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高解析数位音讯发展现况与市场机会
 

【作者: 楊尚文】2017年02月07日 星期二

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自人类发明留声机后,便积极追求能保持声音完整度与长久储存音讯的方式。早期,还未进入数位化时代时,音讯的储存与播放方式都使用类比的方式,主要使用唱盘、录音卡带等方式,不过受限于材料与科技,有保存不易与容量过小的缺点。


CD则在1982年问世,主要用途为储存数位资料,而在音讯的领域中,则多用来储存数位音乐,称为音乐光碟(Audio CD)。而CD具有体积小、容量大与保存长久的优点,渐渐取代传统类比的方式,也就是说Audio CD的发明,等同宣告了数位音讯的来临。



图一 : 薄型化的LED TV,其内建的音箱因为空间过小而无法显现好的音质表现,便带动如家庭剧院或Soundbar的成长。 (Source: McIntosh Laboratory)
图一 : 薄型化的LED TV,其内建的音箱因为空间过小而无法显现好的音质表现,便带动如家庭剧院或Soundbar的成长。 (Source: McIntosh Laboratory)

而数位音讯的标准与品质的高低,主要有两个评估指标,如下:


动态响应范围(Dynamic Range)

即可解析的数位资料,其最大值与最小值的比例,通常以dB值为表示单位,下表为各种资料处理宽度所能表现的动态响应范围。也就是说拥有越高的位元数,其动态响应范围越大,也越能够显现音讯细微变化的程度。



图二 : 各种音讯动态响应范围比较表(资料来源:资策会MIC)
图二 : 各种音讯动态响应范围比较表(资料来源:资策会MIC)

取样频率(Sample Rate)

无论是数位化类比信号,或将数位信号还原为类比信号,取样频率的高低也决定信号的完整度与精确度。


从取样原理来看,类比讯号要用数位化的数值来表示,取样的过程会产生所谓的量化误差(Quantization error),所谓量化误差指的是实际讯号之大小(Amplitude)和数位化后所得数据之间的差异。同样地,把数位信号还原成类比信号也是如此,此量化误差被称为失真(Distortion),失真度越低代表越能忠实呈现信号的原始状态,通常以dB值或百分比为表示单位。


为了要降低音讯的失真,便要降低量化误差,而降低量化误差最有效的方法便是提高取样的频率,正弦波(Sine wave)显示取样频率越高,可以减少信号的量化误差,进而提高信号还原后的完整度。另外,若是要改变取样的频率,此升频或降频的动作被称为SRC(Sample Rate Conversion)。


根据日本音讯学会(Japan Audio Society,JAS)对高解析数位音讯的定义主要有二点:


装置的输入/输出与信号处理,其动态响应范围至少要达到24bits以上的资料处理宽度,且其取样频率至少要能达到96kHz以上。


数位音讯播放的来源必须为无压缩(No Compression)或无损压缩(Lossless Compression)的音讯格式。


目前市面上常见的MP3、AAC档案等为一种失真压缩的音讯格式,还有以Bluetooth为传输介面的设备,由于其频宽的限制目前仍无法即时传输高解析的数位音讯资料,也不在本文的讨论范围。


技术发展现况与趋势


图三 : USB Audio为使用USB介面来传输Audio的方式,现已发表到Audio 2.0 。 (Source: Head Fi)
图三 : USB Audio为使用USB介面来传输Audio的方式,现已发表到Audio 2.0 。 (Source: Head Fi)

PCM仍是主流 DSD急起直追

PCM(Pulse-Code Modulation)是一种常见的类比讯号数位化的方法,其原理是将讯号的强度依照同样的间距分成数段来量化并记录下来。目前大多数的数位音讯格式都采用PCM的调变方式,如常见的Audios CD,其规格便是使用44.1khz/16bit的PCM调变方式。


DSD(Direct Stream Digital)为Sony与Philips的专利,主要是利用脉冲密度调变编码将音频讯号数位化,为PCM外常见的数位音讯调变方式,目前多数的MEMS麦克风也是使用DSD输出格式。过去几年,以日本为主的厂商,积极推广DSD调变方式,有越来越被重视的趋势。


另外,也有两者的混合体即DoP(PCM over DSD),乃是将DSD的信号载在PCM信号上传输,只要在接收端将DSD信号撷取出来即可,如此便可利用原PCM的介面或接口来传输DSD信号。


PCM与DSD调变方式的优劣比较,一直以来争论不休,也各自有支持者,然就观察过去电子产品的发展历史,未来的终端产品发展趋势多倾向可同时支援两者的解调变方式,甚至可互相转换,目前其转换的方式多使用软体来进行,不过也开始有厂商开发可PCM to DSD/DoP或DSD/DoP to PCM的转换晶片,下图则用波形简单说明PCM与DSD的调变原理。


无压缩或无损压缩为主要档案格式

目前支援高解析音讯的无压缩音乐格式以WAV档居多,另外,DSD格式也可以被称为Hi-Res音讯,而无损压缩(Lossless Compression)的音乐档案,有FLAC、ALAC、WMA Lossless,等格式,由于无损压缩的档案大小比无压缩的档案来的小,也无损音乐的品质,预期未来将成为主流的高解析数位音讯档案格式。


主要传输介面

SPDIF

SPDIF是历史最悠久的数位音讯传输介面,广泛使用于家用的CD/DVD/BD Player、TV、Desktop PC与家用音响设备的连接。 SPDIF的接头主要有光纤(TOSLINK)与同轴(Coaxial)两种,无论是标准的光纤或同轴接头体积都嫌太大,较不适用于行动装置上使用。为了缩小体积,市面上有出现在3.5mm耳机孔上增加SPDIF光纤输入/输出接口,目前在部分高阶或电竞笔电中可以见到。


HDMI

HDMI也是在家庭中常见的影音传输介面,主要连结TV、STB、DVD/BD Player、Game Console等装置,除了传输影像外也可以传输高解析音讯,在HDMI 1.4以上版本最高可传输PCM 1536kHz/32bit 、32声道与DSD的超高解析音讯,是目前定义最高音讯传输频宽的介面。


USB

USB Audio为使用USB介面来传输Audio的方式,现已发表到Audio 2.0,目前多由PC的播放软体将高解析音乐档案解码成PCM或DSD的格式后再传输到扩大机等后级处理器来播放,市面上已可见到最高可支援384khz/32bit PCM与DSD/DoP2X的产品。


Wi-Fi

Wi-Fi最大的优势为可使用于无线的环境,由于高解析音讯的资料量较大,将可取代Bluetooth为主要的无线传输方式。目前多数的PC与行动装置等都可以Wi-Fi来传输数位资料,如能与家用的无线网路、AP、NAS结合,将可以扩大其应用领域。



图四 : 高解析数位音讯传输介面优劣比较表(资料来源:资策会MIC)
图四 : 高解析数位音讯传输介面优劣比较表(资料来源:资策会MIC)

市场需求与产业动态

高品质的音乐需求逐渐被重视

声音的存取与播放的历史比影像还久远,然观察过去十数年多媒体影音的发展历程,影像品质的进步远大于声音。


以液晶电视为例,面板的解析度由SD提升到Full HD大约仅花了5~8年的时间,目前仍迅速地往4K2K甚至8K4K的解析度来提升,而色彩解析度也由RGB各8bit的全彩1,677万色提升到12bit的687.2亿色,整体的画质提升相当多。



图五 : 目前已有多家厂商推出贴有「Hi-Res Audio」授权标章的产品发表。 (Source: audioxpress)
图五 : 目前已有多家厂商推出贴有「Hi-Res Audio」授权标章的产品发表。 (Source: audioxpress)

由于过去数十年,当电子产品由数位时代进入行动装置时代后,为了携带方便与美观,逐渐往轻、薄、短、小发展。在储存装置价格及传输速率的限制下,行动装置大量使用失真压缩的音讯格式如MP3、AAC等,如此却大大降低音乐的品质。近年来在光纤普及以及4G通讯、802.11ac等传输技术的发展下,传输的品质及速度大幅提升,无须再以牺牲音讯品质方式换取音讯传输流畅度,再加上储存设备的低价化使得储存成本大幅降低,使无压缩或无损压缩的高解析度音讯日益受到重视,市场发展可期。



图六 : 数位影音发展趋势概图(资料来源:资策会MIC)
图六 : 数位影音发展趋势概图(资料来源:资策会MIC)

因为声音的品质需要一定的空间才能显现,如薄型化的LED TV,其内建的音箱因为空间过小而无法显现好的音质表现,便带动如家庭剧院或Soundbar的成长。又如行动装置部分,一般附赠的耳道式耳机越来越难满足消费者的听觉,也使得全罩式耳机销售越来越高,如热卖的Beats耳机,甚至为了追求更好的驱动品质,进而购买耳机扩大机等来满足更高端消费者的需求,应用在家庭剧院、Soundbar及高阶耳机等产品的音讯编解码或格式转换、音效处理、可升降频的SRC等晶片需求亦将随之成长。


日商力拱Hi-Res Audio

2014年6月,日本音讯学会JAS表示,无论是音讯的来源或设备都能达到高解析音讯的定义,加入成为JAS的会员后,便可以申请在其产品上,贴上「Hi-Res Audio」的授权标章。包括Sony、Yamaha、TEAC、Onkyo、Pioneer、Panasonic等日本音响大厂都积极参与,也陆续发表或开始销售相关的产品,目前台湾也有少数几家已争取到或正积极争取授权中。


为了扩大此一授权标章的全球影响力,JAS于2015 CES举办的前夕,即2014年底,宣布与消费电子协会(Consumer Electronics Association,CEA)合作,同意让CEA的会员们可以申请与使用将此一授权标章,而不再限制必须为JAS的会员。目前CEA的会员拥有超过2,200家的厂商,相信此一策略可以争取更多品牌的认同,达到推广高解析音讯的效果与商机。


目前已有多家厂商推出贴有「Hi-Res Audio」授权标章的产品发表,其中以Sony最为积极,由于Sony兼具家用音响、消费性产品与音乐媒体的身分,是最有主导力的厂商。 Sony在展场除了发表高解析音讯播放器、扩大器外,也展出支援播放Hi-Res Audio的Ultra HD LED TV,其声音的细节以及纯净度,都大幅超越非Hi-Res格式的音乐,与4K2K的高解析度面板搭配,可谓相得益彰,同步提升影音的效果,而Sony台湾也于2015年5月底发表此产品。


其中,值得注意的是Sony此款TV是全世界第一台支援Hi-Res Audio播放的LED TV,由于Sony在TV/DVD/BD的发展历史上扮演着极重要的角色,也经常是规格的主导者。然而,未来是否会有更多的厂商推出支援Hi-Res Audio的TV,值得期待与后续观察。


内容厂商逐鹿高解析音乐

而在CEA、数位娱乐集团(Digital Entertainment Group)与录音学院(Recording Academy)等机构的努力推广下,目前一些主流音乐内容供应商,如索尼音乐娱乐(Sony Music Entertainment)、环球音乐集团(Universal Music Group)和华纳音乐集团(Warner Music group)世界三大唱片公司等也纷纷表示,愿意提供更多高解析音乐给消费者更多的选择。


目前可下载高解析音乐档的数量与商店数也不断上升,如HDTracks、HiResAudio、Super HiRez、Qobuz、iTrax等知名商店,甚至包括在CES 2015中大力推广高解析音讯的摇滚大师Neil Young的PonoMusic等。另外,日本的Mora Music也于2015年3月开始,提供台湾的消费者付费下载Hi-Res高解析音乐档案。


USB Audio后市可期

技术(Technology),为了达到高解析音讯所带来的高品质效果,包括处理晶片与装置,都需要提升整体的规格。


在音讯处理方面,需要具备处理高解析音讯所带来较大的资料量,包括音讯编解码或格式转换、音效处理、可升降频的SRC等晶片的配合。而在传输介面方面,由于USB为大多数人熟悉的介面,且未来的电子产品可能都会支援可正反插的USB Type-C,加上最高可支援到PD2.0的100W供电能力,可望应用于USB耳机、喇叭等,未来的成长性最被看好。


争取Hi-Res Audio认证 台商可借力使力


图七 : 现在的装置的输入/输出与信号处理,其动态响应范围必须足够,方能因应使用者需求。 (Source: S tand out Ventures)
图七 : 现在的装置的输入/输出与信号处理,其动态响应范围必须足够,方能因应使用者需求。 (Source: S tand out Ventures)

认证(Certification),透过认证过的授权标章,方便取得进入高解析音讯的门票。如同过去Dolby、DTS、AC3等授权标章,如能取得「Hi-Res Audio」的授权标章,是一种身分与技术的表彰,容易得到此产业上、下游与消费者的认同,对于产品绝对有加分的效果。


目前推广高解析音讯的认证标章,以日商最为积极,尤其Sony同时具有消费性装置与音乐媒体的身分,实力最被看好。建议台商可以加入此认证标章的行列,除了代表技术达到标准外,对于行销上将很有助益,有机会借此打入高阶音讯产业的供应链,借力使力,达到扩大商机的目标。


(本文作者为资策会MIC资深产业分析师)


*刊头图片来源(Source: Digital Trends)


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