引起我對PCM(Pulse Code Modulation)興趣的,並不在於其對音響和通信工程界的重大影響,而是在於它被擱置漫長一段時間才實現的這件事。其基本構想出自英籍工程師A. H. Reeves氏。遠在一九三七年他受雇於一家美國公司在法國的實驗室時,即以開始孕育這個念頭。也幸而這位創始者活得夠長,才能目睹他的發明,在六O年代中期日趨繁擠的電信網路上付諸實現。由於對通信工程的重大貢獻,在最近去世之前,他已備受推崇。
也許我們都要問,PCM經過這麼長的一段時間才到來?就像許多富於想像力的研究工作──早若干年前Alan Blumlein氏發明立體聲唱片一事可與他相比──Reeves發明,實在是超越了他們那個時代所能達到的技術水準。因此唯有等到一種超級開關──電晶體──在大約二十年後的發現之後,PCM才變成可行。當初用於美國的短程電話線上,隨後英國郵政局也導入一種24頻道的多工系統[24 Channel Multiplex System],使得原有過份壅擠的地下電纜,得以僅花少許的代價,而大量的增加通話量,大多數的西歐電信機構,也都相繼採用類似系統。
我們的重點,在於BBC(British Broadcasting Corporation)在實際運用PCM方面所獲得的特殊成就。起初,巧妙而有效地用於"Sound in Symch"系統中,在這系統中,TV的聲音信號先被轉換成Digital Code,然後插入視頻波形的水平同步脈衝中。不但省卻了一個聲音分離線路,甚至還可使接收機得到與發音室原音(Original Studio Sound)同樣良好的聲音。
但是,並不是一般的TV觀眾都能欣賞到這點,因為該地一般TV的聲音部份都是非常Lo-Fi的。這個系統現已廣泛地使用於BBC在大不列顛的所有發射機上,而許多的Hi-Fi Buff甚至覺得值得製造一個高級的聲音選台器,以便用於他們家裡的音響系統。
BBC也宣布一項決策: 在大不列顛使用PCM的聲音發射線路; 以發展高級的立體音響,在London, Midland和Scotch地區,目前都能享受到這種系統的服務,而獲得極好的音質。一般音樂愛好者,更希望該國的其他地區,也能在數年之內步其後塵。
現在你或許要問,究竟是什麼緣故,使得PCM能這麼吸引通信工程師?我以為最好是撇開電話不談,而集中對高級音響方面的貢獻。也就是說,不論傳送距離多遠,在30Hz至15KHz的頻帶内,其失真和雜音皆小於0.1%。
試將一個高級音頻訊號,由BBC的倫敦發音室送至各地區的發射機,那可能是遠即800哩外的Scotland,情況將會如何?在信號離開麥克風之時,它以我們稱為Analogue的方式出現,如果接上示波器來觀測其電壓波形,在任何瞬間,其波形都是非常複雜的。
Fourier早就告訴我們,任何複雜的波形,在數學上,都可以分解成許多單獨的正弦波,這些個別的成份,彼此間有著極巧妙的振幅和時差(Amplitude and Time Differences)的關係。例如我們分析鋼琴上中央「A」這個音符,將可發現,它是由440Hz的基音為主,附帶一連串單數和偶數,以迄於超出人耳聽頻範圍的諧波所組成的。就是這些諧波和它們的包絡線(Envelope)的形狀,造成了鋼琴的音色,若非它們,鋼琴的「A」音聽起來可能無異於大鍵琴或其它樂器。
所以,我們若要絕對高傳真地再生這些波形,則在整個傳送系統的任何一個Link,對於音符的基音和諧波,都需要小心的加以保留。不管廣告上怎麼說,唯有如此才叫高傳真。
然而,不管多麼巧妙的技巧,只要傳送的距離一長,情況便不同了。長的信號輸送線,並不單純只造成純電阻性的信號損失,在整條輸送線上,都含有連續的潛佈性電感和電容,因此都具有感抗,容抗和頻率選擇性。
所以,必然地,複雜的音波,其基音和諧波之間的微妙關係,會受到變形和干擾。尤其是高頻部份,不僅遭到衰減,並且(比起低頻成份來)還要遭到時間上的延遲。因此,受到衰減的信號,每隔一段區間即需加以放大,並且變形的波形也應加以修正或者等化(Equalization)。
我們可以很精確的做到以上這些工作,但是,任何情況下的修正,都僅能做到很接近的近似。因此,在信號傳到North Scotland之時,整個音質必然變得非常不純正。當然,也可採用其他途徑,例如: 可以調制成射頻,而以Coax或Radio Link輸送。然而,諧波失真和雜音等問題則又產生了。
既然,頻寬15KHz的Stereo Pair,要佔用8個電信頻道(Telephone Channel)而BBC的節目網又是非常的寬廣,所以經濟性也是不容忽視的。如按一般的方法仍將信號保持為音頻,則每經一級放大都會導入一些無可避免的雜音,並且每一次的Equalization,不僅增加一些失真,還逐漸地限制了可用頻帶範圍。
這些技術縱令是極高度的技巧,在FM和Stereo時代之前倒還適用,但自一九七O年以來,則發現有不適之處,至少僅就製作精確匹配的Stereo Pair時即已是一大困難。因此新的傳播方法是有必要的,而PCM則提供了這個解答。
PCM可以說是一種高速電報,就像摩斯電碼一樣,所不同的是電報是經電報員之手,將印刷字譯成電碼,而PCM則是將Analogue Audio信號,經過一種取樣(Sampling)的程序,直接導出。
在Fig 1,舉出一個簡單的例子說明之。每隔一定時間對波形做一次Sampling,而測取其振幅,請注意,在-Ve與+Ve之過程監以被分成許多Level,對於這些Level賦予一個序數,採用的是電腦所使用的二進位(Binary)法而非一般習用的十進位法。十進位的1可以寫成二進位的「1」,而十進位的2可以寫成二進位的「01」,3則寫成「11」,4則寫成「001」,如此類推。也就是不再以十為進位的基數,而以二為進位的基數。在十進位的大數目字如4094,以二進位則為011111111111,之所以要採用二進位的計數法,是為了電路上的方便,即「關」與「開」或者「1」與「0」兩種狀態的使用。當然設計一個線路,來做十進計數是可能的,但是過程可能變成非常繁難,導不如一開始就化十進為二進來得方便。
回到前述的例子,為了簡化起見,在此採用四位數的電碼化信號(Coded Signal)而可以有多達2⁴=16個不同的Sampling Level。由於波形是雜亂無章第在無窮多個Level上變動,照理說應當採取無窮多個Coded Level,但這顯然是不可能的;所以在Sampling時,就取與Analogue的波形最接近的Coded Level為電碼,這就稱為量子化(Quantizing)。
在設計PCM系統時,有兩件事需做決定: 其一為取樣的頻率,或者取樣速率(Sampling Rate),其二為Quantizing Level的數目。這兩項都關係到PCM信號的Ultimate Bit-Rate。按Nyquist和Shanon所導出的理論,Sampling Rate至少要等於或大於Analogue波形的Fourier成份的最高次頻率。也就是說,假定系統的頻率高達15KHz,則Sampling Rete至少要它的兩倍,即每秒30K次。在美國和許多西歐國家所使用的GE/ZENITH式立體聲廣播系統,就包含有每秒38K次的Sampling Rate。事實上電信用的Sampling Rate已經標準化了,由於頻寬4KHz即已足夠,因此採用每秒8K次的Sampling Rate。
剩下來的問題就是要有多少個Quantizing Level了。把Analogue信號經Encoding再Decoding的程序,常造成不容忽視的缺陷: 再組成的信號,不再是任意變化的平滑波形,而是呈細微階梯狀的波形,如Fig 2,其振幅與所制定的Quantizing Level的數目有直接關係。
人耳對它的感覺,無異於令擴大器設計師感到是致命傷的Cross-over或Notch Distortion。所以結論是,對振幅Sampling時Level數目越多越好,但是應了解,這些Bit-Stream的總數,必須適合於我們既有的傳播系統。
假定,Sampling Rate為32K/秒,Quantizing Level數為1024個,即2¹ºBit,則所需有效頻寬為32Kx10=320K Bit,相當於要占用80個電話頻道。所以在設定Quantizing Level和Sampling Rate時,不可過於慷慨,最終的決定,乃在於所能容許的量子化失真(Quantizing Distortion)的程度。
PCM所採用的各項參數,都在於獲得最大的價值,和以最少的Bit Rate而保持同樣的Hi-Fi效果。事實上PCM的一大優點,就在於系統的性能可按Transmission Link特性的不同而訂製之(Custom-Designed)。
以下就要談談BBC在大不列顛所獲得的重大成就。在當地老事的Steam Radio仍被Hi-Fi Buff當作良好的Program Source,用於播放每日重要新聞,音樂帶和各種音樂節目。他們證實在頻寬15KHz以內,使用接近32K/秒的Sampling Rate是可以接受的,合於Sampling Theorem,也比國際電話所使用的高出數倍,可說是朝更高級的PCM鋪了一條路。
經由嚴密的實驗,他們發現使用Linear Quantizing Scale, 10 Bit,是根本不能用,11 bit則僅接近可能,而12 Bit則或許適用。在聽過他們早期的實驗錄音,我們高興他們最後決定採用12 Bit,因為12 Bit才剛剛達到適用的標準。[參考數據: 採用10 Bit Rate時的Theoratical Peak Signal to Quantizing Noise是-65dB,而每增加1個Bit則改進6dB]。
切記,Quantizing Process所引起的Noise/Distortion的特殊性,是非常霸道的,即使是很Low Level。所以考慮兩個以上PCM Link串接的可能性──可見一般以上的Coding和Decoding是可能的──BBC的慷慨決定採用13Bit是不言而喻的。
前述的Linear Quantizing Scale,在此做進一步的說明。細察一個再組成的波形,可以發現在小信號時,Level的「變化量」比大信號時為大,如同Crossover Distortion一樣,這種惱人的情況,在越Low Level時越明顯。為了排除這種障碍,又不願意使用過多的Quantizing Level,一種稱為Companding的技巧就被使用上了。在Low Level時,Quantizing Interval並不是均勻分佈的,而是越低時越密,隨著振幅的加大逐漸拉開,這被稱為Companding Lqw,以被通信業界所公認。由於採用了近乎對數性的,非線型Analogue-to-Digital Transfer Characteristics,使得在通信上得以採用低達8個Bit Rate所形成的256 Level的編碼方式。
很不幸,這種特殊技術用於高級音響時,產生本身設計上的困難,所以BBC一直都採用Linear Quantizing而未曾將Companding使用於立體聲傳播網上。在前述的Sound in Synch系統中,使用了10個Bit做為Amplitude Sampling,更高技巧的Compander已被發展出來,使用一個Pilot Tone做為控制之用,其工作原理非常有趣,但是超出本文的範圍,有興趣的讀者,可向BBC工程部門索取Monograph #75的有關資料。地址: 35 Marylebone High Street, London, England。他們的Monograph確實很像一回事。
PCM還有一項有價值的特性迄未提及,就是Multiplexing設備,使用這種設備時,藉著一部精密的Clock Mechanism的控制,將Sampling Rate乘以一定的倍數,而把所有的頻道相嵌合(Interleaving)在一起,僅需一調Digital Link即可將多個頻道的信號同時傳送出去。
倫敦發射台首次開放的BBC Link,即攜帶了13個Channel的高級音響信號,外帶一個指定為House Keeping Circuit以負載Data, Sync Pulse和Telephony Channel的頻道,整個輸出含Code和Multiplex,計達每秒6.336 Meg Bit,用以調制6MHz的標準Video Link。
轉載音響技術第7期 JULY. 1976 什麼是PCM?
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