为什么数字信号的音频能够保持保真度

我们以将数字信号存储在塑料材质的圆盘上的光盘为例：当我们把光盘放进CD机后，激光就会读取这些数据，然后将其发送到数模转化器，之后数模转换器就会将数字信号转换回模拟信号。 因为CD都带有纠错功能，所以即使光盘上有轻微的划痕，它也能识别出来并对丢失的数据进行替换，因此通常不会有跳读的情况发生。 在您下载音乐时，即使您的互联网连接中断了，下载引擎也会将这些部分组合成一个可以不间断播放的文件。

对音乐家来说，更重要的是，使用数字音频可以让音频在通过信号链后的音质保持不变。 在模拟多轨录音机的时代，当您将您的歌曲混缩到一个模拟双轨录音带时，会引入了额外的嘶嘶声和失真。 当您对磁带进行母版制作时，会引入更过的杂音，将音频传输到一个可以压制唱片的金属压模上时，也会引入砰砰声、研磨声和扭曲的声音。 在每个音频传输阶段，信号质量都会更加恶化。

使用数字录音，您可以将数字信号混合到立体声或环绕立体声中，从而创建另一组数字。 （当然，这些数字也会通过数模转换器进行监听，因此您可以听到正在混缩的内容。）因此，最终的立体声混音将代表您混缩歌曲时所听到的内容。 接下来，您可以将通过数字化混合的数字串传到网上（希望是无损的），或将其复制到智能手机的内存中，或者将这些数字信号压入光盘，等等。

您可以在信号链的最初想象模数转化器把声音“风干”了起来，声音直到回到播放系统的数模转化器时才会被重构。 这也是数字音频听起来如此纯净的原因：它没有遭受模拟信号所遭受的那些修整。是时候喝杯咖啡休息一下了，因为我们即将要说到的会涉及到更为晦涩的专业技术。但是大家一定要坚持看下去，因为接下来的内容非常重要。

转换器的采样率是由高精度、稳定的系统时钟所控制的，是数字音频系统最重要的特性之一。如果转换器的采样率比较高的话，那么您也可以向下使用较低的采样率，但如果转换器的采样率比较低的话，您却不能使用较高的采样率了。大多数低成本的转换器的采样率都是96kHz，不过随着技术的发展，192kHz的采样率在现代已经越来越普遍了。

转换过程的另一个方面是位分辨率（通常称为字长），它表示的是模数转化器测量输入信号的准确程度。 由于每个样本在那个时刻都会测量信号的电压，因此测量越精确，从模拟音频到数字数据的转换就越准确。 就如同尺子的刻度一样，以英寸为刻度的尺子只能只能确切地用英寸测量长度，但是，用十六分之一英寸刻度的尺子来测量长度的话，那么分辨率就可以提高16倍。 位数越高，分辨率也就越高。

幸运的是，不管怎样，失真在回放时的电平是非常低的，并且抖动也能进一步降低我们对低失真的感知。 此外，录音/混音程序中的音频引擎也不受转换器硬件规则的约束，并且一旦信号进入计算机内，就可以提供本质上无限的分辨率。在混音时，主输出要留有几dB余量的一个原因是，大多数数字测量仪测量的是数字音频样本的电平。但是，将数字音频转换回模拟可能会产生比样本本身更高的电平值，这会造成样本间失真（如图4所示）。

除非您通道的电平表具有能够提醒您采样间失真的功能，否则请留出几dB的余量来避免这种情况。 此外，您也不需要将电平调到最高，因为在现今的流媒体世界中，诸如YouTube和Spotify等都会调整音频，使其达到一致的感知电平。当CD第一次出现的时候，它的宣传口号是“永远完美的声音”—一个谁都会喜欢的营销口号。然而，虽然数字音频总体上要比模拟音频好，但它仍不是完美的。

采样率问题。如果系统不能以足够高的采样频率对信号电平进行采样的话，就很难准确地再现信号。采样率必须至少是进入系统的最高音频频率的两倍，因此44.1kHz是录音的最低的采样率。输出滤波器音染。如上所述，post-DAC低通滤波器会将阶梯采样转换为平滑连续的信号。 但是，滤波器可能会添加自己的音染。

非线性。非线性是用来描述如果不同的量化级别之间的间隔不是均等的，那么就会出现误差的情况。让我们回顾下前面的例子，我们假设能够测量到1毫伏的精度。回到前面的例子，我们假设能够测量到1毫伏的精度。但如果存在非线性，转换器可能会将1毫伏信号转换为1.001毫伏，2毫伏信号转换为1.978毫伏，等等。这些误差会改变波形形状，从而导致失真。

抖动。如果提供采样率的系统时钟不稳定，则不会以相同的时间间隔捕获或回放表示数字音频的样本。您可以将其视为“时间失真”，因为您没有在正确的时间听到正确的样本。这会导致细微的失真，这也是在两个不同的数模转换器上回放相同的数字音频可能听起来不同的原因之一 -- 一个可能具有更高的抖动，而另一个具有更低的抖动。

偏移和增益误差。即使没有输入电平，偏移也会产生输出电压。高端的转换器在加工完成后，通常还会对转换器的内部电路进行修整以消除偏移。当输出电压高于或低于理论上的值时，转换器也可能存在增益误差。对于这些问题，目前并没有什么好的解决方法，但是人们在设计高端的转换器时，通常会在最小化电压偏移和增益误差上下很大功夫。

虽然数字音频可能并不完美，但它确是最接近完美的 - 并且还在不断改进。然而，仅仅因为某些东西是“数字的”并不意味着您能享受到数字音频所有的优势。智能手机或其他消费类设备中的转换器与专用音频转换器是不在一个级别上的。