音频解码器入门系列（第二期）：采样之后，声音还能完整还原吗？

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音频解码器入门系列（第二期）：采样之后，声音还能完整还原吗？大家好，这是“音频解码器入门系列”的第二期。
第一期我们介绍了DAC的作用，也简单认识了采样率和位深。这一期不再重复这些参数的定义，而是进一步讨论：

• 离散的采样点为什么能还原连续声音？
• 采样频率不够会发生什么？
• DAC输出的真是“台阶波”吗？
• Dither为什么要主动加入噪声？
• 44.1 kHz和48 kHz为什么不能直接混用？
  

一、采样点之间的声音去哪里了？观察数字音频波形时，我们看到的是一系列独立的采样点。
于是有人会问：

两个采样点之间没有数据，DAC怎么知道中间应该是什么形状？

实际上，DAC不是随意猜测两个采样点之间的波形。
如果原始信号已经被限制在允许的频率范围内，并且采样过程满足采样定理，那么整组采样点已经包含了重建原始信号所需的信息。
实际DAC通常会使用：

• 数字插值；
• 过采样；
• 数字滤波；
• 数模转换；
• 模拟低通滤波。
  

这些处理共同完成连续模拟波形的重建。
所以，采样点之间并不是“缺少了一段声音”，而是中间的变化由完整采样序列共同确定。
二、采样点很少，为什么还能恢复高频信号？有一种常见观点认为：

一个正弦波周期只有几个采样点，画出来不像正弦波，所以不可能正确播放。

这个判断并不准确。
如果直接用直线连接采样点，得到的确实可能是锯齿或三角形状。但真正的DAC不会采用这种简单方法恢复波形。
在符合带宽限制的情况下，重建滤波器会根据连续多个采样点恢复平滑波形。
采样点的位置还会随着信号与采样时钟之间的相位关系变化：

• 有时落在波峰附近；
• 有时落在过零点附近；
• 有时每个周期的位置都不一样。
  

因此，不能只看几个采样点的外观，就判断数字音频是否失真。
三、什么是混叠？如果进入ADC的信号频率过高，超出当前采样系统能够正确表示的范围，它可能在采样结果中变成另一个较低频率。
这种现象叫作：
混叠，英文是Aliasing。
它有点像拍摄高速旋转的车轮：

• 车轮实际上快速向前旋转；
• 视频中看起来却转得很慢；
• 甚至可能看起来正在反转。
  

车轮没有真的反转，而是拍摄帧率与车轮转速之间产生了混淆。
音频系统中也是如此。原本位于高频区域的信号，可能被错误地折叠到可听频段，形成并不存在于原始声音中的杂音。
四、为什么ADC前面需要滤波器？真实的模拟输入不只有我们想录制的声音，还可能包含：

• 超声频率；
• 射频干扰；
• 开关电源噪声；
• 数字时钟耦合；
• 模拟电路产生的宽带噪声。
  

为了避免这些高频成分发生混叠，ADC前面通常会设置模拟低通滤波器，称为抗混叠滤波器。
录音链路可以表示为：
模拟输入 → 抗混叠滤波 → ADC采样 → 数字音频
混叠发生后，错误信号已经进入有效音频范围。
系统看到一个5 kHz信号时，可能无法判断它原本就是5 kHz，还是由更高频率成分混叠而来。因此，混叠的重点是采样前预防，而不是事后修复。
这也说明，ADC芯片性能很高，并不代表整个录音电路一定优秀。输入滤波、供电、参考电压和PCB布局同样重要。
五、DAC输出的是台阶波吗？在音频软件中不断放大数字波形，通常会看到类似台阶的图形。于是有人认为，DAC输出的也是一串台阶电压。
实际上，软件中的台阶主要是一种显示方式。
DAC输出前后还会经历插值、过采样和滤波。经过完整处理后，送往后级的是连续变化的模拟信号，而不是音频软件里显示的方形台阶。
DAC的基本工作过程可以表示为：
数字数据 → 插值和数字滤波 → DAC转换 → 模拟低通滤波 → 连续模拟输出
如果明显的高速台阶和开关成分直接进入后级，就会包含大量不需要的高频能量，并可能增加运放、功放和扬声器的负担。
六、DAC后面为什么也需要滤波？DAC完成转换后，输出中除了目标音频，还可能存在：

• 采样镜像；
• 高频开关成分；
• 时钟相关干扰；
• Delta-Sigma噪声整形产生的带外噪声。
  

因此，DAC输出后通常需要模拟低通滤波器。
它的任务是保留需要的音频频段，同时衰减不需要的高频成分。这类滤波器也叫重建滤波器。
设计时需要综合考虑：

• 音频通带是否平坦；
• 高频噪声能否得到足够衰减；
• 运放是否稳定；
• DAC输出是电流还是电压；
• 后级输入阻抗；
• 电阻和电容的误差；
• PCB寄生参数。
  

所以，同一颗DAC芯片配合不同的模拟滤波和输出电路，最终测量结果可能不同。
七、什么是量化误差？模拟信号的幅度可以连续变化，但数字系统只能使用有限的数值记录它。
当实际输入处在两个数字等级之间时，系统必须选择其中一个数值。实际幅度与记录结果之间的差异，就是量化误差。
对于幅度较大的复杂音乐，量化误差可能表现得比较接近噪声。但在低电平、规律性较强的信号中，它也可能表现为：

• 谐波失真；
• 周期性杂散；
• 低电平波形变形；
• 声音尾部不自然地消失。
  

因此，数字系统中的量化问题并不只是“噪声稍微增加”，还可能影响低电平信号的线性度。
八、为什么要加入Dither？当高位深音频转换为较低位深时，如果直接舍弃多余的低位，量化误差可能与原信号形成规律性的关系。
为减少这种失真，可以在位深转换前加入极小幅度的随机噪声。这种处理叫作Dither。
听起来似乎有些矛盾：

为什么为了提高质量，反而要主动加入噪声？

因为少量、均匀的噪声通常比与音乐相关的非线性失真更自然。
加入正确的Dither后：

• 总噪声会略微增加；
• 量化误差会更加随机；
• 低电平信号的线性度得到改善；
• 很小的信号不会突然被截断。
  

Dither是一种正常的数字音频处理手段，并不等于破坏音质。
另外，Dither与时钟Jitter不是同一个概念。

• Dither用于改善量化过程；
• Jitter是时钟边沿在时间上的偏移。
  

两者只是中文表达中都可能出现“抖动”一词，实际原理完全不同。
九、44.1 kHz和48 kHz为什么不能直接混用？数字音频中常见两套采样率体系。
音乐发行常用：

• 44.1 kHz；
• 88.2 kHz；
• 176.4 kHz。
  

影视和广播常用：

• 48 kHz；
• 96 kHz；
• 192 kHz。
  

如果把44.1 kHz的数据直接按照48 kHz的速度送给DAC：

• 播放速度会变快；
• 音调会升高；
• 整首音乐的播放时间会缩短。
  

反过来播放，速度和音调都会降低。
要保持原来的速度和音调，系统需要：

• 切换到正确的音频时钟；
• 或进行采样率转换，也就是SRC。
  

因此，调试DAC时不能只看软件显示，还应该实际测量：

• LRCK；
• BCLK；
• MCLK；
• 各时钟之间的比例。
  

十、升频能增加声音细节吗？把44.1 kHz文件转换成96 kHz或192 kHz，叫作升频或上采样。
升频之后，采样点数量确实增加了，但新增采样点是根据原有数据计算出来的。
因此：

升频不能恢复原文件中从未保存的信息。

合理升频仍然可能有工程价值，例如：

• 统一系统内部采样率；
• 把数字滤波放到外部处理器完成；
• 为均衡、音量和DSP运算提供方便；
• 改变DAC的滤波方式；
• 简化某些时钟和数据处理流程。
  

但仅凭文件从44.1 kHz变成192 kHz，不能证明它增加了新的真实音乐细节。
十一、怎样检查采样系统是否正常？调试ADC或DAC时，可以采用以下方法。
测量音频时钟使用示波器或频率计检查：

• LRCK频率是否等于实际采样率；
• BCLK与LRCK比例是否正确；
• MCLK是否符合DAC要求；
• 切换采样率后时钟是否同步变化。
  

播放已知正弦信号使用1 kHz或其他已知频率测试信号，观察：

• 输出频率是否正确；
• 是否出现额外杂散；
• 是否出现镜像或混叠；
• 左右声道是否一致；
• 切换采样率时是否爆音。
  

进行多采样率切换反复切换44.1、48、96和192 kHz，检查：

• DAC是否丢锁；
• PLL是否重新锁定；
• 静音控制是否正确；
• USB与I²S配置是否同步；
• 输出是否出现瞬态冲击。
  

如果软件显示96 kHz，但LRCK实测并不是96 kHz，就说明数据链路或时钟配置存在问题。
本期总结

数字音频并不是把声音切成无法连接的小碎片，而是在满足采样条件的情况下，用一组离散数据描述连续信号。

下期预告第三期：DAC芯片内部是怎样工作的？