PC-HIFI的实现途径研究

张 玉 华

(潍坊工程职业学院，山东 青州　262500)



PC-HIFI的实现途径研究

张 玉 华

(潍坊工程职业学院，山东 青州262500)

摘要：从阐述经典HIFI音响系统存在的问题入手，探讨PC-HIFI即“个人电脑高保真音响”系统技术的优势、特点及发展前景，指出PC-HIFI必将成为音乐欣赏设备的主流。

关键词：PC-HIFI；XMOS；高保真；音频；无损

PC-HIFI是Personal Computer High Fidelity的缩写，直译为“个人电脑高保真”。“个人电脑高保真音响系统”，俗称“电脑音响发烧”，是指包含家用电脑的一系列高品质音响设备系统的总称，其功能通过电脑在内的器材对原记录的音乐信号进行解析、修饰和处理，使原音源音场信息在时域和空域能逼真再现。

一、经典HIFI的发展现状

1972年，荷兰Philips公司首次研发成功“激光视盘”，被称为“Video Long Play”(VLP)；之后的十几年，竞争激烈的电子音频行业争相研究新技术，多家公司相继开发了更先进的CD播放器，使其性能和尺寸不断满足家用HIFI设备的要求。1982年，日本Sony公司发布了世界上第一台CD光盘播放器CDP-101，以后多家公司陆续开发了静止视频图像(CD+G)、模拟视频/数字音频混合(CD Video)、纯数字视频(Video CD)、互动元素(CD-i)、照片存储(Photo CD)等音视频设备。1984年，为了商业需要，Philips和Sony两公司协议制定了一种通用标准(即Red Book红皮书)，随后CD-ROM(Compact Disc Read-Only Memory的缩写，即只读光盘驱动器)设备被广泛应用于电脑数字存储中。

单从音源发展来说，经典HIFI经历了模拟唱片、磁带、激光唱盘等过程，而真正的高品质数字音频HIFI的实现，一般公认为在CD(compact disc 激光

唱片)出现以后。CD播放机主要由转盘和解码器组成，电机转动带动CD盘片做匀速转动，再通过激光光头识读光盘反射的数字信号，解码器再把数字信号转变为模拟信号，由功放器把放大后的模拟信号提供给音箱发声。CD唱片作为音源播放的过程，如图1所示。

图1CD唱片播放流程

二、经典HIFI的特点

由于CD记录的是数字信号，读取数据的播放也是数字播放，原则上是无失真、无噪声干扰，其音质还原能力要比原先的唱片和磁带模拟播放能力更强、背景更黑，其输出音质也要比其他播放要强很多，但是人们发现，在实际应用中仍存在一些缺点。

1.CD采样频率和量化精度影响播放质量

根据乃奎斯特取样定理，在模拟讯号数字化的过程中，如果取样频率大于模拟讯号最高频率2倍，就能精确还原出原始的模拟讯息。音频的最高频率约为20kHz，所以取样率应至少大于40kHz，为留一点安全系数，索尼和菲利普公司工程师在制定标准时，CD取样标准最终选择了44.1kHz，为了获得尽量高的信噪比，最终将量化精度定位在16bit。但是，随着人们对音质要求的提高和微电子技术的进步，每秒44.1kHz的采样频率还是太少，导致音乐细节丢失多,播放的数码味较重。因此，人们希望通过提高采样率和高比特率来改善音质，陆续研发了HDCD、XRCD、SACD等记录器材，使音质有所提升，但由于存储数据容量过大、CD转轨压缩技术标准较低以及过高的价格等因素制约，至今仍未得到普及。

2.CD播放时盘片很难做到恒速运转

播放音乐时，光头读取到的数据会实时被解码转换成模拟信号输出，受CD形状、材料、厚度不均的影响，盘片转速很难稳定。在这个过程中，如CD盘片转速稍有不均匀，音质就会产生一定的失真，特别是一些自行翻录的CD，音质会更差。

3.CD载体易磨损

CD唱片是塑料片制成，每播放一次就会磨损一次，播放的次数越多就磨损得越厉害。随着CD碟的磨损老化，以及CD机激光光头的老化，会使读取误码率大大提升，音质也越来越差。那么，有没有比CD更好的HIFI方式呢？

三、PC-HIFI的特点

PC-HIFI是将电脑作为数字音频信号处理器，然后再连接解码器等音响设备。因此，PCHIFI与经典HIFI只是音源和读取方式的差别，后续设备并无多大差别。众所周知，由于电脑具有完备而成熟稳定的操作系统，以及各种功能强大的应用软件，如Foobar2000、Jriver Media Center 、PowerAMP Music Player等音频数据信息解析处理能力是其他设备无法比拟的，因此，电脑播放比其他任何播放器播放都具有巨大的优势。

图2　电脑播放方案

在PC-HIFI播放中，除音源外，解码显得尤为重要，解码器直接反映PC-HIFI的素质，一套系统想要得到更好的品质，必须要有一个优秀的解码器作为支持。在上图方案中，可以选择由电脑声卡数字信号输出，解码后再连接同轴，AES或者光纤接口输出至音箱。然而，实践证明，电脑声卡在播放中仍然品质不高，这是由于供电噪声、主板干扰、时基误差等原因造成的。为解决Jitter等问题以及力求全面降低机箱内的各种干扰，可以利用独立晶振，选择通过数字界面将数字信号进行转换来提升音质，实施USB异步传输，例如通过XMOS芯片方案实现高质量接口转换，可同时采取“提高时钟精度”、“做好屏蔽供电”、“控制相位噪声”等措施。由此看出，PC-HIFI是电脑实现数字播放的过程，该播放过程包含：文件服务器或者媒体服务器+硬盘+负责播放的CPU(通常同时做文件服务器)+数字信号输出+DAC+音箱设备。而结合互联互通技术，如果我们将DLNA媒体播放(以太网或WIFI)技术集成在DAC中，同时增加USB隔离线路，就能实现更高质量的PC-HIFI播放。

与经典HIFI比较，电脑的应用使以前遇到的一些困难迎刃而解，显然PC-HIFI具备许多优势。

1.与经典HIFI相比更能呈现原始音乐的表现效果

现在的中高档声卡本身就是给音乐制作设计的，其共同点就是音染少，解析度高，更能把音乐作品的真实面目表现出来。虽然不否定各种CD机、功放甚至高价线材(或许)加上的音染，更讨好个别人的耳朵，但起码对于原始文件来说，这些形式的播放离HIFI的概念更远了。

2.解决信号传输缓慢和卡断问题

在Win平台下，通过播放软件设置，先建立一个缓冲区，读取(或传输)一部分数据信号将其转换后播放，在播放的同时再读取另一部分转换(传输)……这就避免了实时播放中出现的卡断和不稳定现象。在这一点上，电脑相对于传统CD机是有天然优势的。

3.能播放多格式和更高规格的音频文件

以PC作为播放设备的播放器，可以随意播放WAV、APE、FLAC等格式的无损音乐文件而不受固件的限制，因为电脑系统和软件都很容易随时升级，其他的播放器则很难实现电脑的这些功能。当今的音乐作品在制作时就是以高比特高采样的方式完成的，PC-HIFI可以直接播放这个母带文件，而CD必须要先压缩、刻碟才能播放，哪个更保真显而易见。

4.PC-HIFI对音频文件的管理及播放更便捷

PC-HIFI播放时，选曲十分方便，而且存储、管理、分类操作都十分容易。同时，播放软件也变得越来越强大，其他系统如LINUX的硬件要求也不高，但播放软件素质及易用性(尤其多播放列表前提下)和Win下面的Foobar有一些距离，在目前Win平板大幅降价的情况之下，LINUX平台的价格优势就没有了,相比之下播放软件还是Win下的Foobar更出色。目前，Foobar官网已经发布公告在开发Android和IOS版，估计明年能看到移动版的Foobar。

四、PC-HIFI的实现途径研究

结合互联网技术，最新的PC-HIFI方案可作如下尝试。

音源要选择无损格式数字音源，可存储在电脑硬盘上或NAS(Network Access Server，缩写为NAS)上，播放设备可以由电脑(台式、笔记本、平板)、智能手机等多种设备选择来完成，播放软件可选择Foobar2000等，信号传输可以是有线传输也可以是无线传输。方案如图3所示。

举例来说，不足千元的平板电脑通过OTG连接大容量硬盘，或者通过DLNA技术、有线路由器、WIFI等推送音乐到包含内置FIFO技术的解码器，再由功放和音箱出声，就目前市场价格，不足万元的设备就能实现90%的人可接受的PC-HIFI播放。

图3　PC-HIFI实现途径

结论

综上所述，只要我们处理好电脑的“数码音源”、“内部信号干扰”和“数据传输损失”等问题，就能顺利实现高品质家庭PC-HIFI。

参考文献：

[1]田浩.数字音响关键技术研究[J]. 湖北第二师范学院学报，2010,(8).

[2]严冬平，等.音频模拟数字转换解析-谈对奈奎斯特采样定理的疑问[J].音响技术,2011,(3).

[3]刘素珍.探讨音频和视频信号数字化[J].家电检修技术,2012,(2).

[4]月影谈发烧.论PCHIFI优劣和发展前景.http://article.pchome.net/content-1472991-all.html.

(责任编辑：陈绍志)

Study on the Realization of PC-HIFI

ZHANG Yu-hua

(Weifang Engineering Vocational College, Qingzhou Shandong262500)

Abstract:Discussing the problems of classic HIFI sound system, this paper explores the advantages, characteristics and development prospects and points out that PC-HIFI will become the mainstream in the field of music appreciation equipment.

Key words:PC-HIFI; XMOS; high fidelity; audio; lossless

作者简介：张玉华(1965-)，男，山东寿光人，潍坊工程职业学院考核办公室主任、汽车系主任，教授，理学硕士。

收稿日期：2014-12-01

中图分类号：TN2

文献标志码：A

文章编号：1009-2080(2015)01-0088-03

doi：10.3969/j.issn.1009-2080.2015.01.021