你不可不知的DAC
Warwick Acoustics
前言
在说明DAC为何物之前，请先想像一个画面，喜爱的歌手在录音室中高唱着新歌，而你现在正用电脑播放着歌曲，从录制音乐到播放音乐的过程中，实际上是将类比音源录制成数位信号，再由数位信号转换回类比音源的过程，在一边享受音乐的片刻，也一边来了解DAC在这转换过程中所扮演的角色吧！
类比信号vs. 数位信号
DAC（ Digital to Analog Converter）又称为数位类比转换器，不论以CD、电脑或手机播放数位音乐文件，都必须经由DAC的处理，才能将信号送至放大器进行放大，再透过喇叭将美妙的音乐播放出来。
「类比信号」与「数位信号」的原理是什么，彼此之间又有哪些差异，究竟哪一种系统比较好呢？所谓的同步模式与非同步模式是怎么一回事？USB DAC又是什么神兵利器？且让我们来一探究竟。
为了复制生活中的各种美好体验，人们发明了许多工具来记录影像、声音，早期的工具皆以「类比（Analog）」的形式记录，如底片相机、黑胶唱片、卡式录音带等。近年来，由于数位产业的兴起，人们转而拥抱各种「数位（Digital）」工具，数位相机、CD、MP3 逐渐取代过往冲洗底片、将卡带换面的回忆。
究竟什么是「类比信号」，什么是「数位信号」呢？说明白点，「类比」其实就是类比信号不论在时间、空间与强度上都是连续的，每一个时间点都有相对应的信号。造物者所创造出来的世界，诸如这样说明或许还是有点抽象，可用图像来理解两种信号的差异。图1左为类比的影像，色彩是连续的，日常所见的自然美景以及相机底片皆属于类比影像；中间则是以数位方式呈现的影像，将原始的影像切割成许多小区块，并在区块中填入单一色彩，借此还原出真实的影像，电脑萤幕呈现的画面即为数位影像。
与真实的景象相比，要表现自然的渐层色彩，数位的呈现方式似乎略显不足，但若能用更多的信息量记录彩虹的轨迹，借由更细的宽度、更多的颜色与层次去描绘色彩的变化，数位影像便可十分逼近类比影像，呈现出如图1右方的效果，肉眼几乎难以分辨两者的差异。
回到主题，数位、类比音信转换的方式与图像原理是相同的，只要借由更精细的层次去分割与组合，数位信号经过转换一样可以达到几可乱真的声音表现，这一切成败与否与DAC息息相关，以下将更进一步的说明类比音信与数位音信的差异，以及两者之间如何转换。
类比音信的录制与播放
真实的声音信号是一连串连续的「压力」变化，压力变化速度越快，表示声音信号频率越高，而声音信号的振幅越大，其响度越大（如下图）。
因此，记录类比音信必须含有两大信息—「时间与振幅」，人们绞尽脑汁研发技术，便是为了能精确地记录并重播这两大信息。
早期的类比录音工程利用机械式或电磁学技术，将音信波形一五一十地刻在黑胶唱盘上，轨迹记录下「振幅」信息、旋转速度则记录「时间」信息，属于类比的记录方式。播放黑胶唱片时，重播速度必须与原先的录制速度相同，如果播放时改变了速度，就等于改变了原来音信的频率，而音轨之起伏越接近原来的音信波形，振幅的忠实度也就越高。
唱针依靠细微的振动还原唱片上记录的声音波形，那些波形都是我们肉眼看不到的超微小刻痕（如上图）。在黑胶母带刻制、压制量产、唱针循轨重播等每一步骤里，只要有任何额外的振动、细微的灰尘或转速上的些微差异，都会构成原有音信波形里没有的变异部分，也就会造成声音的失真。
类比信源的听感自然宽松，十分迷人，只是聆听环境的限制条件多，进入门槛较高，且难以完美复制。因此，播放简单、传输不易失真、容易保存与编辑的数位信源逐渐变成当今音源制作的主流。要将类比信号数位化是一个复杂的过程，而如何将数位信号还原回类比信号又是另一门学问。以下简单介绍声音信号是如何被数位化记录保存，而硬邦邦的数位信号，又是如何转变为我们耳朵里听见的美妙音符。
类比音信的数位化
数位音信与类比音信相同，在记录时必须同时保存原有的时间与振幅两大信息。将音信数位化最常使用的方法为「脉冲编码调变（Pulse Code Modulation, PCM）」，包括下列3 个步骤：
所谓「取样」，是依据特定的时间单位，把音信切割成每秒数千到数万个片段，并选取音信里的时间信息（如上图中绿线）；而「量化」则是把每一个取样点的振幅信息记录下来，并以数字表示（如上图的蓝点）；「编码」则是把数字，转化成电脑看得懂的「0101…」以方便记录和保存。
由此可知，「取样」保留了时间信息，「量化」则保留了振幅信息。在声音信号收录时，将类比信号数位化的机器称为「ADC」（Analog to Digital Converter，类比数位转换器）。音信数位化的文件是一连串的二进位编码数值，播放时须经由「DAC」（Digital to Analog Converter，数位类比转换器）将数位信号重新转换成连续的类比信号，才能将信号送入放大器进行放大，再透过单体（喇叭）播放出来。
DAC 会将这些「字组」以同一参考时序转换，形成相对的电压或电流，再经过低通滤波器将信号波形变得滑顺，恢复成原本的类比音信波形。可由下图来了解类比音信经过转换，变为二进位编码数值，再转换回类比音信的过程。
取样量化与编码
收录音信时取样的速度称为「取样率」，单位是Hz，取样率44.1 kHz 代表每秒钟对音乐取样了44,100 次。取样率越高，所记录的音信波形就越接近原始信号。如果希望能完整地记录所求的信号频宽，则人类听觉的频宽约为20 Hz－20 kHz，理论上，以40 kHz 以上的速度对声波进行取样，便能还原出20 kHz 以下的声波。经过取样后，必须把每一个取样点的振幅信息记录下来，量化的级距分得越细，记录到的振幅信息就越接近原本的波形。由于电脑只看得懂0和1，量化后，必须再把十进位的数值转换成电脑看得懂的0跟1。
一个0 或1 称为1 bit（位元），2 bit 的0 跟1 可以表现出21,677 万种阶层，这惊人的数字代表了数位记录时可达到的细微程度，正如前面所提到的图形概念，音信记录时使用的位元数越多，其在声音上的「解析度」也越高。
观察量化级距分成4 阶与8 阶所得到的波形（上图的蓝色线条），可看出取样率越大、量化级距越细，则失真越小，所得到的波形也越完整。
现今的数位录音技术已可达384 kHz / 32 bit，而半导体厂商也已经有对应的768 kHz / 32 bit 的ADC芯片，由于以96 kHz / 24 bit 或192 kHz / 24 bit 所录制出来的音质已经非常优异，目前录音工程多使用此规格。然而，以96 kHz / 24 bit 或192 kHz / 24 bit 录制出来的音乐，所占的记忆体容量非常庞大，受限于储存媒介的容量限制，当转录制到CD 时，文件规格会降至44.1 kHz / 16 bit。
理论上，44.1 kHz 的取样率已可还原人耳所能听见的最高音，不过，人耳虽然听不见20 kHz 以上的声波，却能感觉到细微的差异。经过实验证实，以96 kHz 甚至是更高的取样率所录制出来的音乐，音乐听起来会更开朗透明，可有效提升整体的音质，此外，在收录时提高取样率，也可确保20 kHz 以下的频段能更完美地被保存下来。
由于科技进步，许多玩家早已不满足于CD的音质，线上音乐商店纷纷推出比CD更高规格的母带音乐。不过，有了96/192 kHz、24 bit 高取样高解析的数位音乐，也要有同等级的DAC 把它解码还原成类比信号才行，因此，购买时要特别注意DAC 可支援的取样率与声音解析度，不然空有高规格的信源也是白忙一场。
如前所述，取样率与解析度固然是越高越好，但高取样率与高解析度伴随而来的就是较大的资料量，需要较大的记忆体来储存。以一首双声道录制、长度4分钟的歌曲为例，96 kHz/24 bit录制出来的音乐所占的记忆体容量高达138MB，就算是44.1 kHz/16 bit，也需要42MB 的记忆体空间。一般的随身装置并没有那么大的储存空间，为了可以储存更多的歌曲，各种数位音乐文件的压缩技术便应运而生。
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https://pansci.asia/archives/106307《音响入门志》
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