DVD和相關的光學媒體，以及磁碟機容量的快速成長，已提高了高階AV系統的門檻。就傳統的CD播放機而言，電子產業的進展重點在於整體的清晰品質，此品質卻受限於碟片資料的解析度，之後的發展則鎖定於元件成本的降低。在今日，便宜、龐大的資料儲存已突破了此一瓶頸，也使得更高性能水準的新格式得以出現。要達到更高的音質，其關鍵在於類比及混合信號電路，例如類比數位轉換器(ADC)、數位類比轉換器(DAC)以及放大器。
媒體及資料格式
在相同的尺寸下，4.7 GB的DVD所提供的原始資料儲存容量是音訊CD的七倍，而現在更推出更高階的HD-DVD以及藍光碟片。磁碟機也日趨普遍，其容量已可達到數百GB。在此同時，開始出現許多失真及無失真壓縮演算法，以更有效率地利用這些實體媒介。增加的資料容量不僅能延長錄放時間，而且能讓音訊的錄製更為精確。新的格式能提供多聲道環繞音響，以及在解碼音訊串流中提供更高的取樣率和資料解析度。
CD播放機在取樣率為44.1 kHz，解析度為16 bit時，僅能讀取兩聲道；而音訊DVD在每一取樣24 bits，且支援取樣率高達192kHz的情況下，則能讀取六聲道。兩者的MLP(Meridian無失真壓縮技術)壓縮演算法皆是採用無失真技術，能完全再生錄音的每一個細節。另一方面，以MPEG-4格式進行編碼的視訊DVD，在音訊部分採用AAC壓縮，取樣率為96kHz，樣本解析度則視AAC解碼器的工作而定。這些相同的格式也適用於硬碟機。然而，這些數字所代表的聲音品質究竟如何呢？
真實的類比
每個人對於聲音的喜好是相當主觀的。一些測量數據，包括頻寬、信噪比(SNR)以及總諧波失真(THD)等，都會影響聽覺的品質。
數位音訊系統的頻寬與取樣直接相關：能被錄製的最高信號頻率為Nyquist頻率，其為取樣率的一半。當Nyquist範圍高達96kHz後，新的媒體格式的頻寬便擴展至超音速的範圍。儘管20kHz頻率以上的聲音本身是無法被聽到的，它們卻造就了更為精確的再生信號相位，這在聽覺中扮演了相當決定性的角色。在多聲道系統中，高頻寬能打造更佳的空間位置分佈。然而，唯有在信號鏈中的每一個部分（包括ADC、DAC、放大器及揚聲器）皆具有相同的高頻寬時，這些好處才會落實。
數位音訊系統的SNR受限於樣本解析度：使用越多的位元數去呈現每一音訊樣本，則其再生就會越精確。量化誤差（原始信號與其數位再生信號間的誤差）會產生一個每增加一位元解析度，其強度便減少6db的雜訊階層。因此，在16位元解析度時，可以達到的最佳信噪比為96dB，在20位元時為120 dB，24位元時為144 dB。然而，這些都只是理論上的數據。在實際情況中，類比線路還會有熱雜訊及閃爍雜訊。因此，一個DAC或ADC的資料解析度通常與其真正的效能無關，真正相關的是SNR。「等效位元數」(ENOB)是計算自被測量到的SNR，說明在每一個取樣中有多少資料位元數於噪音中遺失。再進一步檢視信號鏈，每一個類比層級會增加更多的噪音，系統的整體性能會受限於雜訊最大的那個元件。
圖1 典型DVD系統中的錄放信號途徑 – 每一層級皆會增加雜訊，扭曲信號或是限制其頻寬(僅顯示一個聲道)
諧波失真與數位音訊格式並非直接相關。基本上，它是發生於類比電路，且如前所述，整體的總諧波失真是由最弱的環節來決定。在信號鏈的每一環節中都能達到低失真，如此才能展現高效能。
錄製
從唯讀到可記錄和可複寫媒體，例如DVD RW, DVD+RW，以及將近兆位元組的硬碟機，使得低成本的數位家庭錄影成為可行。典型的DVD錄影機具有類比及數位輸入，以錄下來自電視機、攝影機和VHS卡匣式錄影機等來源的聲音及影像。自從消費者希望家庭錄影的品質能與商店所販售的預錄碟片相同後，用來錄製的信號鏈就必須達到與播放時相同的效能 。再強調一次，影響品質的因素不再是資料格式，而是類比及混合信號電路。
混合信號- 品質的關鍵
在今日，音質的瓶頸所在正是ADC, DAC以及周邊的類比電路。為了充分發揮今日數位媒體播放器的潛力，這些電路必須達到極佳的SNR，低總諧波失真，以及更大的頻寬。邁向高階音質的第一步，就是在晶片層級上將類比及混合信號電路與數位電路分開，使其採用不同的IC製程。採用先進製程的數位電路（如MPEG解碼器），對類比電路而言卻通常是有弊無益的。特別是對數位電路而言，先進的CMOS製程帶來更小的電晶體，以及更低的供應電壓，如此能大幅度地降低成本及功耗；然而，這些特性卻會讓類比電路出現更大的雜訊。
再者，新製程的特性通常並不完整，難以進行精確的模擬，而這對於最佳化類比電路是相當必要的。因此，為避免性能打折，最好的方法便是將類比及混合信號電路放在另一顆IC上，並採用較高壓的CMOS製程將更為合適。此種音訊IC的例子之一為Wolfson最近推出的WM8590，其提供高效能的立體錄放音效。
音量控制及SNR
將系統切割開來的另一個重要考量則是音量控制。雖然如同類比電路一般，此功能也可以由數位電路來處理，但是兩種方式的結果卻不相同。在數位電路上衰減播放信號，對於DAC及之後的層級所增加的雜訊並沒有改善，因為在一定的時間內，這些雜訊是固定不變的，隨著信號音量的降低，SNR會逐漸惡化。為避免此情況，音量控制必須由類比電路來處理，如此先前所增加的任何雜訊便會降低。然而，對於「靜音漸回功能」而言，數位衰減仍是有用的，藉由此功能，系統會漸進的降低或調高信號的音量。
在錄音方面，當類比輸入的信號強度接近ADC的最大水準時，便能達到最佳的SNR。因此，較弱的輸入信號必須在ADC之前便由類比電路加以放大，而非數位電路。其中要注意的是，此放大不得超過ADC的範圍，否則將造成信號超載。峰值限幅器可避免超載的情形發生，其在信號水準變得太高之前，可減少類比放大器的增益。另一種選擇則是自動音量控制(ALC)，對於某些音訊信號而言，這是一個有用的選擇。不同於限制峰值，但一樣能在信號強度較低時增加前放大器的效能。
WM8590具有低雜訊類比前放大器以滿足這些要求，放大器的增益由主處理器控制，或是由整合的峰值限幅器或ALC所控制。另外在播放方面，同樣也提供靜音漸回功能。
EMI和差動信號
並非所有的雜訊都源自於信號鏈的元件。數位電路、交換式電源供應器或是無線傳輸設備都會產生電磁波干擾(EMI)，這會造成鄰近類比電路的雜訊突起。即使EMI是發生在音訊頻寬外的頻率上，時脈信號互調仍會產生可聽見的低頻率信號。良好的PCB佈局能解決此問題：如果類比信號路徑較短，且距離EMI來源較遠，則EMI的問題將會減少。另一個降低EMI的方法是藉由在信號路徑的每一側接地，並在銅層之上或之下創造接地面，以保護類比信號。
然而，最有效的解決方法還是差動信號。利用兩個完全相同，但具有不同極性的信號，以取代一個單端的電路。在一個對稱佈局中，兩個路徑相鄰運作，則相同的EMI突波會被導進這兩個信號中。這兩個信號間的接收側不同，因此EMI得以抵銷。共模拒斥比(CMRR)越高，則抑制EMI的效果就越好。使用兩個鏡像信號也能增大有效訊號，故任何殘餘的雜訊都會變得較不明顯。
WM8590在類比輸入及輸出部分使用差動信號，使得信號電路能有效抑制EMI雜訊。類比輸入/輸出接口的緩衝器應盡可能放在靠近接口的地方，藉由此接口和緩衝器之間極為敏感的連接得以縮短，鑑於標準音訊輸入/輸出插座的設計，其必須保持單端的型態。
電源供應
電源軌提供了另一個路徑，讓外來雜訊得以進入類比電路。供電電壓中的波動是由電源供應器本身及數位和類比電路所引起的。類比電路具有電源拒斥比(PSRR)，能隔離輸出信號，使其免受此波動影響。一般都希望能有較高的PSRR，因為它可以減少雜訊穿越。然而，引用某一特定頻率的PSRR數字不太具有意義，因為整個信號頻寬都需要較高的PSRR。
此外，電源雜訊應在源頭處便加以抑制。線性電源供應器有低頻電源線漣波，而交換式電源供應則會產生高頻交換式雜訊，兩者都可藉由使用適當的穩壓器和存除電容器加以大舉消除。數位電路一樣會在寬頻下產生交換式雜訊。對策之一即是將類比電路的電源供應與接地和數位電路所使用的分開，因為那些地方正是大部分雜訊的來源。而在「吵雜」的數位IC旁的去耦電容器能讓其交換式雜訊在傳導至電源軌之前便發生短路。
類比電路亦會將漣波導入其自身的電源供應，這常常便是諧波失真的原因之一。每一電源供應器皆有一內部阻抗，當電流輸出時，便能降低它的電壓。在信號達到峰值時，許多類比電路都需要更多的電流，而唯有當此需求達到最高時，才會稍微降低其供應電壓。結果造成了電路輸出的峰值低於其該有的數值，因此音訊波形被扭曲了。減少電壓阻抗可減輕此種類型的失真，且並非僅限於DC，而是遍及至放大器的整個頻寬範圍。低雜訊穩壓器和儲存電容器的結合可達到最佳的效果。在穩壓器頻寬範圍外的高頻，電容器的等效串聯電阻(ESR)成為供電內部阻抗的一部份，因此低ESR電容器能展現較佳的效能。在PCB上的寄生電阻及電感是不利於音質的，應該藉由將存儲電容器置放在消耗電流處的附近，以減輕其影響。
時脈
在數位聲音再生中，時脈信號是一個常常會被忽略的因素。被使用於DAC或ADC的時脈是做為時序的參照；就像是要取得精確的間隔量化位準，穩定的電壓參照是不可或缺的一般。時脈會決定信號樣本的時間間隔精確程度。時脈抖動會造成樣本時序的變異，信號的波形將會因此而改變。若此抖動在本質上為隨機的，則會形成雜訊而被聽見；若是與音訊信號相關，則會造成失真。
圖2 將數位信號轉換回類比信號 - 較高的解析度(更多的量化位準)和/或較快的取樣能減少量化誤差。時脈抖動造成更多的誤差。
對於時脈抖動的靈敏度而言，DAC和ADC的架構是不同的。事實上，對於現今大部分的媒體播放器而言，超取樣積分三角技術是唯一在商業上可行的選擇。就如同Wolfson在其音訊IC中所採用的多位元架構，比起單位元方法更能容忍時脈抖動。低抖動時脈源無疑是最重要的因素。若時脈恢復需要藉助外部來源（例如光纖S/PDIF連接），則可使用鎖相迴路消除其抖動。就如同對類比信號的保護一樣，必須盡可能地保護時脈源與DAC或ADC的連接，使其不受干擾。
另一個與時脈相關的議題，則是系統需支援一種以上的取樣率。由於光碟所使用的音訊編碼方式相當多元，這已成為現今DVD系統必須正視的問題。許多的失真壓縮演算法是在頻率區域內呈現音訊信號，這讓解碼器可以決定原始以及解碼資料的取樣率。就DVD碟片而言，資料是存放在時序區域，其取樣率固定為96kHz或192kHz；而傳統的CD格式則需支援44.1kHz的取樣率，這可能會難以落實，因為此頻率與其他常用的取樣率並非簡單的等比例關係。對於需在同一時間使用兩種不同取樣率的系統而言（例如在將類比音源燒錄至硬碟的同時，還同步播放碟片），這些問題更是嚴重。
WM8590為少數能針對整合的ADC和DAC提供完全獨立時脈的音訊IC，這讓雙軌運作可以實現。結合其差動架構、高SNR、低失真，以及強大的電源供應抑制，這些功能將各種與媒體格式有關的優點，轉換為實際的、聽覺上的音質提升。
作者簡介:Duncan Macadie於2004年加入Wolfson擔任技術行銷工程師，專注於Wolfson的消費性音訊產品線。在此之前，其於安捷倫擔任類似的工作。他擁有英國斯傑克萊大學(the University of Strathclyde)電子暨電機工程的碩士學位。
媒體及資料格式
在相同的尺寸下，4.7 GB的DVD所提供的原始資料儲存容量是音訊CD的七倍，而現在更推出更高階的HD-DVD以及藍光碟片。磁碟機也日趨普遍，其容量已可達到數百GB。在此同時，開始出現許多失真及無失真壓縮演算法，以更有效率地利用這些實體媒介。增加的資料容量不僅能延長錄放時間，而且能讓音訊的錄製更為精確。新的格式能提供多聲道環繞音響，以及在解碼音訊串流中提供更高的取樣率和資料解析度。
CD播放機在取樣率為44.1 kHz，解析度為16 bit時，僅能讀取兩聲道；而音訊DVD在每一取樣24 bits，且支援取樣率高達192kHz的情況下，則能讀取六聲道。兩者的MLP(Meridian無失真壓縮技術)壓縮演算法皆是採用無失真技術，能完全再生錄音的每一個細節。另一方面，以MPEG-4格式進行編碼的視訊DVD，在音訊部分採用AAC壓縮，取樣率為96kHz，樣本解析度則視AAC解碼器的工作而定。這些相同的格式也適用於硬碟機。然而，這些數字所代表的聲音品質究竟如何呢？
真實的類比
每個人對於聲音的喜好是相當主觀的。一些測量數據，包括頻寬、信噪比(SNR)以及總諧波失真(THD)等，都會影響聽覺的品質。
數位音訊系統的頻寬與取樣直接相關：能被錄製的最高信號頻率為Nyquist頻率，其為取樣率的一半。當Nyquist範圍高達96kHz後，新的媒體格式的頻寬便擴展至超音速的範圍。儘管20kHz頻率以上的聲音本身是無法被聽到的，它們卻造就了更為精確的再生信號相位，這在聽覺中扮演了相當決定性的角色。在多聲道系統中，高頻寬能打造更佳的空間位置分佈。然而，唯有在信號鏈中的每一個部分（包括ADC、DAC、放大器及揚聲器）皆具有相同的高頻寬時，這些好處才會落實。
數位音訊系統的SNR受限於樣本解析度：使用越多的位元數去呈現每一音訊樣本，則其再生就會越精確。量化誤差（原始信號與其數位再生信號間的誤差）會產生一個每增加一位元解析度，其強度便減少6db的雜訊階層。因此，在16位元解析度時，可以達到的最佳信噪比為96dB，在20位元時為120 dB，24位元時為144 dB。然而，這些都只是理論上的數據。在實際情況中，類比線路還會有熱雜訊及閃爍雜訊。因此，一個DAC或ADC的資料解析度通常與其真正的效能無關，真正相關的是SNR。「等效位元數」(ENOB)是計算自被測量到的SNR，說明在每一個取樣中有多少資料位元數於噪音中遺失。再進一步檢視信號鏈，每一個類比層級會增加更多的噪音，系統的整體性能會受限於雜訊最大的那個元件。
圖1 典型DVD系統中的錄放信號途徑 – 每一層級皆會增加雜訊，扭曲信號或是限制其頻寬(僅顯示一個聲道)
諧波失真與數位音訊格式並非直接相關。基本上，它是發生於類比電路，且如前所述，整體的總諧波失真是由最弱的環節來決定。在信號鏈的每一環節中都能達到低失真，如此才能展現高效能。
錄製
從唯讀到可記錄和可複寫媒體，例如DVD RW, DVD+RW，以及將近兆位元組的硬碟機，使得低成本的數位家庭錄影成為可行。典型的DVD錄影機具有類比及數位輸入，以錄下來自電視機、攝影機和VHS卡匣式錄影機等來源的聲音及影像。自從消費者希望家庭錄影的品質能與商店所販售的預錄碟片相同後，用來錄製的信號鏈就必須達到與播放時相同的效能 。再強調一次，影響品質的因素不再是資料格式，而是類比及混合信號電路。
混合信號- 品質的關鍵
在今日，音質的瓶頸所在正是ADC, DAC以及周邊的類比電路。為了充分發揮今日數位媒體播放器的潛力，這些電路必須達到極佳的SNR，低總諧波失真，以及更大的頻寬。邁向高階音質的第一步，就是在晶片層級上將類比及混合信號電路與數位電路分開，使其採用不同的IC製程。採用先進製程的數位電路（如MPEG解碼器），對類比電路而言卻通常是有弊無益的。特別是對數位電路而言，先進的CMOS製程帶來更小的電晶體，以及更低的供應電壓，如此能大幅度地降低成本及功耗；然而，這些特性卻會讓類比電路出現更大的雜訊。
再者，新製程的特性通常並不完整，難以進行精確的模擬，而這對於最佳化類比電路是相當必要的。因此，為避免性能打折，最好的方法便是將類比及混合信號電路放在另一顆IC上，並採用較高壓的CMOS製程將更為合適。此種音訊IC的例子之一為Wolfson最近推出的WM8590，其提供高效能的立體錄放音效。
音量控制及SNR
將系統切割開來的另一個重要考量則是音量控制。雖然如同類比電路一般，此功能也可以由數位電路來處理，但是兩種方式的結果卻不相同。在數位電路上衰減播放信號，對於DAC及之後的層級所增加的雜訊並沒有改善，因為在一定的時間內，這些雜訊是固定不變的，隨著信號音量的降低，SNR會逐漸惡化。為避免此情況，音量控制必須由類比電路來處理，如此先前所增加的任何雜訊便會降低。然而，對於「靜音漸回功能」而言，數位衰減仍是有用的，藉由此功能，系統會漸進的降低或調高信號的音量。
在錄音方面，當類比輸入的信號強度接近ADC的最大水準時，便能達到最佳的SNR。因此，較弱的輸入信號必須在ADC之前便由類比電路加以放大，而非數位電路。其中要注意的是，此放大不得超過ADC的範圍，否則將造成信號超載。峰值限幅器可避免超載的情形發生，其在信號水準變得太高之前，可減少類比放大器的增益。另一種選擇則是自動音量控制(ALC)，對於某些音訊信號而言，這是一個有用的選擇。不同於限制峰值，但一樣能在信號強度較低時增加前放大器的效能。
WM8590具有低雜訊類比前放大器以滿足這些要求，放大器的增益由主處理器控制，或是由整合的峰值限幅器或ALC所控制。另外在播放方面，同樣也提供靜音漸回功能。
EMI和差動信號
並非所有的雜訊都源自於信號鏈的元件。數位電路、交換式電源供應器或是無線傳輸設備都會產生電磁波干擾(EMI)，這會造成鄰近類比電路的雜訊突起。即使EMI是發生在音訊頻寬外的頻率上，時脈信號互調仍會產生可聽見的低頻率信號。良好的PCB佈局能解決此問題：如果類比信號路徑較短，且距離EMI來源較遠，則EMI的問題將會減少。另一個降低EMI的方法是藉由在信號路徑的每一側接地，並在銅層之上或之下創造接地面，以保護類比信號。
然而，最有效的解決方法還是差動信號。利用兩個完全相同，但具有不同極性的信號，以取代一個單端的電路。在一個對稱佈局中，兩個路徑相鄰運作，則相同的EMI突波會被導進這兩個信號中。這兩個信號間的接收側不同，因此EMI得以抵銷。共模拒斥比(CMRR)越高，則抑制EMI的效果就越好。使用兩個鏡像信號也能增大有效訊號，故任何殘餘的雜訊都會變得較不明顯。
WM8590在類比輸入及輸出部分使用差動信號，使得信號電路能有效抑制EMI雜訊。類比輸入/輸出接口的緩衝器應盡可能放在靠近接口的地方，藉由此接口和緩衝器之間極為敏感的連接得以縮短，鑑於標準音訊輸入/輸出插座的設計，其必須保持單端的型態。
電源供應
電源軌提供了另一個路徑，讓外來雜訊得以進入類比電路。供電電壓中的波動是由電源供應器本身及數位和類比電路所引起的。類比電路具有電源拒斥比(PSRR)，能隔離輸出信號，使其免受此波動影響。一般都希望能有較高的PSRR，因為它可以減少雜訊穿越。然而，引用某一特定頻率的PSRR數字不太具有意義，因為整個信號頻寬都需要較高的PSRR。
此外，電源雜訊應在源頭處便加以抑制。線性電源供應器有低頻電源線漣波，而交換式電源供應則會產生高頻交換式雜訊，兩者都可藉由使用適當的穩壓器和存除電容器加以大舉消除。數位電路一樣會在寬頻下產生交換式雜訊。對策之一即是將類比電路的電源供應與接地和數位電路所使用的分開，因為那些地方正是大部分雜訊的來源。而在「吵雜」的數位IC旁的去耦電容器能讓其交換式雜訊在傳導至電源軌之前便發生短路。
類比電路亦會將漣波導入其自身的電源供應，這常常便是諧波失真的原因之一。每一電源供應器皆有一內部阻抗，當電流輸出時，便能降低它的電壓。在信號達到峰值時，許多類比電路都需要更多的電流，而唯有當此需求達到最高時，才會稍微降低其供應電壓。結果造成了電路輸出的峰值低於其該有的數值，因此音訊波形被扭曲了。減少電壓阻抗可減輕此種類型的失真，且並非僅限於DC，而是遍及至放大器的整個頻寬範圍。低雜訊穩壓器和儲存電容器的結合可達到最佳的效果。在穩壓器頻寬範圍外的高頻，電容器的等效串聯電阻(ESR)成為供電內部阻抗的一部份，因此低ESR電容器能展現較佳的效能。在PCB上的寄生電阻及電感是不利於音質的，應該藉由將存儲電容器置放在消耗電流處的附近，以減輕其影響。
時脈
在數位聲音再生中，時脈信號是一個常常會被忽略的因素。被使用於DAC或ADC的時脈是做為時序的參照；就像是要取得精確的間隔量化位準，穩定的電壓參照是不可或缺的一般。時脈會決定信號樣本的時間間隔精確程度。時脈抖動會造成樣本時序的變異，信號的波形將會因此而改變。若此抖動在本質上為隨機的，則會形成雜訊而被聽見；若是與音訊信號相關，則會造成失真。
圖2 將數位信號轉換回類比信號 - 較高的解析度(更多的量化位準)和/或較快的取樣能減少量化誤差。時脈抖動造成更多的誤差。
對於時脈抖動的靈敏度而言，DAC和ADC的架構是不同的。事實上，對於現今大部分的媒體播放器而言，超取樣積分三角技術是唯一在商業上可行的選擇。就如同Wolfson在其音訊IC中所採用的多位元架構，比起單位元方法更能容忍時脈抖動。低抖動時脈源無疑是最重要的因素。若時脈恢復需要藉助外部來源（例如光纖S/PDIF連接），則可使用鎖相迴路消除其抖動。就如同對類比信號的保護一樣，必須盡可能地保護時脈源與DAC或ADC的連接，使其不受干擾。
另一個與時脈相關的議題，則是系統需支援一種以上的取樣率。由於光碟所使用的音訊編碼方式相當多元，這已成為現今DVD系統必須正視的問題。許多的失真壓縮演算法是在頻率區域內呈現音訊信號，這讓解碼器可以決定原始以及解碼資料的取樣率。就DVD碟片而言，資料是存放在時序區域，其取樣率固定為96kHz或192kHz；而傳統的CD格式則需支援44.1kHz的取樣率，這可能會難以落實，因為此頻率與其他常用的取樣率並非簡單的等比例關係。對於需在同一時間使用兩種不同取樣率的系統而言（例如在將類比音源燒錄至硬碟的同時，還同步播放碟片），這些問題更是嚴重。
WM8590為少數能針對整合的ADC和DAC提供完全獨立時脈的音訊IC，這讓雙軌運作可以實現。結合其差動架構、高SNR、低失真，以及強大的電源供應抑制，這些功能將各種與媒體格式有關的優點，轉換為實際的、聽覺上的音質提升。
作者簡介:Duncan Macadie於2004年加入Wolfson擔任技術行銷工程師，專注於Wolfson的消費性音訊產品線。在此之前，其於安捷倫擔任類似的工作。他擁有英國斯傑克萊大學(the University of Strathclyde)電子暨電機工程的碩士學位。
