不知道在看推文的各位，是不是都知道曾經(jīng)我們一度狂熱的CD唱片其實(shí)就是數(shù)字化的音源，而其中的數(shù)字編碼標(biāo)準(zhǔn)是脈沖編碼調(diào)變（Pulse-code modulation，PCM），這個(gè)從CD誕生之日起就一直到今天還在沿用。但除了PCM或更精準(zhǔn)地說是線性脈沖編碼調(diào)變（Linear pulse-code modulation，LPCM）之外，還有一個(gè)今年風(fēng)頭正旺的DSD（Direct Stream Digital）編碼格式?，F(xiàn)在市場上的高端播放器，把支持DSD格式作為一個(gè)賣點(diǎn)。到底什么是DSD編碼格式？是否真的有如廠商宣稱般提供更優(yōu)良的音質(zhì)？今天小靈結(jié)合之前整理的資料，跟大家好好扒一扒DSD的前世今生。

提示：今天的推文提及很多專業(yè)名詞，注意劃重點(diǎn)咯！

Direct Stream Digital的歷史

事實(shí)上DSD的誕生已經(jīng)很久，早在60年代就已經(jīng)有利用脈沖密度調(diào)變〈Pulse-density modulation，PDM〉編碼，將音頻信號記錄在數(shù)位媒體上，正確來說應(yīng)該是由PDM一個(gè)特殊分支-脈沖寬度調(diào)變（Pulse Width Modulation，PWM）來實(shí)現(xiàn)，這種編碼方式目前已經(jīng)完全被PDM格式所取代。

目前常見的DSD編碼就是基于PDM規(guī)范，這個(gè)音樂編碼格式的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在1999年發(fā)表，是由當(dāng)時(shí)領(lǐng)導(dǎo)音樂儲存格式的巨頭Sony和Philips合作開發(fā)，至于為何制定DSD規(guī)范的原因有些復(fù)雜。主要是因?yàn)槟菚r(shí)候由Sony和Philips所制定的CD〈Compact Disc〉規(guī)范專利快要過期，在即將失去由CD專利帶來的大量收益情況下，Sony和Philips決定再次聯(lián)手打造下一代的音樂儲存規(guī)格Super Audio Compact Disc〈SACD〉，所以DSD的出現(xiàn)絕大部分是因?yàn)樯虡I(yè)考察。

在儲存編碼上，SACD使用和CD常見PCM編碼完全不同的音訊格式，采用單位元的DSD編碼。Sony花下重金聘請當(dāng)時(shí)最頂尖的兩位聲音工程師Ed Meitner〈現(xiàn)任職于EMM Labs〉和Andreas Koch〈現(xiàn)任職于Playback Design〉來制定SACD規(guī)范，并且在初期免費(fèi)開放給大多數(shù)知名錄音室使用，這成為DSD音訊儲存格式第一次大規(guī)模被使用在商業(yè)活動(dòng)上。

▲Direct Stream Digital標(biāo)志

超級音頻光盤〈SACD〉的起源

講到DSD自然必須介紹一下SACD，SACD取樣頻率高達(dá)2822.4kHz，是一般CD取樣頻率44.1kHz的64倍，而且理論上具有能夠再生100kHz以上頻率范圍的能力。此外由于SACD使用DSD的脈沖編碼，因此省去位轉(zhuǎn)換的過程，同時(shí)降低數(shù)位濾波可能產(chǎn)生失真和噪聲的問題。

雖然這一切都讓SACD聽起來非常的美好，但SACD在推廣的路途上卻是相當(dāng)艱難，因?yàn)楫?dāng)Sony和Philips決定用專利屏障再次壟斷音訊儲存格式時(shí)，其他音樂制作公司和硬件生產(chǎn)商卻看上了正蓬勃發(fā)展的DVD光盤，并且希望利用這個(gè)容量更大的儲存媒介來發(fā)行高品質(zhì)音樂光盤，就此開啟了新世代音樂儲存媒介規(guī)格的戰(zhàn)火。

Super Audio CD和傳統(tǒng)CD音樂光盤規(guī)格比較

高品質(zhì)音樂儲存規(guī)格之爭

DVD-Audio規(guī)格很迅速地在SACD出現(xiàn)的隔一年后正式上路，使用和CD相同的LPCM編碼，并且可以儲存高達(dá)192kHz/24bit雙聲道的高品質(zhì)音樂。DVD-Audio在音樂制作上和傳統(tǒng)的CD音樂并沒有太大區(qū)別，由于多數(shù)音樂制作公司都?xì)v經(jīng)過CD格式的洗禮，因此剛開始大部分音樂制作公司，偏向選擇技術(shù)上更加成熟的DVD-Audio規(guī)格，當(dāng)然也有一部分理由是可以擺脫Sony和Philips的專利束縛。

想當(dāng)然，Sony和Philips為了捍衛(wèi)自家格式和利益自然會做出反擊，Sony和Philips藉由自己在硬件制造上的優(yōu)勢，拉攏大多數(shù)DVD播放器制造商，讓后續(xù)生產(chǎn)的DVD播放器無法兼容DVD-Audio。這個(gè)作法嚴(yán)重的打擊DVD-Audio陣營，雖然DVD-Audio陣營有不少大型公司支持，但是其內(nèi)部意見卻是相當(dāng)分歧。由于每個(gè)成員都怕被另一個(gè)規(guī)范所束縛，這為DVD-Audio推廣之路種下了失敗的種子。

另外更令內(nèi)部成員驚恐的是，在那音樂盜版猖獗的年代，DVD加密法很快地就被黑客所破解，每個(gè)音樂制作公司都害怕DVD-Audio會重演CD的盜版局面，因而都裹足不前。第一份正式DVD-Audio音樂光盤，居然是由一個(gè)發(fā)燒友，在缺乏良好錄音設(shè)備的小型研究室錄制。

在DVD-Audio陣營內(nèi)部互相猜忌的情況下，Sony乘勝追擊的許諾SACD將永遠(yuǎn)不能被電腦所播放，這幾個(gè)舉動(dòng)成功穩(wěn)固住SACD作為新一代音樂光盤的地位，并且也解決了雙方陣營長久以來懼怕盜版的疑慮。

▲SACD標(biāo)志及SACD的種類。由左至右分別為：單層SACD〈4.7 GB〉、雙層SACD〈8.5 GB〉、混和型SACD〈4.7 GB〉

SACD的殞落

經(jīng)過上面一大串折騰和較勁之后，Sony和Philips陣營開始自信滿滿地宣傳和推廣多聲道格式SACD，并且宣稱未來是高品質(zhì)多聲道音樂的年代，而且也漸漸獲得多數(shù)音樂制作公司的認(rèn)同。眼看著儲存格式大戰(zhàn)就要分出勝負(fù)的時(shí)候，Apple的iPod迅雷不及掩耳上市了，爾后幾年將在線數(shù)位音樂下載量，更提升到了一個(gè)驚人的程度。

面對Apple所掀起的在線數(shù)位音樂潮流，Sony選擇繼續(xù)維持SACD的生產(chǎn)和發(fā)行，并且在2003年規(guī)劃出同時(shí)擁有傳統(tǒng)CD層和SACD層的混和型SACD，期望在實(shí)體音樂光盤銷售上有所突破。但是這很快地就碰上SACD播放器銷售不佳的問題，因?yàn)楫?dāng)年的SACD播放器價(jià)格大多落在5,000元美金以上，消費(fèi)者并不愿意購買昂貴且只能播放音樂的SACD播放器，因此讓SACD的銷售受到直接的影響。

再加上幾年后，Wavelength Audio發(fā)布了基于電腦播放的非同步USB DAC，這使得利用電腦播放高品質(zhì)音訊檔案變得更加容易。爾后又隨著全世界網(wǎng)絡(luò)速度的提升，和在線音樂的流行，出門購買音樂光盤漸漸的不再是獲得高品質(zhì)音樂唯一來源，SACD就此成為只有少部分音樂愛好者的選擇。

▲混和型SACD結(jié)構(gòu)圖和讀取機(jī)制：混和型SACD具有一層4.7GB容量的DSD層〈上層〉，同時(shí)還包含一個(gè)符合PCM紅皮書的CD音軌層〈下層〉，能夠兼容傳統(tǒng)的CD播放器。

2006年，在體認(rèn)到SACD幾乎已經(jīng)不可能成功的情況下，Sony做了一個(gè)策略上的大轉(zhuǎn)變，推翻之前SACD將不會被電腦播放的承諾。Sony推出以SACD為基礎(chǔ)的DSD-Disc，這個(gè)格式的SACD將舊有物理防拷貝保護(hù)層移除，使得電腦也能夠讀取這類型光盤片。

但是由于已經(jīng)失去市占率，DSD-Disc在完全沒有推出過任何商業(yè)音樂光盤下就被拋棄，從2009年后就已經(jīng)沒有大型商業(yè)音樂制作商，使用SACD當(dāng)做音樂儲存媒介。雖然到這邊，由Sony和Philips主導(dǎo)的SACD已經(jīng)完全潰敗，但也為后續(xù)的DSD格式音樂打開了另一扇大門。

DSD音樂播放原理

上面看完了DSD音樂格式的歷史信息，這邊筆者想先來介紹一下DSD到底和PCM有甚么不同，首先我們就從介紹DSD音訊編碼開始。DSD編碼使用不同于以往PCM邏輯來記錄音訊，DSD信號是以ΔΣ調(diào)變后的PDM編碼形式儲存在儲存媒介上，DSD的內(nèi)部記錄的是一個(gè)連續(xù)時(shí)間的單一位序列，以固定的時(shí)間間隔來記錄，在標(biāo)準(zhǔn)的SACD規(guī)格下每個(gè)取樣間隔是1/2822400秒，取樣頻率為CD規(guī)格〈44.1kHz〉的64倍之高。

DSD每一次取樣會比對本次取樣和上一個(gè)樣本值的變動(dòng)，接下來使用0和1來記錄振幅的變化，0代表比上一個(gè)信號值來得低，1代表比上一個(gè)信號值來格高，所以每一個(gè)取樣的信號是和前一個(gè)信號的相對值。DSD藉由非常高的取樣頻率，將以往量化不精準(zhǔn)所造成的失真，下降到一個(gè)位以內(nèi)的誤差。

▲DSD編碼示意圖，在每1/2822400秒記錄下一個(gè)單位元的數(shù)據(jù)，每一次記錄的數(shù)據(jù)是和前一個(gè)數(shù)據(jù)的相對值。

為了確保大家都能夠輕易理解等一下的DSD和PCM比較，在這邊快速地介紹一下PCM編碼。PCM編碼主要包含取樣〈Sampling〉、量化〈Quantization〉、編碼〈Coding〉三個(gè)過程，如下圖上半部所示，PCM也是在一個(gè)固定的間隔時(shí)間內(nèi)〈如CD是1/44100秒〉記錄下原始模擬信號的振幅。

但和DSD不同的是，PCM記錄的是一個(gè)絕對值而非DSD的相對值，每一個(gè)不同的振幅強(qiáng)弱都有其代表的數(shù)值。然后再將記錄下來的數(shù)值轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間信號，最后再依據(jù)PCM規(guī)范給予一個(gè)編碼就是常見的LPCM格式數(shù)位音訊。簡單來說，PCM編碼就是在連續(xù)的時(shí)間〈X軸〉坐標(biāo)下，記錄當(dāng)時(shí)的振幅〈Y軸〉大小。

▲LPCM編碼示意圖，在固定時(shí)間間隔下〈1/44100秒〉，記錄當(dāng)下的振幅大小的絕對值。

DSD音樂播放

DSD音樂的記錄和播放流程，相較于傳統(tǒng)PCM編碼來得簡化許多，由于目前市面上主流是使用基于單位元的模擬數(shù)位轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter，ADC），來進(jìn)行音樂錄制。所以如果將錄下來的聲音直接使用DSD格式儲存的話，在播放時(shí)只需要在輸出端，經(jīng)過一個(gè)開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的低通濾波器，來還原成模擬信號即可。

整個(gè)流程相較于傳統(tǒng)的PCM處理，省去了在錄音端單位元轉(zhuǎn)多位的過程，和在播放端必須經(jīng)由超取樣和ΔΣ調(diào)變成PDM信號的手續(xù)。這使得DSD具有非常好的先天優(yōu)勢，并且理論上能夠在硬件端節(jié)省下多余的處理元件，也間接地降低處理過程所產(chǎn)生的失真。

SACD較早時(shí)期采用1bit轉(zhuǎn)換技術(shù)造成的高頻抖動(dòng)〈dithering〉與諧波〈Idle Tone〉等問題，目前的DAC芯片為了因應(yīng)1bit譯碼缺點(diǎn)，大多使用多位〈例如：6 bit，64階〉的ΔΣ調(diào)變。此種調(diào)變混合1bit PDM和PCM的優(yōu)點(diǎn)，在低電位輸出時(shí)直接調(diào)整輸出脈沖電壓為低電壓，可以讓后續(xù)的低通濾波電路設(shè)計(jì)問題簡化不少。在理論上看起來是如此的完美，但是人算不如天算，完美的事情永遠(yuǎn)只在理想狀態(tài)下發(fā)生，后面的章節(jié)和各位討論DSD所需要面對的問題和優(yōu)勢。

▲〈上圖〉PCM音訊的錄制和播放流程簡圖，總共歷經(jīng)兩次超取樣處里和兩次位數(shù)轉(zhuǎn)換，〈下圖〉理想狀態(tài)下DSD音樂錄制和播放流程簡圖，過程中無須經(jīng)過超取樣和位數(shù)轉(zhuǎn)換。

DSD和PCM編碼比較

由上面的介紹就可以看出，DSD和PCM是兩種完全不同思維模式的編碼，而兩種規(guī)格也擁有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

DSD編碼優(yōu)勢

1.理論上極高的取樣頻寬

標(biāo)準(zhǔn)的DSD音樂使用2.8224MHz取樣頻率，理論上能夠記錄最高到1411.2kHz〈取樣頻率的一半〉的聲音，相較于傳統(tǒng)CD使用的44.1kHz取樣頻率，這讓DSD格式擁有非常寬廣的取樣頻寬，即便和目前錄音室常見的高規(guī)格24bit/192kHz PCM錄音相比〈取樣頻寬最高達(dá)96kHz〉，DSD也擁有超過14倍之多的取樣頻寬。

2.優(yōu)勢的動(dòng)態(tài)范圍〈0~20kHz〉

DSD信號經(jīng)由高頻噪聲整形〈noise shaping〉電路處理，將DSD帶有的高頻噪聲，提升到超越人耳聆聽范圍外的頻率后，在0~20kHz的頻率范圍內(nèi)，DSD擁有理論數(shù)據(jù)上高達(dá)150db的動(dòng)態(tài)范圍，相較于16 bits/24 bits PCM編碼的96db/144db動(dòng)態(tài)范圍，DSD編碼理論上擁有更好的動(dòng)態(tài)范圍〈0~20kHz〉。

▲DSD和PCM編碼比較，紅色框格內(nèi)代表24/96kHz PCM編碼可記錄的范圍，橘色為24/192kHz，綠色為24/384kHz可記錄范圍，24bit的PCM信號底噪坐落在記錄范圍之外，理論上小于-144db；藍(lán)色線為2.8224MHz DSD在不同頻率范圍的底噪示意圖，可以發(fā)現(xiàn)在大約30kHz后，DSD編碼的底噪急遽上升，在接近極限頻率時(shí)達(dá)到大約-6db的響度。

3.更小的音樂容量

DSD編碼在儲存容量上也具有一定的優(yōu)勢，隨著音質(zhì)的提高，PCM音樂的檔案大小可以說是指數(shù)型成長。而DSD由于編碼上的優(yōu)勢，在標(biāo)準(zhǔn)的2.8224MHz取樣頻率下，DSD的檔案容量只約略超過24/96kHz的PCM音樂一些。這使得DSD不論是在儲存或是網(wǎng)絡(luò)下載，都比PCM格式來得有優(yōu)勢。

4.除了上列的優(yōu)勢之外，DSD音樂在播放時(shí)還具有無取樣頻率限制、直接支持DAC主要時(shí)鐘和長傳輸距離的優(yōu)點(diǎn)。

DSD編碼缺點(diǎn)

上面提完DSD的主要優(yōu)勢，但就跟多數(shù)的規(guī)范一樣，DSD也有其無法克服的技術(shù)缺點(diǎn)。而且這些實(shí)際操作上的缺點(diǎn)，反倒嚴(yán)重的抵銷DSD上述的優(yōu)勢，并且在大多數(shù)情況下還產(chǎn)生更多的問題，底下就讓筆者來介紹一下DSD編碼相較于PCM編碼有甚么樣的缺點(diǎn)。

1.實(shí)際上較窄的頻率范圍

標(biāo)準(zhǔn)的DSD編碼有一個(gè)先天的缺點(diǎn)，相較于CD規(guī)格的16bit/44.1kHz的-96db〈16*6db〉底噪來說，DSD的底噪高達(dá)-6db，這個(gè)現(xiàn)象在實(shí)際測量上也可以觀察到。DSD編碼在超過20kHz的時(shí)候，會產(chǎn)非常大量的高頻噪聲，如果不將這些噪聲移除，將會對后端的音響器材造成傷害。所以必定需要經(jīng)過濾波技術(shù)的處理，現(xiàn)在的處理方式是利用噪聲整形電路，將噪聲移到人耳聆聽范圍外〈>20kHz〉。

但這也說明后續(xù)就要由低通濾波器將這些噪聲移除，由Sony的規(guī)范書來看，DSD信號必須經(jīng)由一個(gè)截?cái)帱c(diǎn)為50kHz的低通濾波電路處理移除高頻噪聲。這使得現(xiàn)實(shí)上在播放時(shí)能使用的最大頻率范圍，大約只比30kHz高一點(diǎn)點(diǎn)，這直接影響到DSD其中一個(gè)優(yōu)勢：「理論上極高的取樣頻寬」。為了減少高頻噪聲的問題，目前最新的DSD檔案都使用雙倍的取樣頻率〈DSD128〉，理論上藉由噪聲整形電路，能夠?qū)⒏哳l噪聲推到更高的頻率范圍，但實(shí)際上還是無法解決通過低通電路后實(shí)際能用的頻率范圍。

2.檔案經(jīng)過多次格式轉(zhuǎn)換

由于DSD編碼是一種單位元的記錄格式，使得DSD音訊幾乎完全無法利用現(xiàn)在的音訊設(shè)備來編輯，因此在音樂后制的時(shí)候，DSD音訊還是必須被轉(zhuǎn)換成PCM音訊來編輯。目前的DSD音樂編輯模式，是先將DSD轉(zhuǎn)換成Digital eXtreme Definition〈DXD〉格式，DXD本質(zhì)上就是352.8kHz / 24bit的PCM編碼音訊，等后制和音樂編輯完畢后，再轉(zhuǎn)換為DSD信號。因此DSD音樂檔案反倒同時(shí)繼承DSD和PCM的缺點(diǎn)，并且在多次的轉(zhuǎn)換過程中，還會額外導(dǎo)入另一層的高頻噪聲，這使得DSD原本希望移除PCM編碼缺陷的初衷，完全不存在現(xiàn)在的DSD音樂中。

3.相對高解析PCM編碼沒有顯著優(yōu)勢

DSD編碼當(dāng)初的比較目標(biāo)大多是CD規(guī)格的PCM音訊，但在高分辨率的PCM音訊流行的當(dāng)下，高分辨率PCM音訊實(shí)際可用的取樣范圍和噪聲控制能力，完全優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的DSD格式。為了解決這個(gè)問題，剛剛提到雙倍取樣的DSD128音訊就此誕生，雖然可以些微的降低DSD噪聲過高的問題，但單位元編碼先天上的缺陷依然存在，并且雙倍取樣的DSD128音樂檔案大小，對比高解析PCM音訊來說，也變得沒有儲存容量上的優(yōu)勢。

4.硬件支持度不廣泛

DSD處理對于目前已經(jīng)習(xí)慣PCM音樂已久的音樂制作公司來說，必須投入額外的成本才能進(jìn)行后制，所以嚴(yán)重的影響到DSD格式的推廣。此外目前市面上絕大多數(shù)支持DSD播放的DAC，是將DSD音訊重新編碼回PCM信號的方式來播放，只有非常少部分的DAC支持原生播放DSD音樂。除此之外，DSD傳輸并沒有被大多數(shù)傳輸規(guī)范所納入，像是USB Audio 2.0和Mac平臺的特性規(guī)范中，音訊傳輸就只有標(biāo)準(zhǔn)PCM一種格式。

好在最近被推廣DSD-over-PCM〈DoP〉傳輸規(guī)范解決這部分的問題，這個(gè)傳輸規(guī)范使用24bit/ 176.4kHz PCM傳輸來包裝DSD信號，利用前面8個(gè)位來當(dāng)做DSD的標(biāo)記。又由于2.8224MHz取樣的DSD音訊數(shù)據(jù)量相當(dāng)于16bit/176.4kHz的PCM音訊數(shù)據(jù)量，所以后面的16位就可以用來包裝DSD音訊，讓有能力的硬件廠商自行研發(fā)DSD解決方案，并且也讓不支持DSD傳輸?shù)膇OS系統(tǒng)有機(jī)會播放DSD音樂。當(dāng)然這樣的傳輸規(guī)范也有它的缺點(diǎn)，那就是由于數(shù)據(jù)是藉由PCM信號的方式包裝，如果硬件誤判DSD為PCM信號時(shí)，就會在88kHz的地方產(chǎn)生一個(gè)大約-34db的雜音，并且播放DSD的相關(guān)操作和設(shè)定過程相當(dāng)繁雜，所以DSD音樂規(guī)格還是相對地不普及。

▲利用16/176.4kHz PCM格式包裝標(biāo)準(zhǔn)DSD音訊的示意圖，前8個(gè)位為識別標(biāo)簽，后面16位為DSD編碼信號。

小結(jié)

至此，相信大家對DSD編碼格式都有了一定程度的了解，也許有人會問說：既然DSD有那么多不便和缺點(diǎn)，為什么最近突然有一群廠商在推廣DSD音樂格式？

小靈只能且必須這樣說：沒有一個(gè)格式是沒有缺點(diǎn)的，要看實(shí)際使用和市場的反應(yīng)。關(guān)于DSD近年風(fēng)頭旺盛，推測是DSD規(guī)范出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)超過十年（國際上大部分的技術(shù)類專利有效期限是十年），所以基本上DSD格式現(xiàn)在已經(jīng)成為一個(gè)開放式規(guī)格。其次目前主力的推廣DSD的公司，是當(dāng)初開發(fā)DSD規(guī)格的Andreas Koch所任職的Playback Design，自然會希望能夠?qū)SD音樂推廣開來。

反倒是制造業(yè)界用于轉(zhuǎn)換DSD與PCM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的瑞士數(shù)位音樂公司W(wǎng)eiss的老板Daniel Weiss，在兩年前發(fā)表了一份簡短的DSD白皮書，很明白的點(diǎn)出DSD無法后制處理，一定要先轉(zhuǎn)換為PCM信號，才能進(jìn)行必要的后制工作。所以在錄音階段，Weiss推薦還是先用PCM格式儲存聲音信號比較實(shí)際。

再順道回過頭看一下當(dāng)初制定DSD規(guī)范的Sony，目前和日本音響協(xié)會一同制定新的「Hi-Res」認(rèn)證，仔細(xì)閱讀其內(nèi)部規(guī)范后，可以發(fā)現(xiàn)雖然DSD同樣被視為高解析音源，但是在高解析音源的定義中，并沒有對DSD格式做特別著墨，可以推敲出Sony對這個(gè)已經(jīng)失去專利主導(dǎo)權(quán)的音訊格式的態(tài)度。

但總體而言，DSD和PCM誰好誰壞并不是真正的重點(diǎn)，它們都只是儲存音樂的一種格式，重要的還是里面所包含的音樂。因?yàn)橐魳返母袆?dòng)并不是靠音樂儲存格式來決定，只要一個(gè)儲存格還有足夠的人在繼續(xù)使用，就有它被保留的意義存在。至于DSD和PCM到底誰會成為未來格式的霸主？就讓音樂制作公司來煩惱吧。