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強勢來襲的數位潮流：DAC 入門基礎

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在說明 DAC 為何物之前，請先想像一個畫面，喜愛的歌手在錄音室中高唱著新歌，而你現在正用電腦播放著歌曲，從錄製音樂到播放音樂的過程中，實際上是將類比音源錄製成數位資訊，再由數位資訊轉換回類比音源的過程，在一邊享受音樂的片刻，也一邊來了解 DAC 在這轉換過程中所扮演的角色吧！

類比訊號 vs. 數位訊號
DAC（ Digital to Analog Converter）又稱為數位類比轉換器，是數位播放系統中不可或缺的重要角色，它能將數位訊號還原回類比訊號。不論以 CD、電腦或手機播放數位音訊檔案，都必須經由 DAC 的處理，才能將訊號送至擴大機進行放大，再透過喇叭將美妙的音樂播放出來。

「類比訊號」與「數位訊號」的原理是什麼，彼此之間又有哪些差異，究竟哪一種系統比較好呢？所謂的同步模式與非同步模式是怎麼一回事？本期所附贈的 USB DAC 又是什麼神兵利器？且讓我們來一探究竟。

為了複製生活中的各種美好體驗，人們發明了許多工具來記錄影像、聲音，早期的工具皆以「類比（Analog）」的形式記錄，如底片相機、黑膠唱片、卡式錄音帶等。近年來，由於數位產業的興起，人們轉而擁抱各種「數位（Digital）」工具，數位相機、CD、MP3 逐漸取代過往沖洗底片、將卡帶換面的回憶。

究竟什麼是「類比訊號」，什麼是「數位訊號」呢？說明白點，「類比」其實就是「連續、不可被量化」的意思。 類比訊號不論在時間、空間與強度上都是連續的，每一個時間點都有相對應的訊號。造物者所創造出來的世界，諸如光影明暗、聲音、溫度等五感的體驗，皆以「類比訊號」的形態存在於我們的日常生活中；反之，「數位」的特性則為「不連續、可量化」的。

這樣說明或許還是有點抽象，可用圖像來理解兩種訊號的差異。圖 1 左為類比的影像，色彩是連續的，日常所見的自然美景以及相機底片皆屬於類比影像；中間則是以數位方式呈現的影像，將原始的影像切割成許多小區塊，並在區塊中填入單一色彩，藉此還原出真實的影像，電腦螢幕呈現的畫面即為數位影像。

類比影像（左）、低解析度數位影像（中）、高解析度數位影像（右）

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類比音訊的錄製與播放
真實的聲音訊號是一連串連續的「壓力」變化，壓力變化速度越快，表示音訊頻率越高，而音訊的振幅越大，其響度越大（如下圖）。

因此，記錄類比音訊必須含有兩大資訊 —「時間與振幅 」，人們絞盡腦汁研發技術，便是為了能精確地記錄並重播這兩大資訊。

早期的類比錄音工程利用機械式或電磁學技術，將音訊波形一五一十地刻在黑膠唱盤上，軌跡記錄下「振幅」資訊、旋轉速度則紀錄「時間」資訊，屬於類比的紀錄方式。播放黑膠唱片時，重播速度必須與原先的錄製速度相同，如果播放時改變了速度，就等於改變了原來音訊的頻率，而音軌之起伏越接近原來的音訊波形，振幅的忠實度也就越高。

唱針依靠細微的振動還原唱片上記錄的聲音波形，那些波形都是我們肉眼看不到的超微小刻痕（如上圖）。在黑膠母帶刻製、壓制量產、唱針循軌重播等每一步驟裡，只要有任何額外的振動、細微的灰塵或轉速上的些微差異，都會構成原有音訊波形裡沒有的變異部分，也就會造成聲音的失真。

類比訊源的聽感自然寬鬆，十分迷人，只是聆聽環境的限制條件多，進入門檻較高，且難以完美複製。因此，播放簡單、傳輸不易失真、容易保存與編輯的數位訊源逐漸變成當今音源製作的主流。要將類比訊號數位化是一個複雜的過程，而如何將數位訊號還原回類比訊號又是另一門學問。以下簡單介紹聲音訊號是如何被數位化記錄保存，而硬邦邦的數位訊號，又是如何轉變為我們耳朵裡聽見的美妙音符。

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類比音訊的數位化
數位音訊與類比音訊相同，在記錄時必須同時保存原有的時間與振幅兩大資訊。

將音訊數位化最常使用的方法為「脈衝編碼調變（Pulse Code Modulation, PCM）」，包括下列 3 個步驟：取樣（Sampling）、量化（Quantizing）、編碼（Encoding）。

所謂「取樣」，是依據特定的時間單位，把音訊切割成每秒數千到數萬個片段，並選取音訊裡的時間資訊（如上圖中綠線）；而「量化」則是把每一個取樣點的振幅資訊記錄下來，並以數字表示（如上圖的藍點）；「編碼」則是把數字，轉化成電腦看得懂的「0101…」以方便記錄和保存。

由此可知，「取樣」保留了時間資訊，「量化」則保留了振幅資訊。

在音訊收錄時，將類比訊號數位化的機器稱為「ADC」（Analog to Digital Converter，類比數位轉換器）。音訊數位化的檔案是一連串的二進位編碼數值，播放時須經由「DAC」（Digital to Analog Converter，數位類比轉換器）將數位訊號重新轉換成連續的類比訊號，才能將訊號送入擴大機進行放大，再透過單體（喇叭）播放出來。

DAC 會將這些「字組」以同一參考時序轉換，形成相對的電壓或電流，再經過低通濾波器將訊號波形變得滑順，恢復成原本的類比音訊波形。

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再談取樣量化與編碼
收錄音訊時取樣的速度稱為「取樣率」，單位是 Hz，取樣率 44.1 kHz 代表每秒鐘對音樂取樣了 44,100 次。取樣率越高，所記錄的音訊波形就越接近原始訊號。如果希望能完整地記錄所求的訊號頻寬，則取樣頻率必須大於訊號頻率的兩倍，稱為「奈奎斯特定理（Nyquest law）」。

人類聽覺的頻寬約為 20 Hz－20 kHz，理論上，以 40 kHz 以上的速度對聲波進行取樣，便能還原出 20 kHz 以下的聲波。經過取樣後，必須把每一個取樣點的振幅資訊記錄下來，量化的級距分得越細，記錄到的振幅資訊就越接近原本的波形。由於電腦只看得懂 0 和 1，量化後，必須再把十進位的數值轉換成電腦看得懂的 0 跟 1。

一個 0 或 1 稱為 1 bit（位元），2 bit 的 0 跟 1 可以表現出 22 = 4 種階層的能量與波形差異，3 bit 可表現出 23 = 8 種階層，16 bit 可以表現出高達 216 = 65,535 種階層，而到達 24 bit 時，則可表示約 224 = 1,677 萬種階層。

1,677 萬種階層，這驚人的數字代表了數位記錄時可達到的細微程度，正如前面所提到的圖形概念，音訊記錄時使用的位元數越多，其在聲音上的「解析度」也越高。

觀察量化級距分成 4 階與 8 階所得到的波形（上圖的藍色線條），可看出取樣率越大、量化級距越細，則失真越小，所得到的波形也越完整。

現今的數位錄音技術已可達 384 kHz / 32 bit，而半導體廠商也已經有對應的 768 kHz / 32 bit 的 ADC 晶片，由於以 96 kHz / 24 bit 或 192 kHz / 24 bit 所錄製出來的音質已經非常優異，目前錄音工程多使用此規格。然而，以 96 kHz / 24 bit 或 192 kHz / 24 bit 錄製出來的音樂，所占的記憶體容量非常龐大，受限於儲存媒介的容量限制，當轉錄製到 CD 時，檔案規格會降至 44.1 kHz / 16 bit。

理論上，44.1 kHz 的取樣率已可還原人耳所能聽見的最高音，不過，人耳雖然聽不見 20 kHz 以上的聲波，卻能感覺到細微的差異。經過實驗證實，以 96 kHz 甚至是更高的取樣率所錄製出來的音樂，音樂聽起來會更開朗透明，可有效提升整體的音質，此外，在收錄時提高取樣率，也可確保 20 kHz 以下的頻段能更完美地被保存下來。

由於科技進步，許多玩家早已不滿足於 CD 的音質，線上音樂商店紛紛推出比 CD 更高規格的母帶音訊檔案。不過，有了 96 / 192 kHz、24 bit 高取樣高解析的數位音樂檔案，也要有同等級的 DAC 把它解碼還原成類比訊號才行，因此，購買時要特別注意 DAC 可支援的取樣率與聲音解析度，不然空有高規格的訊源也是白忙一場。

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傳送訊號的橋樑：數位傳輸介面

在撰寫知識家之前，也曾經以為只要耳機連接喇叭或電腦就可以直接聽音樂，後來才曉得，原來多媒體喇叭都有內建擴大機來放大訊號、電腦則有音效卡（也就是 DAC）處理數位訊源，才能如此方便地播放音樂。

不過，因為非專業的電腦音效卡有一定的限制，講究音質的聆聽者常利用外接式 DAC 獲得更高品質的音樂。外接式 DAC 無論在解碼晶片、電源供應、類比放大等方面，製作和設計都比一般內建音效卡更加講究，是提升電腦音樂播放的利器。在操作上，不論是從電腦或 CD 播放器將數位訊號輸出至 DAC，均需透過「數位傳輸介面」傳輸，常見的有以下幾種：S / PDIF、USB、Firewire、AES / EBU、HDMI、乙太網路線等，其中又以「S / PDIF」及「USB」在家用音響界最為普遍，以下將簡單介紹這兩種介面的應用。

長距離傳輸 機器 vs. 機器
「S / PDIF」，全名為 Sony / Philips Digital Interconnect Format，是 Sony 和 Philips 這兩大製造業巨頭在 80 年代為家用器材所制定出來的數位訊號傳輸介面，主要應用於 CD 播放器。同軸與光纖（如下圖）所傳輸的信號都是「S / PDIF」格式，是相同種類的數位資料，只是使用的接頭形式不同而已。

而「USB」介面則是由 Intel 與 Microsoft 於 90 年代倡導發起，其開發的最初目的並不是用來傳輸數位音樂，主要應用於電腦。發表初期普及度遠不如 S / PDIF，因此早期的 DAC 多配備「S / PDIF」介面。然而近幾年，幾乎每台電腦、智慧型手機都配有 USB 介面，隨著這些電子裝置的盛行，USB 的普及度也大幅提升，甚至超越 S / PDIF 介面。再加上網路及音樂播放軟體的發達，只要透過電腦便可輕鬆聆聽自己喜愛的音樂，電腦、手機等裝置逐漸取代實體 CD，成為主流的聆聽方式。

以 USB 作為傳輸介面的「USB DAC」也乘著這股風潮一躍而起，透過電腦已有的插槽取代內建的音效設備，輕鬆提升聆賞品質。

短距離傳輸 晶片vs. 晶片
前述提及的 S / PDIF 與 USB 都是屬於「機器」與「機器」之間的數位訊號傳輸介面，適用於長距離的傳輸，但 S / PDIF 與 USB 格式的訊號均無法直接傳送到 DAC 晶片，必須先把訊號轉換成 DAC 晶片看得懂的「I²S（Inter-IC Sound）」格式，才有辦法做數位與類比的轉換。

「I²S」是「晶片」與「晶片」之間傳輸數位訊號的介面標準，適用於短距離的傳輸。因此，一台 DAC 中除了有 DAC 晶片以外，還必須有對應的 S / PDIF 接收晶片或 USB 接收晶片，將訊號轉換成 I²S 後，再傳輸至 DAC 晶片做處理（如下圖）。

USB 接收晶片的品質好壞對訊號音質影響很大，價差可差至百倍，一個好的 USB 接收晶片是音質優異的 USB DAC 的基礎。

同步與非同步
不論是「機器」或「晶片」間的資料傳輸，發送端與接收端都必須要協調彼此間的步伐，接收與發送速度的一致性，是「資料能否如實傳遞」的關鍵。讓兩端同步發送與接收最簡單的解決方式，就是發送端把資料（Data）與時脈（Clock）同時傳給接收端，告知接收端發送的頻率是多少，接收端即依照此時脈的頻率接收資料。如剛剛圖片所示，S / PDIF 會將 Clock 編碼進 Data 裡一起傳送，I²S 則可同時分別傳送 Clock 與 Data，這兩者都稱為「同步模式」。

而 USB 介面當初設計時只能單獨傳輸 Data，無法同步傳輸 Clock，因此發送端與接收端須有各自的 Clock，兩端各依照自己的 Clock 工作，稱為「非同步模式」。試想，USB DAC（接收端）與電腦（發送端）要如何在各自有自己的 Clock 的情形下一起工作，而不會步伐不一致出現錯誤呢？

以下進一步來了解 USB DAC 的傳輸模式。

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傳送資料，默契很重要：USB DAC 的三種傳輸模式
想像棒球場上，投手與捕手之間要培養默契，傳遞訊號就像是投手（發送端，電腦）與捕手（接收端，USB DAC）之間的丟接球，為了維持兩者之間的工作順暢，USBAudio 與電腦間協定出三種傳輸模式：自由傳輸模式（Synchronous）、改良的自由傳輸模式（Self Adaptive）與迴授式傳輸模式（Asynchronous）。

這三種模式，也常被稱為同步模式、自適應模式與非同步模式，但在此所指的同步、非同步與上一段提及的同步模式（同時傳送 Data 與 Clock）是完全不一樣的東西，為了避免混淆，以下以全名稱之，並詳細說明這三種模式的差異。

自由傳輸模式（Synchronous）
此模式就像投手與捕手矇住眼睛、耳朵，並在投捕手之間架一座供球傳輸的軌道，雙方約定好開始的時間點以及傳、接球的速率，各自根據自己的時鐘默數節奏，依照「默契」傳球。這種模式的設計最為簡單，但如果兩者的時鐘快慢不一致，一段時間之後，便可能產生傳的太快導致漏接、或是因為傳的太慢而發生撲空的問題。對於音質要求不高的USB 喇叭，所使用的便是此類模式的產品。

改良的自由傳輸模式（Self Adaptive）
各項條件與自由傳輸模式相同，不同的是換了個會自動調整接球頻率的捕手。投手依然遵照約定，按照自己默數的節奏丟球；但捕手在接球時多了點訣竅，如果漏接了球，便隨時微調自己的接球頻率。然而，捕手並不是每次都可以猜中投手的投球節奏，不停調整接球頻率的結果，有時反而會弄巧成拙。

迴授式傳輸模式（Asynchronous）
此模式也稱為「非同步傳輸」。投手、捕手依舊矇著眼，但不同的是投手張了耳、捕手開了口。捕手一邊接球、一邊
開口數拍子；投手聽到捕手唸的拍子，修正自己的節奏再投球出去。理論上這是最好的方式，如果還能給捕手再配個名錶( 優質的振盪器、甚至是原子鐘)，正是我們所期待的正確傳輸資料、低失真的理想狀態。

電腦扮演的角色就像投手，在迴授式傳輸模式下，不但要尋找一個會開口數拍子的捕手（USB DAC），也要確定自己的電腦聽得懂拍子。然而，並非每台電腦的作業系統都會聽拍子，此時只能仰賴工程師在軟體上另闢出路，自行開發DAC 專屬的驅動程式，協助您打開投手的耳朵。由於作業系統版本眾多，與其他應用程式間的相容性也是一大問題，「迴授式傳輸模式（Asynchronous）」產品架構複雜，軟體開發成本高，因此多使用於高階的產品。

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USB DAC 的優點與限制
USB DAC 作為時下最流行的數位類比轉換器，自然有它的道理，除了幾乎每台電腦與手機皆有配備 USB 介面以外，有別於其他傳輸介面，USB 介面不僅可以傳輸訊號，本身還帶有電源供應匯流排，攜帶式的 USB DAC 不需外接電源供應器，可由電腦主機直接供電，小巧輕便易攜帶。此外，USB 的高傳輸頻寬可輕鬆傳輸母帶規格的高解析音樂檔案，滿足發燒友的需求。

儘管 USB DAC 使用極為便利，想利用「USB DAC」得到 Hi-end 品質的音響效果，仍是一條辛苦的道路，這點需要回頭討論電腦的整體作業系統問題。現代人使用電腦時，常「多工」處理諸多事項，一邊播放高解析度音樂，一邊玩線上遊戲，社群軟體又不時地發出「叮咚」的提示音，多重音源卻只有一個聲音輸出通道，勢必要對三個不同取樣率的音源進行「混音」的工作。

由於不同取樣率的音源無法直接混音，想在電腦上作「混音處理」，就必須對不同的音源做取樣率轉換（SRC, sampling rate conversion）。SRC 在音樂的編輯後製中經常可見，不過一般的電腦作業系統著重在資料運算能力，而非發燒友所追求音質至上的音頻處理，使用一般作業系統的 SRC，勢必會影響音質。此外，自動電平／音量匹配（automatic level matching）也會影響音頻訊號的處理，必須使用專用的音頻播放軟體及專屬驅動程式解決此問題，由於內容複雜，不在此贅述。

該如何改善電腦播放品質呢？
由以上的多方分析可知，若選擇以電腦作為訊源，想要追求更好的聆聽品質，就必須在電腦的軟硬體系統多下點功夫。有些講究音質的人會另組播放音樂專用的電腦，從避震處理、雜訊隔離到線材、電源、作業系統等都仔細琢磨，降低每一個環節的干擾，追求更高品質的享受。

然而，並不是每個人都是電腦工程師，可同時精通電腦的軟硬體系統，現在市面上已有販售專門播放數位音訊的電腦，稱為「音樂伺服器」，不過其成本高昂，售價非一般人負擔得起。如果不是電腦高手，又不想花大錢，其實買一部普通的電腦專門用來聽音樂也不失為一種解決辦法。只要簡化一下電腦的功能，再外接優質的 USB DAC，一樣可以花小錢享受聽音樂的樂趣。

auraheart

auraheart

基礎編可能係悶些小, 但花小小時間值得既...
基礎野不設閱讀權限...  

hotakmig

入門基礎已經巧福習

auraheart

hotakmig 發表於 2016-11-4 09:36

                               
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入門基礎已經巧福習

找鳥巧狗, 呢編最易架喇...

柒喜

auraheart 發表於 2016-11-4 09:27

                               
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基礎編可能係悶些小, 但花小小時間值得既...
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下期教怎打造NAS唔該

auraheart

柒喜 發表於 2016-11-4 09:53

                               
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下期教怎打造NAS

等乃...

柒喜

auraheart 發表於 2016-11-4 09:54

                               
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等乃...

你打開左個基礎，就當然要有得續篇嘛由你

auraheart

柒喜 發表於 2016-11-4 09:57

                               
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你打開左個基礎，就當然要有得續篇嘛由你

禾假假地以前都算電子佬, 禾搞一定悶兼難明....
英文尚可, 用中文可能自己都唔明..
介紹吓NAS產品矛難度, 打造咪搞禾, 咁多時間去握蝦條巧過...

newpatpat

very useful information, learn more about DAC working theory now.

What is the different in sound performance between
(a) using a PC plus a good quality USB DAC;
(b) using a PC with a good quality internal sound card ?

auraheart

newpatpat 發表於 2016-11-4 10:08

                               
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very useful information, learn more about DAC working theory now.

What is the different in sound pe ...

The cheapest USB DAC would probably out perform a good quality internal sound card by far.  They are not in the same class..

macmak.

哩篇入門知識內容豐富

黃金發

利用振動變聲落黑膠好勉强都明白
但係光纖入面d光點變返做聲就覺得好神奇