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高解析數位音訊發展現況與市場機會
[作者 楊尚文]   2017年02月07日 星期二 瀏覽人次: [2003]

自人類發明留聲機後,便積極追求能保持聲音完整度與長久儲存音訊的方式。早期,還未進入數位化時代時,音訊的儲存與播放方式都使用類比的方式,主要使用唱盤、錄音卡帶等方式,不過受限於材料與科技,有保存不易與容量過小的缺點。


CD則在1982年問世,主要用途為儲存數位資料,而在音訊的領域中,則多用來儲存數位音樂,稱為音樂光碟(Audio CD)。而CD具有體積小、容量大與保存長久的優點,漸漸取代傳統類比的方式,也就是說Audio CD的發明,等同宣告了數位音訊的來臨。



圖一 : 薄型化的LED TV,其內建的音箱因為空間過小而無法顯現好的音質表現,便帶動如家庭劇院或Soundbar的成長。(Source: McIntosh Laboratory)
圖一 : 薄型化的LED TV,其內建的音箱因為空間過小而無法顯現好的音質表現,便帶動如家庭劇院或Soundbar的成長。(Source: McIntosh Laboratory)

而數位音訊的標準與品質的高低,主要有兩個評估指標,如下:


動態響應範圍(Dynamic Range)

即可解析的數位資料,其最大值與最小值的比例,通常以dB值為表示單位,下表為各種資料處理寬度所能表現的動態響應範圍。也就是說擁有越高的位元數,其動態響應範圍越大,也越能夠顯現音訊細微變化的程度。



圖二 : 各種音訊動態響應範圍比較表(資料來源:資策會MIC)
圖二 : 各種音訊動態響應範圍比較表(資料來源:資策會MIC)

取樣頻率(Sample Rate)

無論是數位化類比信號,或將數位信號還原為類比信號,取樣頻率的高低也決定信號的完整度與精確度。


從取樣原理來看,類比訊號要用數位化的數值來表示,取樣的過程會產生所謂的量化誤差(Quantization error),所謂量化誤差指的是實際訊號之大小(Amplitude)和數位化後所得數據之間的差異。同樣地,把數位信號還原成類比信號也是如此,此量化誤差被稱為失真(Distortion),失真度越低代表越能忠實呈現信號的原始狀態,通常以dB值或百分比為表示單位。


為了要降低音訊的失真,便要降低量化誤差,而降低量化誤差最有效的方法便是提高取樣的頻率,正弦波(Sine wave)顯示取樣頻率越高,可以減少信號的量化誤差,進而提高信號還原後的完整度。另外,若是要改變取樣的頻率,此升頻或降頻的動作被稱為SRC(Sample Rate Conversion)。


根據日本音訊學會(Japan Audio Society,JAS)對高解析數位音訊的定義主要有二點:


裝置的輸入/輸出與信號處理,其動態響應範圍至少要達到24bits以上的資料處理寬度,且其取樣頻率至少要能達到96kHz以上。


數位音訊播放的來源必須為無壓縮(No Compression)或無損壓縮(Lossless Compression)的音訊格式。


目前市面上常見的MP3、AAC檔案等為一種失真壓縮的音訊格式,還有以Bluetooth為傳輸介面的設備,由於其頻寬的限制目前仍無法即時傳輸高解析的數位音訊資料,也不在本文的討論範圍。


技術發展現況與趨勢


圖三 : USB Audio為使用USB介面來傳輸Audio的方式,現已發表到Audio 2.0 。(Source: Head Fi)
圖三 : USB Audio為使用USB介面來傳輸Audio的方式,現已發表到Audio 2.0 。(Source: Head Fi)

PCM仍是主流 DSD急起直追

PCM(Pulse-Code Modulation)是一種常見的類比訊號數位化的方法,其原理是將訊號的強度依照同樣的間距分成數段來量化並記錄下來。目前大多數的數位音訊格式都採用PCM的調變方式,如常見的Audios CD,其規格便是使用44.1khz/16bit的PCM調變方式。


DSD(Direct Stream Digital)為Sony與Philips的專利,主要是利用脈衝密度調變編碼將音頻訊號數位化,為PCM外常見的數位音訊調變方式,目前多數的MEMS麥克風也是使用DSD輸出格式。過去幾年,以日本為主的廠商,積極推廣DSD調變方式,有越來越被重視的趨勢。


另外,也有兩者的混合體即DoP(PCM over DSD),乃是將DSD的信號載在PCM信號上傳輸,只要在接收端將DSD信號擷取出來即可,如此便可利用原PCM的介面或接口來傳輸DSD信號。


PCM與DSD調變方式的優劣比較,一直以來爭論不休,也各自有支持者,然就觀察過去電子產品的發展歷史,未來的終端產品發展趨勢多傾向可同時支援兩者的解調變方式,甚至可互相轉換,目前其轉換的方式多使用軟體來進行,不過也開始有廠商開發可PCM to DSD/DoP或DSD/DoP to PCM的轉換晶片,下圖則用波形簡單說明PCM與DSD的調變原理。


無壓縮或無損壓縮為主要檔案格式

目前支援高解析音訊的無壓縮音樂格式以WAV檔居多,另外,DSD格式也可以被稱為Hi-Res音訊,而無損壓縮(Lossless Compression)的音樂檔案,有FLAC、ALAC、WMA Lossless,等格式,由於無損壓縮的檔案大小比無壓縮的檔案來的小,也無損音樂的品質,預期未來將成為主流的高解析數位音訊檔案格式。


主要傳輸介面

SPDIF

SPDIF是歷史最悠久的數位音訊傳輸介面,廣泛使用於家用的CD/DVD/BD Player、TV、Desktop PC與家用音響設備的連接。SPDIF的接頭主要有光纖(TOSLINK)與同軸(Coaxial)兩種,無論是標準的光纖或同軸接頭體積都嫌太大,較不適用於行動裝置上使用。為了縮小體積,市面上有出現在3.5mm耳機孔上增加SPDIF光纖輸入/輸出接口,目前在部分高階或電競筆電中可以見到。


HDMI

HDMI也是在家庭中常見的影音傳輸介面,主要連結TV、STB、DVD/BD Player、Game Console等裝置,除了傳輸影像外也可以傳輸高解析音訊,在HDMI 1.4以上版本最高可傳輸PCM 1536kHz/32bit、32聲道與DSD的超高解析音訊,是目前定義最高音訊傳輸頻寬的介面。


USB

USB Audio為使用USB介面來傳輸Audio的方式,現已發表到Audio 2.0,目前多由PC的播放軟體將高解析音樂檔案解碼成PCM或DSD的格式後再傳輸到擴大機等後級處理器來播放,市面上已可見到最高可支援384khz/32bit PCM與DSD/DoP2X的產品。


Wi-Fi

Wi-Fi最大的優勢為可使用於無線的環境,由於高解析音訊的資料量較大,將可取代Bluetooth為主要的無線傳輸方式。目前多數的PC與行動裝置等都可以Wi-Fi來傳輸數位資料,如能與家用的無線網路、AP、NAS結合,將可以擴大其應用領域。



圖四 : 高解析數位音訊傳輸介面優劣比較表(資料來源:資策會MIC)
圖四 : 高解析數位音訊傳輸介面優劣比較表(資料來源:資策會MIC)

市場需求與產業動態

高品質的音樂需求逐漸被重視

聲音的存取與播放的歷史比影像還久遠,然觀察過去十數年多媒體影音的發展歷程,影像品質的進步遠大於聲音。


以液晶電視為例,面板的解析度由SD提升到Full HD大約僅花了5~8年的時間,目前仍迅速地往4K2K甚至8K4K的解析度來提升,而色彩解析度也由RGB各8bit的全彩1,677萬色提升到12bit的687.2億色,整體的畫質提升相當多。



圖五 : 目前已有多家廠商推出貼有「Hi-Res Audio」授權標章的產品發表。(Source: audioxpress)
圖五 : 目前已有多家廠商推出貼有「Hi-Res Audio」授權標章的產品發表。(Source: audioxpress)

由於過去數十年,當電子產品由數位時代進入行動裝置時代後,為了攜帶方便與美觀,逐漸往輕、薄、短、小發展。在儲存裝置價格及傳輸速率的限制下,行動裝置大量使用失真壓縮的音訊格式如MP3、AAC等,如此卻大大降低音樂的品質。近年來在光纖普及以及4G通訊、802.11ac等傳輸技術的發展下,傳輸的品質及速度大幅提升,無須再以犧牲音訊品質方式換取音訊傳輸流暢度,再加上儲存設備的低價化使得儲存成本大幅降低,使無壓縮或無損壓縮的高解析度音訊日益受到重視,市場發展可期。



圖六 : 數位影音發展趨勢概圖(資料來源:資策會MIC)
圖六 : 數位影音發展趨勢概圖(資料來源:資策會MIC)

因為聲音的品質需要一定的空間才能顯現,如薄型化的LED TV,其內建的音箱因為空間過小而無法顯現好的音質表現,便帶動如家庭劇院或Soundbar的成長。又如行動裝置部分,一般附贈的耳道式耳機越來越難滿足消費者的聽覺,也使得全罩式耳機銷售越來越高,如熱賣的Beats耳機,甚至為了追求更好的驅動品質,進而購買耳機擴大機等來滿足更高端消費者的需求,應用在家庭劇院、Soundbar及高階耳機等產品的音訊編解碼或格式轉換、音效處理、可升降頻的SRC等晶片需求亦將隨之成長。


日商力拱Hi-Res Audio

2014年6月,日本音訊學會JAS表示,無論是音訊的來源或設備都能達到高解析音訊的定義,加入成為JAS的會員後,便可以申請在其產品上,貼上「Hi-Res Audio」的授權標章。包括Sony、Yamaha、TEAC、Onkyo、Pioneer、Panasonic等日本音響大廠都積極參與,也陸續發表或開始銷售相關的產品,目前台灣也有少數幾家已爭取到或正積極爭取授權中。


為了擴大此一授權標章的全球影響力,JAS於2015 CES舉辦的前夕,即2014年底,宣布與消費電子協會(Consumer Electronics Association,CEA)合作,同意讓CEA的會員們可以申請與使用將此一授權標章,而不再限制必須為JAS的會員。目前CEA的會員擁有超過2,200家的廠商,相信此一策略可以爭取更多品牌的認同,達到推廣高解析音訊的效果與商機。


目前已有多家廠商推出貼有「Hi-Res Audio」授權標章的產品發表,其中以Sony最為積極,由於Sony兼具家用音響、消費性產品與音樂媒體的身分,是最有主導力的廠商。Sony在展場除了發表高解析音訊播放器、擴大器外,也展出支援播放Hi-Res Audio的Ultra HD LED TV,其聲音的細節以及純淨度,都大幅超越非Hi-Res格式的音樂,與4K2K的高解析度面板搭配,可謂相得益彰,同步提升影音的效果,而Sony台灣也於2015年5月底發表此產品。


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,由於Sony在TV/DVD/BD的發展歷史上扮演著極重要的角色,也經常是規格的主導者。然而,未來是否會有更多的廠商推出支援Hi-Res Audio的TV,值得期待與後續觀察。


內容廠商逐鹿高解析音樂

而在CEA、數位娛樂集團(Digital Entertainment Group)與錄音學院(Recording Academy)等機構的努力推廣下,目前一些主流音樂內容供應商,如索尼音樂娛樂(Sony Music Entertainment)、環球音樂集團(Universal Music Group)和華納音樂集團(Warner Music group)世界三大唱片公司等也紛紛表示,願意提供更多高解析音樂給消費者更多的選擇。


目前可下載高解析音樂檔的數量與商店數也不斷上升,如HDTracks、HiResAudio、Super HiRez、Qobuz、iTrax等知名商店,甚至包括在CES 2015中大力推廣高解析音訊的搖滾大師Neil Young的PonoMusic等。另外,日本的Mora Music也於2015年3月開始,提供台灣的消費者付費下載Hi-Res高解析音樂檔案。


USB Audio後市可期

技術(Technology),為了達到高解析音訊所帶來的高品質效果,包括處理晶片與裝置,都需要提升整體的規格。


在音訊處理方面,需要具備處理高解析音訊所帶來較大的資料量,包括音訊編解碼或格式轉換、音效處理、可升降頻的SRC等晶片的配合。而在傳輸介面方面,由於USB為大多數人熟悉的介面,且未來的電子產品可能都會支援可正反插的USB Type-C,加上最高可支援到PD2.0的100W供電能力,可望應用於USB耳機、喇叭等,未來的成長性最被看好。


爭取Hi-Res Audio認證 台商可借力使力


圖七 : 現在的裝置的輸入/輸出與信號處理,其動態響應範圍必須足夠,方能因應使用者需求。(Source: S tand out Ventures)
圖七 : 現在的裝置的輸入/輸出與信號處理,其動態響應範圍必須足夠,方能因應使用者需求。(Source: S tand out Ventures)

認證(Certification),透過認證過的授權標章,方便取得進入高解析音訊的門票。如同過去Dolby、DTS、AC3等授權標章,如能取得「Hi-Res Audio」的授權標章,是一種身分與技術的表彰,容易得到此產業上、下游與消費者的認同,對於產品絕對有加分的效果。


目前推廣高解析音訊的認證標章,以日商最為積極,尤其Sony同時具有消費性裝置與音樂媒體的身分,實力最被看好。建議台商可以加入此認證標章的行列,除了代表技術達到標準外,對於行銷上將很有助益,有機會藉此打入高階音訊產業的供應鏈,借力使力,達到擴大商機的目標。


(本文作者為資策會MIC資深產業分析師)


*刊頭圖片來源(Source: Digital Trends)


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