤震動(dòng)從而讓附近的空氣不斷經(jīng)歷壓縮和膨脹兩個(gè)過程，最終形成聲波，簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的喇叭原理，牽扯到電學(xué)、力學(xué)和聲學(xué)三門物理學(xué)知識(shí)。

　　了解了聲音的傳播原理和Hi-Fi芯片分別作用于聲音傳播的哪些環(huán)節(jié)，接下來我們總結(jié)一下：

　　1、輸入階段：ADC，例如TI TLV320ADC

　　2、解碼階段：DAC，例如Cirrus Logic CS4398

　　3、輸出前放大信號(hào)階段：運(yùn)放/功放/耳放，例如OPA2604

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