本帖最后由 宝宝大人 于 2011-12-6 01:48 编辑 & L, Q& a6 s1 v3 f \ N' p* l: E; R
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模拟输出、数字输出
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! |- h/ B3 E& [. ?9 ?0 U& s3 x1 i 泡泡网音频频道3月9日 声卡究竟是什么样子的？它包含哪些工作元器件？它又是怎么样的一个工作流程？最近一段时间，Soomal的昆冈兄便详细整理、并图文并茂的将这些枯燥的知识变得通俗易懂，很容易理解和学习。之前，我们已经转载过两期，分别介绍了主芯片、CODEC、DAC和ADC。而今天，我们第三期的内容是声卡的工作流程和SRC！ 相关文章：《声卡入门教学指南(一)带你认识主芯片》 《声卡入门（二）认识CODEC、DAC、ADC》 9 I1 M. O$ l( A& p/ [) `* w* ]
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从存储器上的二进制文件，到声卡发出声音，这其中有一个数据流动转换的过程。不管声卡的界面是PCI还是PCI-E，或者是USB的，它们的工作流程基本一样。本篇着重讲讲声卡的工作流程。 ● 模拟输出 ![]()
声卡模拟输出流程示意图 模拟在港台称为类比。模拟输出是我们使用得最多的输出方式，相比数字输出方式，它无需外接任何解码设备就能完成声音的输出。系统通过系统总线（例如PCI）传送数据到主芯片（I/O控制器或者音频控制器），然后输出数字信号到Codec或者DAC进行数字信号到模拟的转换，再通过声卡上的模拟输出插座输出。 整个过程为，总线→主芯片→Codec或DAC→输出。在最后一个环节，会有运放参与其中的工作，对信号进行放大，但这个环节，并不是一定需要的。 ● 数字输出 ![]()
声卡数字输出示意图 相对模拟输出方式，数字输出少了一个数字信号到模拟的转换过程，直接由声卡的光纤或者同轴输出端子和外置DAC通讯，数字模拟信号的转换过程交给了外置组件。
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6 G3 }& l* J8 _5 B模拟输入、数字输入
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7 m, W5 P o2 ]3 \& E: x/ i● 模拟输入 ![]()
声卡模拟输入流程示意图 插上麦克风录歌就是一种单纯的模拟信号输入的过程。在这个过程中，Codec和在输出的任务不一样，而是完全相反的，麦克风只能提供模拟信号，要被主芯片接受必须经过模拟信号到数字信号的转换，这个转换过程被称为ADC（注：ADC在用于硬件名称时，是指的模拟数字信号转换器），主芯片接受信号后传递给系统总线。Codec在此流程中担当的工作也可被专用的ADC芯片取代。 ● 数字输入 ![]()
声卡数字输入流程示意图 例如要录取MD的音乐节目，就需要使用到数字输入方式。在某些录音棚中，会有外置的ADC与声卡相连，此时录音，声卡也需要用到数字输入方式。数字输入的流程很简单，将输入的信号变成文件保存，其关键流程就是经过主芯片的转换并传送到系统总线。 # W) R* p/ F. `& F, G
回路方式、内录及USB声卡的模拟输出
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+ w% u4 ?" r8 ^0 s& ]● 回路方式 ![]()
声卡回路方式的流程示意 使用一根双3.5mm头的线材将声卡的模拟输出和模拟输入(Line in)连接起来的方式被成为回路，主要用于测试声卡的一些指标，可以看成是模拟输出加模拟输入的流程集合，这种方式不具备实用价值，除了测试之外没有人会这么用。这种流程太长，双3.5mm头的线材的质量会严重影响测试结果，其实很难测试到声卡的真实表现。 ● 内录 ![]()
声卡内录方式的流程示意 捕捉当前播放的数字信号的过程通常被成为内录，内录常常使用于测试，用于检测声卡的数字信号处理质量相当好用。在日常应用中，也可能用到内录，例如你录制实时播放的数字电台节目，就需要用到内录。 ● USB声卡的模拟输出 ![]()
USB声卡模拟输出示意图 其实与内置声卡相比，外置的USB声卡在模拟输出时，其工作流程也大同小异，只不过是总线由PCI或者PCI-E变成了USB，其他流程完全一致。同样是经过主芯片到Codec或DAC后输出。也有少量的火线声卡，其工作方式同样与内置声卡相似，总线不同罢了。
2 @' I+ C- f1 a- @0 N主芯片的流程及播放器、DSP的流程位置
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以上讲述的几个例子都是基本的流程，在不同的主芯片内部，进行数据处理时，其内部流程也会有所不同。 ● 主芯片内部的流程 ![]()
音频加速器和纯I/O控制器的工作流程对比示意 在《声卡入门教学指南(一)带你认识主芯片》一文中我们说到，主芯片又分音频加速器和I/O控制器两类，音频加速器集成了I/O控制器和DSP，这也导致了它们内部的信号流程会有所不同。I/O控制器很简单，就是输出和输出，而音频处理器的内部流程可能更为复杂，信号可能经过内部的DSP，也可能不经过，这需要看不同场合下声卡驱动的设定。在很多时候，不能依靠简单的硬件来区别其工作流程，因为软件可以让CPU来模拟DSP的工作，即便使用的是基于纯I/O控制器的声卡，它在打游戏的时候，其输出流程中一样会出现一个基于CPU模拟的DSP模块。 ● 媒体播放器位于流程的什么位置？ 声音的输出，不能单纯依赖硬件得以实现，其中播放器是非常重要的一个环节，但这个环节，有位于整个流程的什么位置？ ![]()
播放器到声卡 这个环节位于输入到声卡之前。播放器读取存储器上的文件，并进行解码，然后输出到设定的声卡。在这之后，声音的处理均与播放器无关。 ● 播放器的DSP 插件，又位于流程的什么位置？ ![]()
Foobar2000音频播放器的工作流程示意 以Foobar2000为例，在其读入存储器文件数据后并完成解码后会直接输出，如果加载了DSP插件，就会多一次处理。假设你使用的是X-Fi声卡并开启了环境音效，使用Foobar2000也开启了某个DSP插件，此时，你听到声音，是经过2次DSP处理过的，一次处理，是对输入声卡之前的信号进行处理，即Foobar2000的DSP处理，另外一次就是来自声卡主芯片内部的处理。 ' k1 P( C. J y) q& w
SRC是什么为？为什么会降低音质？
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- q" J- z7 d7 y3 }) B O SRC，即Sample Rate Converter，中文意思为采样频率转换。它被声卡爱好者所关注，大部分发烧友视SRC为音质杀手，这是为什么？ 在AC'97 1.x规范中，为了简化数据处理流程，约定了一个SRC的环节，不管你当前播放的信号是44.1kHz的还是16Hz，或者其他，都会被强制转换为48kHz输出。这个转换过程，会降低音质。 ● SRC为什么会降低音质？ 这是一个数学问题。我们来举例说明。在举例之前，先重温一下什么叫做采样。 声音其实是一种能量波，因此也有频率和振幅的特征，频率对应于时间轴线，振幅对应于电平轴线。波是无限光滑的，弦线其实由无数点组成，由于存储空间是相对有限的，数字编码过程中，必须对弦线的点进行采样。采样的过程就是抽取某点的频率值，很显然，在一秒中内抽取得点越多，获取得频率信息更丰富，为了复原波形，一次振动中，必须有2个点的采样，人耳能够感觉到的最高频率为20kHz，因此要满足人耳的听觉要求，则需要至少每秒进行40k次采样，用40kHz 表达，这个40kHz就是采样率。我们常见的CD，采样率为44.1kHz。光有频率信息是不够的，我们还必须获得该频率的能量值并量化，用于表示信号强度。量化值为2的整数次幂，我们常见的CD位16bit的采样大小，即2的16次方。 用数字方式表达无限光滑的波形，就如同这些多面体一样，采样越多，就越接近无限光滑的球体。同样，采样越多的数字信号，就能还原出更接近原始的音质。 SRC的作用就是改变信号的采样率，低采样率往高采样率转换时就是一个重采样的过程，重采样对象不再是原始信号，而是这个低采样率的信号，因为采样率不够需要插入更多的采样点以达到需要的采样率和采样大小，在信号频率较低的时候，重采样算法的好坏并不会影响到什么，因为波长长，采样点多，但是高频就很难对付了，因为波长短，采样点少，44.1kHz的采样率情况下，一个20kHz的波仅仅有3个不到的采样点，转换到更高频率的时候势必插入更多的点，要尽量保持原貌，这个点该怎么插，这是一个非常有难度的算法，我们举一个例子帮助大家了解SRC。 ![]()
SRC示意 假设4kHz SRC到8kHz，那么在原有的采样点之间插入新的采样，就可以完成SRC，整数倍的转换，不会改变波形，不改变波形，就意味这种SRC不会破坏音质。但当44.1kHz SRC到48kHz时，情况就会不同，它会重新改变采样点的排列而生成新的波形。 可以看到，最终波形图垂直的轴对应波的能量值，这意味着波的信号强度变弱了，出现了衰减。这个例子可以说明非整数倍的频率转换将改变波形，改变是不可避免的，算法好可以尽量保证转化后的波形和转换前的相似，但好的算法非常少，现有的大部分声卡SRC算法都是很糟糕的，正如上面这个例子一样，高频衰减就是因为SRC 导致的，SRC还会导致一些其他问题，例如互调失真加剧等。总之，非整数倍的SRC应尽量避免，这也是为什么声卡发烧友关注SRC的原因。 ) c4 }" b7 e* L" y/ n
SRC不可完全避免，但降低好处多多
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, f$ l. m4 I" z% s3 b● SRC不可能完全避免 SRC实际是不可能完全避免的，即便你使用的声卡，是可以多种采样率输出的，SRC依旧会产生。比方说，你在听音乐，使用的是44.1kHz的采样率，而此时你又开启了一个桌面小游戏，这个游戏的音效是48kHz的，声卡到底使用什么采样率输出呢？声卡会使用较高的采样率，也就是48kHz输出，44.1kHz的信号会被强制SRC到48kHz。如果你在声卡驱动中强制使用44.1kHz输出，那么游戏中48kHz的信号会被强制SRC到44.1kHz后再输出。 ● 在主要应用中避免SRC依然有意义 虽然SRC不可彻底避免，但在主要应用中，回避SRC依然是有意义的，只要回放设备稍微好一点，就很容易分辨SRC导致的音质劣化，因此在欣赏音乐时，确保44.1kHz（主要是CD的采样率为44.1kHz，而CD是最大的音乐节目载体）是有意义的。 ● 其他领域的SRC ![]()
乐之邦SRC10异步采样率转换器-摘除外壳 在发烧级的CD唱机中，常常会遇到一个升频的概念，所谓升频，就是SRC，它将CD的44.1kHz SRC到 更高频率。发烧圈中充满玄学，有的厂家把44.1kHz SRC192kHz后，差点就标榜自己是高清音频设备了，这是不可能的，而且，不管SRC算法多么优秀，非整数倍转换一定是有损失的。 那么升频有什么意义？做图像处理的朋友应该知道，一张800×600的图片，放大到1600×1200，然后再进行处理，例如抠图，会要方便得多。升频的道理也差不多，升频后的信号会更加容易处理，在升频电路中，伴随着的都是时钟处理、降低抖动等处理，单纯的升频没有意义。 在录音领域，SRC也是存在的。现在的录音棚大部分都采用的是96kHz、192kHz的采样率录音，如果要刻录成CD怎么办？必须SRC。我们曾经推荐过《Secret Rabbit Code 神秘兔 SRC 插件 1.0.3 For Foobar2000 v0.9x》，虽然这只是一个Foobar2000的插件，但它的原始算法，来自录音棚，早年DAT（数字录音带）在录音领域非常流行，而它支持的采样率为48kHz，要灌CD，SRC也是同样不可避免的。有些产品公司在贩售“母带级”的唱片，实际是一种忽悠，除非它的母带录音也是44.1kHz的。 | 
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发表于 2011-12-6 01:46
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