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阿杜
- 论坛学士
- 1963-7-4
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- 166
- 2007-02-19
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发表于 2014-11-11 12:03
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音视频信息还原与传真
宇宙大爆炸开始产生的所有事物其所包含的信息是无穷无尽的，主信息、分信息、微信息相互间存在时空关联性，且量能分布符合相应的自然规律。“透过现象看本质”就是通过微表象信息来推断主信息。富含微信息是大自然产物的共性，自然产生的事物与后天人造事物的根本性差异在于单位时间内各自所含相关信息的丰富与匮乏。如有机天然肥和人造化肥、天然钻石与人造钻石、自然音画与人为的电子合成声乐、动画等等。它们之间存在的细节差异，往往对其品质起着决定性的影响。 符合自然规律的音视频信号包含丰富的信息，人的视、听等感知器官是大自然产物，天生具有无与伦比的信息接受与分辨能力，对所接受信息的量能分布有符合自然规律（真实）的平衡要求。对于信息失真的分辨、容忍需要占用脑力资源，长时间易产生烦躁、疲劳（发烧友就是属于对信息失真较敏感而不妥协的群体）。因此音视频信号传真的终极理念就是还原信源所包含的所有信息，降低因信息缺失产生的不适感，满足人们对信息丰富度的自然需求。 传统信号理论是根据人的感觉器官在特定条件下对信号频率的极限分辨能力来设定模拟信号处理通道带宽的（音频20KHz、视频6MHz左右）。虽然这样的信号处理带宽能较好地传导处理带内较强的单（寡）频率正弦波测试信号，以此获得较高的失真度测试指标，但是实际音视频信号是由随机多动态频率信号合成的，其中包含丰富的微量信息。由于处理速度、精度跟不上瞬态信息能量变化，会产生信息冲突形成信息瓶颈，导致恃强凌弱微信息被湮没。由于理论测试信号和实际处理信号的形态特征存在根本性的差异，使得理论失真度指标和实际传真度存在矛盾，导致现实中因虚高的失真度指标无法衡量音响的实际声乐传真能力（听感）而失去参考价值。因此传统的单信号测试理论是有缺陷的。 信息论创始人美国贝尔实验室数学家香农（Shannon）指出：“如果要无失真地传输连续消息（处理模拟随机信号），则处理速率R要求无穷大”，这意味着模拟随机信号具有趋于无穷的信息量。根据信息论对信息熵（entropy）的定义，熵是不可逆时空信息的集合。因此我们可将音视频信号中包含的信息总量称之为音视频的信号熵，且将信号熵视为狭义的可逆熵，音像信号传真就是信号熵的还原。电路对信号的到位准度和精度共同决定信号熵的还原能力，速度和精度的组合可称之为电路的瞬态精度，原理类似采样速率和采样精度联合决定数字信号的信息量，任何一项改变都会影响信息量。因此为了尽可能多地还原模拟信号中的信息，要求模拟处理电路具备尽可能高的处理速率及处理精度。 音视频模拟信号是由多频率及幅值随机变化的正余弦波的信号合成（展开类似动态的傅里叶级数），信号的每一时刻与相应幅值的时空结合点同时关联诸多信息（时空信息），只要有微小的错位都会导致相关信息的失真。因此保证信号每一时间点与幅值的到位精准度（瞬态精度）至关重要，代表对信号的绝对跟随能力，是恒量信息还原度的重要指标，传统理论的单正弦波还原能力不可与之相提并论。重放传真音视频信号，必须保证信号时间变量（时序）和幅值变量之间时空关系的绝对精准，否则无论是数字时基的晃动（Jitter）还是谐振调制产生的动态相移都会导致信息的失真（有感的视听失真）。我们可以测量电路的频率、阻抗输出特性曲线来对应判断其瞬态精度，如果带内平均阻抗越接近零就意味着电路具有更接近理想的带内信息还原能力。 从信息还原的角度来看，传统电声理论对于模拟处理电路仅有数十千赫的带宽要求是错误的，是导致电声传真系统信息严重缺失、声乐表现能力低下（听感不佳）的主要原因之一。目前我们还不可能用无限的带宽来传输处理模拟信源无穷的信息量，只需要在力所能及的带宽下降低带内输出阻抗来提高电路的信号跟随精度，以精度来弥补速度的不足，尽可能还原可感范围的带内信息。 传统的模拟电路对于多信息的信号处理往往都存在精度不足的问题，其设计要求通常是令电压放大电路前端主控制放大单元处于区间电流工作的电压放大状态。由于放大单元器件并非理想器件，通常存在输入极间阻抗，且实际的负载往往不是纯电阻负载，因而线性与非线性负载电流将在输入极间产生电压降，从而影响输入信号，使输出信号产生幅值错位（失真），无法满足信号熵传真之瞬态精度要求，是传统电路设计的重大缺陷。 鉴此，我们应让放大电路的前端主控制放大单元的电压放大输出采用恒流负载（在其带宽范围内），使其输入极间处于恒流、恒压的点工作状态，从而隔离负载输出电流对输入端信号产生影响，使输出具有接近零的带内输出阻抗，实现近乎理想的带内信息传真处理。 电路设计原则应采用既符合信息还原理念（使前端控制单元工作于恒流状态）又可充分发挥器件频率特性的电路架构，尽量减小信号的相移，避免或减额使用容易产生非线性电流的LC、RC低通相移网络及容性负载。利用电路、元件具备的自然低通特性，竭力降低有限带宽内的输出阻抗，从而避免信息能量之间的冲突、调制以及干扰能量（电源高频纹波等）对信息的影响。依据以上理念设计的电路经多方面的实验证明是切实可行的，不仅有超常的视听品质表现，还具有电路简洁、稳定性高等优点。因此传统音视频模拟信号处理放大电路的设计有待开拓与创新。 数字化的信号必须经由数模转换处理及能量形式变换之后才能被感官接受。由于传统的模拟信号处理电路及能量形式变换电路的设计存在瞬态精度不足的信息瓶颈缺陷，导致通过的信号信息缺失，影响音画的最终品质。信号数字化的应用可以避免传输、处理过程产生信息失真。人们为了提高数字信源的品质，竭力提高信源采样速率及采样精度规格来提高数字信源的信息容量，但却没能相应提高其前后之模拟信号处理电路的信息通过能力，出现通道信息容量中间高两头低的失衡状况，导致高清规格信源信息容量优势未被充分利用。在模拟处理通道存在信息瓶颈（短板）的情形下，音画品质受到限制。 当今的音画传真已进入了数字化超高清格式时代，音视频信源的数字采样规格已高达32BT 、384K 和4K的超高分辨率，但是需要大量信息支撑的音画质感却没有相应的根本性提升。音画缺乏弱信息的支撑，情感表现单调，难以呈现具有内涵的饱满厚实质感，某些方面甚至有一代不如一代的退步倾向。例如现今的液晶高清平板显示器画质（低对比度下的色彩还原）还不如低清老式的CRT显示器、CD等高清格式唱片的音质还不如老式的LP模拟黑胶唱片等。 高清数码规格音画质不理想，归根到底均为数字转换AD、DA前后的模拟信号处理及能量形式变换动态精度不足产生信息瓶颈所致。 有鉴于此，笔者将传统的信号传真理论提升至信息传真层面，重视随时可能出现的微交越失真，确立弱信息还原的品质之道，将“细节决定成败”作为衡量音画品质优劣的标准，引用信息论关于信息失真及熵的概念来指导、纠正传统信号传真理论及设计中存在的误导及缺陷。疏通AD\DA转换前后模拟处理电路及信号能量形式变换环节的信息瓶颈，解决信号通道信息容量中间高两头低的失衡问题，令数字高清格式信源应有的性能及品质得以充分呈现，满足人们高层次的感官需求，避免高清格式资源的浪费，促进音画传真技术进步。 例如广泛应用的CD数字格式立体声数据传输速率为1.4mbps（单声道700Kbps），根据信息论信息率失真理论，“只有信息速率R小于信道容量C（带宽），才能使信息在信道中以任意小的差错概率来传输，反之若信息速率R大于信道容量C，理论上则不可能实现无失真传输处理”。CD数模转换DA之前的数字处理电路频宽通常达数十兆以上，对于1.4Mbbs的数据速率是不会出问题的，而DA之后模拟处理电路的带宽一般只有数十千赫，与信息理论对CD信息处理要求的700KHz相去甚远，不可能还原高清CD信源的所有信息。又由于数模转换之后的阶梯波属于缺失部分信息的模拟信号，含有阶梯高速变量，如果瞬态精度跟不上容易导致低频段可感信息的失真，因此对其处理速率就需要有更高的要求。 笔者在实践中试着将DA转换之后的低通网络取消，采用符合信息传真理念设计的放大器（晶体管集电极恒流负载架构），将DA之后的模拟阶梯波声乐信号完整放大传输至高品质扬声器输入端，驱动其发出的声乐，具有宽松平顺厚实的特质，几乎感觉不到以往广受诟病的数码声与晶体管声之缺胳膊少腿、稀薄、粗糙、紧张等听感缺陷，获得意想不到的超传统的电声乐体验。由于驱动扬声器的信号具备饱满的信息量，令一些难出低音的小书架音箱也可发出具有规模感的低音，因而基本无需依靠环境空间调整或其他的技术措施来平衡校声（信息补偿），大大降低了对音响听音环境及用户的技术要求，可以随时随地轻松享受高品质的传真声乐。 信息传真理论在音视频领域的全面应用（传统只应用于数字处理部分），可以解决传统理论无法解释和解决的许多实际问题。例如数字信号的无损处理环节（如CD刻录）怎么还会影响音质？信号线、电源及电源线材怎么会影响音画质？液晶显示器的色彩失真机理及解决等等，都可以依此找到答案及切实可行的解决方案。如信号线影响音画质的主要原因之一是因为单支信号线需要同时传输双向信号电流，信息冲突不可避免。为了解决这类信息失真，笔者实验了一种有源单向电流双线信号传输装置（类似双向高速公路可以提高车速及流量的原理），可以明显提高音视频传输的音画品质。此设计有望根本解决信号传输线影响音画质的问题。 就当前已经广泛应用的高清音视频规格信源及系统，可根据信息传真理论，将系统电路中影响信号信息通过的瓶颈进行疏通理顺设计，即可获得几近完美的音画品质。一方面可令传统音响系统最高6成的实际传真度大幅提高至9成；另一方面，根据液晶反应速度慢而产生三基色彩熵失真的基理，设计出相对应的色彩熵补偿程序植入显示器或机顶盒等，即可解决色彩失真的问题；再如全数字信号处理的DLP投影显示器，只要在脉宽调制PWM像素驱动程序上做适当的彩色熵补偿调整，即可获得更理想的彩色还原；还有当今的手机、照相机等录音、摄像的模拟信号采集电路也同样存在信息瓶颈问题，如能赋予正确的设计，将可大幅提高此类信源的音像信号品质。 基础理论的创新才是真正意义上的创新。笔者通过长期的探索研究、反复实践，发现总结、提出了可大幅提高音像传真品质的信息（多微信号）还原理论，取代传统的单信号还原理论。具体的应用和实施将涉及更多更广更细，对此有兴趣的可以联系共同探讨。 福建泉州杜一敏 0595-22791661邮箱DYM0008@163.COM
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