【摘要】：1比特技术和多比特技术相比较而言， 有着独特的优越性。本文分析了1比特技术在数模转换上和△-∑调制上的优势及在放音设备中数模转换器（DAC）上的运用及发展，进一步阐述了阻碍1比特技术广泛应用的问题， 并在原有的研究基础上继续分析了1比特技术与多比特技术在以采样频率为2.8224MHz为分水岭的发展趋势。
【关键词】：1比特;多比特;△-∑调制;DAC;PCM
随着科技的发展，人们越来越追求声音音质带给耳朵的体验，而音质的好坏又受放音设备中数模转换器比特数的影响， 理论上，数模转换器的量化比特数越大， 转换后的信号波形也就越接近于原信号。 在比特数竞争上升时，1比特技术出现了，它能表达更自然的声音，为人们在追求更高的音质提供了条件。但是为什么1比特技术没有在我们的生活中被广泛应用？或者说为什么没有取代多比特技术的地位？1比特技术的发展存在哪些瓶颈？
一、1比特技术
“1比特技术是指在编码电路中以超高音频光盘系统的采样频率2.8224MHz对模拟信号进行采样，采样后的1比特信号再送到编码电路的高速开关电路，以生成促使音箱还放的声音信号。这些1比特樣值均为幅度为1或0的这样非常简单的数字数据。1比特样值间的间隔只有0.3543μs，生成的数字信号相当于0Hz～100kHz频率范围和动态范围为120dB的等质模拟信号。1比特技术记录以超高速2.8224MHz采样的各量化样值之间的变化量，模拟信号先对2.8224MHz高频数字信号进行调制，再用一只低通滤波器去掉高频分量，还原成模拟信号，不用借助于其他设备和电路。”[1]
（一）优越取样
1比特技术在放大器中是通过∑-△调制技术来处理模拟信号的。CD格式的16比特信号的样值间隔为22.6757μs它只相当于0Hz～20kHz频率范围和动态范围为96dB的等质模拟信号。196kHz采样频率和以24比特量化的DVD—Audio格式的样值间隔为5.2083μs，它相当于0Hz～96kHz频率范围和动态范围为144dB的模拟信号.很显然，1比特的取样间隔比CD格式要精细64倍。而比DVD—Audio格式要精细15倍。 而恰恰表达自然真实的声音且能忠实地再现更多的声音细节最基本的前提就是这种表示时间精度极高的分辨能力。
（二）超高音质
同一模拟信号用C D格式采样一次时，采用DVD-Audio格式采样了4.35次;而1比特格式则采样了64次。也就是说，2.8224MHz超高速采样的1比特格式能够得出最好的瞬态响应和更宽的动态范围. 这是由于△-∑调制超高速采样和7阶噪声整形模式得来的。
而44.1kHz的采样频率和16比特的量化精度的C D格式，可能无法满足专业人员对音乐信号的高要求. 科技的发展使1比特格式通过7阶△-∑调制技术可获得超高的采样频率和120dB的动态范围以及0Hz～100kHz的频率响应。 以100kHz的踩钹乐器和大于100dB动态范围的交响乐团对1比特的需求越来越大，1比特也就应运而生了。
1比特格式能够获得更大动态范围关键在于1比特编码电路。模拟信号经过△-∑调制编码技术变换成连续为1和0的1比特信号。这一处理过程进一步发展为7阶△-∑调制电路。可用音频范围内的量化噪声总量与噪声整形曲线阶数有关，采用7阶△-∑调制可将量化噪声移到更高频率范围而使在可听音频信号范围内的量化噪声大大降低，从而保证了音频信号的动态范围。
二、1比特技术的运用
众所周知，比特数越高转换准确性也就越高， 重放效果也就越好。
在C D 唱机中的16比特输人信号转换成1比特信号， 高速电子开关通过l比特信号接通或断开脉宽调制（PWM ） 或脉密调制（PDM ）的等幅信号， 将最后得到的脉冲信号通过低通滤波器， 就可以获得模拟信号。1比特D A C 除了能克服前述失真的主要优点外，即使极度轻奏的乐段听起来也很清晰， 且余音很悦耳。另外1比特D A C 另一个优点是以噪声整形技术为支柱， 可靠地把高比特技术数字信号转换成低通带量化噪声的1 比特信号，从而获得较高的整机性能。因为在1 比特转换过程中会产生大量的噪声， 这种噪声是大致平均分布在系统的整个带宽内的。噪声整形的目的是改变噪声的频率分布.将音频段的噪声电平压低， 与此同时却会使超声频段的噪声电平提高。但音频段以上的噪声不会带来问题， 只要用滤波器将其滤掉即可。这样20kHz 以下的噪声被大大压低到听不出的水平。因此， 1 比特转换加噪声整形技术， 可以获得极佳的线性和极低的噪声。此外， 1比特D A C所用外围元件比多比特D A C 少， 甚至无需调整， 1 比特D A C 相对多比特D A C 来说， 还具有精度离散性小，价格便宜的特点。它一反以往为追求高性能而不断增加量化比特的倾向， 其思路完全与多比特D A C 相反。不但解决了非线性失真问题， 同时也能解决过零点失真问题。1 比特D A C 使用复杂的数学变换方法， 以极高的频率取样。例如飞利浦公司的Bsttream的取样频率为11.3MHz 即44.1kHz的256倍， 将C D上的16比特数字编码信号转换为一系列等幅脉冲信号，即D A C 对C D 的数据每次处理1比特， 经过滤波，即可取得与原模拟信号高度一致的还原。
常规放大器主要依靠输入信号和输出信号之间的线性关系，但缺点是工作效率较低，且要消耗电能较大，不环保且体积较大，而1比特放大器可以减少4/5的热辐射，它简单地通/断开关运作，使其功耗只有常规放大器的一半，这也使1比特放大器体积减小，方便携带。
三、发展趋势
不论采用多比特还是1 比特技术， 归根结底我们关心的是音频的重放音质。在多比特与1 比特共同存在的情况下， 到底哪种好？ 答案是不能一概而论的。还要受到放音设备芯片的质量及其它设计的影响。当多比特的采样频率和量化精度接近于1比特超采样2.8224MHz，样值间隔0.3543μs时，音频的质量是等质的，但是多比特会存在量化误差带来的量化噪声（人耳已很难分辨的出来），而1比特的量化噪声通过7阶△-∑调制将量化噪声移到更高频率范围，从而降低噪声。
我们能不能假设1比特技术与多比特技术是不是存在着一个在音质上的分水岭？由于1比特是以超高采样频2.8224MHz，样值间隔0.3543μs对高频数字信号进行调制，再用一只低通滤波器去掉高频分量，还原成模拟信号的，那么我们就以采样频率2.8224MHz，样值间隔以0.3543μs为界，是不是采样频率2.8224MHz以下就是1比特格式的天地呢？或者说2.8224MHz以上多比特格式就更胜一筹呢？在放音设备中DAC的性能在很大的程度上受到其位数即比特数的影响。从理论上说提高比特数可以改善C D 的重放效果， 同时信噪比也可提高。也就是说， 比特数越高转换准确性也就越高， 重放效果也就越好。当然储存容量也随着采样频率和量化精度的提高而增大（数据流=fs·N·T·M，其中fs为采样频率，N为量化比特数，T为时间单位：秒，M为轨道数），但1比特格式的采样频率和量化精度是确定的，所以它的储存容量随着变量T和M改变。当多比特格式的采样频率低于2.8224MHz时，多比特格式的声音信号的质量是不如1比特格式的，但在储存容量上是优于1比特格式的，但是当多比特格式的采样频率高于2.8224MHz时，多比特格式的声音质量是高于1比特格式的，但在储存容量上是劣于1比特格式的。在模拟信号的连续波形中， 幅度的值可以分割成无限多， 那么以有限多的量化取值来表示无限多的幅度值， 也就是一种近似的表示。这就是量化误差产生的根源。其后果就使还原后的模拟信号出现了与原信号的波形不一致， 形成非线性幅度失真。而受误差影响最大的是非常弱的声音信号。这是因为低电平信号采样后幅度也非常低， 同样大小的误差对于表示非常低的幅度脉冲的量化值来说，相对误差就很大。这在多比特格式中采样频率和量化精度越小的情况下越明显，所以许多C D 在一90dB的低电平时，其（ 线性） 可达到几个dB， 耳朵已经听得很明显了。在C D 唱机中的16比特输人信号转换成1比特信号， 高速电子开关通过l比特信号接通或断开脉宽调制（PWM ） 或脉密调制（PDM ）的等幅信号， 将最后得到的脉冲信号通过低通滤波器， 并获得模拟信号。1比特D A C 除了能克服失真的主要优点外，即使极度轻奏的乐段听起来也很清晰， 且余音很悦耳。另外1比特D A C 另一个优点是以噪声整形技术为支柱， 可靠地把高比特技术数字信号转换成低通带量化噪声的1 比特信号，从而获得较高的整机性能。因为在1 比特转换过程中会产生大量的噪声， 这种噪声是大致平均分布在系统的整个带宽内的。噪声整形的目的是改变噪声的频率分布.将音频段的噪声电平压低， 与此同时却会使超声频段的噪声电平提高。但音频段以上的噪声不会带来问题， 只要用滤波器将其滤掉即可。这样20kHz 以下的噪声被大大压低到听不出的水平。对于多比特DAC来说，通过提高比特数来解决低电平非线性失真和进一步改善信噪比。而1比特技术以优越的采样技术，记录以超高2.8224MHz采样的各量化样值之间的变化量，加之以噪声整形技术为支柱，以简易的1比特数字信号处理环节，忠实地的记录、存储和传送原来的模拟声音信息，获得真實的声音。 且1比特DAC所用外围元件比多比特DAC简易，还具有精度离散性小，价格低廉的特点。由于多比特技术一步步量化比特数的提高，其需要存储的内存也越来越大。所以，我们有理由相信未来的发展将是超高音质1比特技术的时代，而1比特DAC也将会越来越被广泛的运用！
四、总结
总的来说，在数字音频的领域中，1比特DAC与多比特DAC都有各自的优势，但又有各自的缺点，所以，在1比特DAC已认知的基础上，综合对1比特DAC与多比特DAC的比较，笔者认为它们的发展趋势是划江而治的，2.8224MHz将会是它们的分界点，2.8224MHz以下，1比特DAC将更能发挥自身的独特优势，呈现出更真实自然的声音。多比特的声音质量是比不上1比特格式的音频的。在采样频率为2.8224MHz以下时，可以将采样频率低于2.8224MHz的多比特格式作比较，多比特格式的声音质量在这个范围在不如1比特格式的，但为什么人们不选择1比特格式呢？这就是在大众对音质要求不高的情况下，储存容量成为首要考虑的因素，其实1比特的音质不亚于模拟音质了，但听众大都是非专业人员，对高音质音频需求不是那么强烈，也就降低了对1比特音频的关注度了，更何况当多比特的采样频率高于2.8224MHz时，可想而知了。虽然1比特技术可以解决放音音质的非线性失真问题，同时也能解决过零点失真问题，但是毕竟多比特音频的量化噪声太小了，人耳是不易分辨出来了的，同时多比特音频音质也没差到难以入耳，综合以上考虑，人们对1比特的关注度也就没那么高了，在对1比特与多比特音频的选择，就看大众考虑的因素是偏向于音质多一些还是储存容量多一些罢了。
注释：
[1]华工.超高音质1比特技术剖析[J].实用影音技术，2005.
参考文献：
[1] 卢官明，宗昉 《数字音频原理及应用》[M]. 北京：机械工业出版社，2015.
[2] Ken C. Pohlmann（美） 《数字音频原理及应用》[M].第六版 北京：人民邮电出版社 2013.3.
[3] 韩宪柱 《数字音频技术及应用》[M].北京：中国广播电视出版社，2003.
[4] 刘长年 《数字广播电视技术基础》[M].北京：中国广播电视出版社，2003.
[5] 陈华《音频技术及应用》[M].成都：西南交通大学出版社，2007.
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