超取樣，原理是從已有的數位訊號經過內插補點計算得到取樣點間的訊號大小，例如把 44.1kHz 的訊號轉成 88.2kHz 的訊號。超取樣並不能幫我們把更多的細節從量化失真中找回來，它的主要用意是幫助我們獲得更正確的類比訊號。
基本介紹
- 中文名：超取樣
- 外文名：Super sampling
- 目的：提高放音質量
- 套用：CD機中採用的一種技術
- 學科：通信
超取樣的定義,超取樣的作用及原因,CD機為什麼要採取高比特和超取樣？,超取樣與多比特,取樣過程,CD音響信號波形,超取樣數字濾波器的方法,CD的取樣頻率,超取樣數字濾波器,
超取樣的定義
取樣是CD機中採用的一種技術，用於提高放音質量。CD片上的數據訊號被讀出後，通過DSP電路的插值處理，將44.1KHz的標準取樣率提升一倍到數倍，這就是超取樣。
圖1
圖1超取樣的作用及原因
這是涉及到D/A轉換之後的噪聲濾除問題。數位訊號經過D/A轉換之後，會在音頻頻帶以外的高端產生一個鏡象頻帶，這是一種噪聲，必須用低通濾波器濾除，否則經過非線性器件後會折回到音頻頻帶內，對放音效果產生很大的破壞。該鏡像噪聲頻帶的位置和取樣頻率有關，頻率越高，鏡像頻帶就離音頻頻帶越遠。對於標準取樣頻率來說，必須用衰減十分陡峭的濾波器才能濾掉靠近音頻頻帶的鏡像噪聲。但衰減陡峭的濾波器很容易設計， 相位失真很大，難免會影響到音頻頻帶的高端部分，使音質下降，這就是早期的CD機數碼味比較重的重要原因。如果採用超取樣，就可以把鏡像噪聲推到遠離音頻頻帶的位置，這時只需要衰減平緩的低通濾波器就行了，設計難度大大降低，相位特性得以改善，使放音質量獲得顯著的改善。
CD機為什麼要採取高比特和超取樣？
高比特和超取樣是改善雷射唱機音質的重要手段。超取樣可以減緩低通濾波器的衰減特性，降低相位失真，高比特則能減少因超取樣數字濾波器帶來的信噪比下降。
在雷射唱機中，數位訊號經DAC轉換後雖得到了模擬聲頻信號，但卻存在多餘的以441kHz整倍數的寄生頻率成份，為此要用一個衰減特性很陡峭的低通濾波器加以濾除，但只要後級中稍有非線性，寄生頻率與有用信號互相調製就將產生嚴重失真。而且衰減特性好的低通濾波器相位失真也大，同樣會影響雷射唱機的音質。所以在DAC前插入數字濾波器進行以取樣頻率4、8倍等的超取樣，寄生頻率便被轉到更高頻率，就能採用衰減特性較平緩的低通濾波器，從而大大改善相位失真。不過數字濾波器的引入將產生運算誤差造成信噪比的下降，採用高比特DAC能減小信噪比的劣化，如20bit的DAC就能使信噪比的劣化減至忽略不計程度。如：NAKAMICHI(中道)，CD45Z 單碟20bit， MB—100前置六碟 24bit。 自從1987年Philips公司生產的全球第一顆1bit(單比特或稱為單位元)DAC晶片問世以來，Philips公司便將這種單比特技術全面套用於其公司的高、中、低不同檔次的數碼音響產品上。隨後，某些日本廠家也將單比特技術套用於自己的產品中。而在當時，除了Philips及日本的產品之外，其他國家的產品仍然採用的是多比特技術。對於單比特技術而言，實際上是在比特流技術理論的基礎上演變成的不同數學模型用來處理經過量化的數碼數據，由於近幾年來美國在單比特技術上的卓越成就，使同為單比特的Delta Sigma方式大受好評，Delta Sigma方式不僅僅被廣泛套用於中、低價位的數碼音響系統中，更重要的是Delta Sigma方式還被相當多的廠家用於其生產的頂級Hi End器材中。
超取樣與多比特
取樣過程
取樣是以一定的時間間隔對連續的模擬信號抽取樣點的過程。每個取樣點之間有一定的時間間隔，其重複頻率為取樣頻率fs。CD碟中的CD信號取樣頻率為44.1kHz，即為每秒取樣44100次。而量化就是把取樣點的測量值變更成數位訊號，16bit就是每點的取樣值可量化為216種不同的數值中的一種來表示，由於量化過程中採用了四捨五入的方法。這就導致了每個取樣點的測量值都存在捨入誤差，而且這種誤差將始終存在。數字系統雖然沒有因錄放而產生的沙沙聲，但卻存在這種與模擬錄放性質完全不同的誤差噪聲，我們稱之為量化噪聲或量化失真，這是一種高頻噪聲。
CD音響信號波形
CD音響中，其44.1kHz取樣信號波形的頻譜如圖1所示。為了讓不屬於原信號頻譜範圍的24.1kHz以上的頻譜成分混入還原後的信號並且有效濾去量化噪聲，則解調用的低通濾波器（LPF）應具有圖1中虛線所示的濾波特性。為了獲得如此濾波特性，必須用9~11級以上的模擬濾波器。但採用高階模擬濾波器有以下缺點：
1、在高階模擬濾波中，信號頻率越高，延遲時間增加越多，濾波器階數越高，延時效果越顯著。這樣，諧音相位比基音相位多延遲使波形惡化。高頻端比低頻端多延遲引起相位失真，從而導致音質惡化。
2、高階模擬濾波器隨溫度變化會引起常數改變，從而使用阻斷特性發生變化並使所用的運放產生噪聲和失真。
超取樣數字濾波器的方法
為了降低模擬LPF的階數，採用在D/A變換之前插入超取樣數字濾波器的方法。超取樣就是將原數位訊號的取樣頻率提高若干倍，如2倍、4倍……等腰三角形。超取樣可以將音頻數位訊號中由於取樣而增加的頻譜向高端移動若干倍（與超取樣分門倍數相同），從而使原模擬信號頻譜與所增加的頻譜的分開，量化噪聲的頻譜也就同時向高端移動，從而降低對濾波器陡峭度的要求。一般來說2fs需5~7階LPF，4fs需3~5階LPF，8fs需2~3階LPF，而16fs只需1~2階LPF就可以獲得較為滿意的效果。
但是數字濾波器又為數/模變換系統帶來了新的煩惱。這主要是由於數位訊號在數字濾波器中要進行相乘加等運算，而伴隨這種運算就必然產生誤差。這種誤差稱為再量化噪聲。這種再量化噪聲相當於在原有量化噪聲上再追加一種量化噪聲，這樣會惡化信噪比，所以採取了提高數字濾波器輸出音頻數據的比特數的辦法。因為量化比特數越高，則量化等級越細，再量化噪聲也越小，這樣就進一步改善了音質。
CD的取樣頻率
CD的取樣頻率為44.1KHz，這個規格的制定是根據Nyquist的取樣理論而來，他認為要把類比訊號變成分立的符號（Discrete Time），取樣時的頻率至少要在原訊號的兩倍以上。人耳的聽覺極限約在20KHz，所以飛利浦在一九八二年推出CD時就將其制定為44.1KHz。取樣是將類比訊號換成數位訊號的第一步，但精密度仍嫌粗糙，所以超取樣的技術就出現了。一般八倍超取樣就等於將取樣頻率提高到352.8KHz，一方面提高精度，一方面經過DAC之後產生的類比訊號比較完整，所需的低通濾波器（濾除音取樣時產生的超高頻）次數與斜率都可大幅降低，相位誤差與失真也都會獲得巨大改善。不過CD每隔0.00002秒才取樣一次，超取樣後樣本之間就會產生許多空檔，這時需要有一些插入的樣本來保持訊號完整，而這樣的任務就落在數碼濾波器身上（Digital Filter）。比較先進的設計是以DSP（Digital Signal Processor）方式計算，以超高取樣來求得一個圓滑曲線，例如Krell的64倍超取樣，只有Theta、Wadia、Krell、Vimak擁有這樣的技術。另一類數碼濾波是事先將複雜程式與在晶片中，有類似DSP的功能，日本Denon、Pioneer 皆有這樣的設計。最普通的方法是利用大量生產的晶片，NPC、Burr-Brown都有成品供應，當然效果會受一些限制。
在數碼濾波之後，就進入DAC了，從這裡開始有單比特與多比特的區別。多比特是數位訊號通過一個電流分配器（Current Switch），變成大小不同的電流輸出，因為數位訊號是二進制關係，所以DAC的電流也以1、2、4、8的倍數排列。每一個比特分別控制一個電源分配器，隨著音樂訊號變動，輸出電流也跟著改變，接下來是一個速度很快的I/V轉換線路，把這些電流變成電壓，再接下來經過低通濾波器，完整的類比訊號就出現了。一個二十比特的DAC，其輸出電流變化是1，048，576個，解析度已經相當高了。現在最常用的二十比特晶片有Burr-Brown的PCM-63與改良型PCM-1702，最貴的大概是Ultra-Analog的模組。
比特流（Bitstream）是飛利浦八八年提出的技術，構造很單位。首先二進制的數位訊號進入一個有參考電壓的模組中，輸入訊號比參考電壓高輸出就是非曲直，反之則為0；第二個訊號再與第一個訊號比較，更高的就輸出1，較低輸出0…以此類推。因為它只比較間的大小，所以樣本要增加，需要更高的取樣頻率，從早期的256倍到最新的384倍就是個好例子。只有一個比特的訊號會進入一個叫開關電容（Switched Capacitor）的DAC中，還原成類比訊號。常用的單比特晶片都是飛利浦製品，最早有SAA7320，則把SAA7350與TDA1547合在一起稱為DAC7線路，Crystal也有類似產品。
何者為優並無定論，唯一可以肯定的是絕大部分高價機種都是多比特設計。
超取樣數字濾波器
(OVER SAMPLING DIGITAL FILTER)
