高清晰度音效.doc

高清晰度音效(HD Audio)之技術機會與挑戰
郭長祐／DIGITIMES
2007/08/13

引言：台灣向來是PC硬體研製重鎮，在PC的新音效標準：HD Audio確立後，國內半導體大廠也積極跟進，推出了合乎HD Audio的標準編解碼晶片，而今年初Windows Vista的推出，更使HD Audio的推行更加快速，也使人們對HD Audio的技術更為好奇，究竟HD Audio有何先進性，本文將透過業者的研發歷程來探析……
過去幾年由於Windows Vista研發上的推遲，因而限制了HDA的推行，而今Windows Vista已正式發表，使HDA的功效能耐、推展火力得以全開。針對此，本文將探訪台灣瑞昱半導體（Realtek）電腦週邊事業處硬體部資深經理蘇祝鼎先生與行銷部門資深經理王柏智先生，透過他們的解說讓我們瞭解HDA各項新功效的新機會與挑戰……

從AC'97到HDA可說PC音效架構的大變革，無論是介面、解析度、取樣率、聲道數、聲道配置、音源孔運用、錄音等都各方面都有大程度的強化及擴充，然也因此使CODEC晶片的設計有更多的挑戰。
廣告

具體的變革與挑戰為何？關於此蘇祝鼎說明：HDA與連線頻寬是過去AC'97的2倍以上，音效的格式、取樣率也都更高標要求，所以CODEC晶片內的轉換器也必須提高工作效率才能因此新要求，另外HDA的架構比過去（AC'97）更彈性，然同時也更複雜。因為運作更快速、架構更複雜，因此就更容易產生雜訊、噪音（Noise），音質上就更難控制，然HDA也對音質有要求，其訊噪比（SNR）必須在100dB以上，這些都是HDA CODEC設計上的挑戰。
另外，在AC'97時代音效電路的運作頻率是由CODEC端操控，但進入到HDA後改由（音效）控制器端操控（固定為24MHz），不過控制器並不具備相鎖迴路（Phase Lock Loop；PLL），在音效取樣率不是運作頻率的整數倍時（如44.1kHz，無法以單純除頻來處理）HDA CODEC就必須用變通設計來因應，例如內建PLL到CODEC晶片中，以此來支援非同步性的頻率，但是CODEC一方面要比過去更高速運作，另一方面還要支援非同步的音效頻率，再加上音質方面的要求（音訊資料丟失的控制），都比過去AC'97更困難。
難度不僅於此，蘇祝鼎接續說：HDA強調音源孔的接入感測、功效切換、聲道再配置等新特點，這些也讓CODEC的電路設計難度變高，尤其在音源功效切換（Re-tasking）時必須盡可能避免氣爆雜音（pop noise）的發生，這也是過去未有的挑戰。
更重要的是，實現上述種種功效、克服上述種種挑戰還必須有一個前提考慮，那就是尺寸面積，包括CODEC裸晶時的尺寸面積、封裝後的尺寸面積、CODEC晶片在電路板上的電路佈局面積，這些都與成本息息相關，此方面也必須兼顧。然後，CODEC晶片還必須與晶片組（內建音效控制器）能正確地相容，也必須能與作業系統相容，特別是要取得Windows Vista的驅動程式管理員（Driver Test Manager；DTM）的認證，如此才算完成HDA CODEC的設計。
Jack Re-tasking的實現手法
延續「音源功效切換」的議題，王柏智對此進行補充：早在4年前的AC'97時代我們就已經在音效電路上實現過Re-tasking，每一個音源接孔都可以任意配置、切換成其他的音源功效，包括Line-In（音源輸入）、Line-Out（音源輸出）、MIC（麥克風）、EAR（耳機）、SPK（喇叭）等，且每個音源孔也都可以感測到音效裝置的接入（此稱為Jack Sensing）。
不過，Jack Sensing、Re-tasking的硬體實現手法各業者差異不大，真正的差異點將會是在接入後、切換後的軟體程序，如何提示PC使用者裝置已接入，以及如何親和、直覺地導引使用者進行功效配置、聲道切換等，對此有的業者採行過往常用的精靈式程序，即是一連串的設定步驟、畫面程序，然我們傾向較親和、直覺的作法，在裝置提示之後立即讓用戶決定該接入點的功效與對應配置。
特有音效技術的授權策略
除了合乎HDA的各項新要求外，各CODEC業者也都積極發展自有獨特性與加值性，對此經常會向各音效技術實驗室尋求技術授權，並將技術應用在晶片上，或者是晶片驅動程式中，然如此也會增加CODEC方案的成本，因此在加值與成本之間當如何權衡取捨呢？
對此王柏智表示：音效技術眾多，但並不是每項技術都具有高受用性，或具有明顯效果，如果花費去取得受用性不高、效果不顯著的音效技術，確實只是徒增成本而已。不過反過來看，也確實有些音效技術有其授權價值，例如Dolby實驗室的Dolby ProLogic-II、或如dts的Neo:6等，可以將雙聲道錄製的內容在播放前進行再處理，使其獲得近乎多聲道的播放效果。
再舉個例子，今日的電視多在20吋左右，因為機體、構型等的限制此類型電視的喇叭在出聲上也難有廣闊的音場，對此電視業者多在電視內用上SRS的TruSurround技術，透過該技術的再處理就能使音場表現加大，此項技術在日本市場相當普及與受歡迎。
同樣的，筆記型電腦的喇叭設計也遭遇與20吋電視類似的難題：因構型因素難以有寬闊的音場表現，對此在筆記型電腦所用的CODEC方案上，就有需要取得TruSurround的技術授權。當然！有時音效技術授權也與「客戶的規格需求」、「客戶的價值認同」有關，在OEM業務方面，下訂單的客戶可能會具體指名需要哪些音效技術的授權；而在零售上，末端使用者多半認同哪些技術的功效價值、多半不認同哪些技術的功效價值，也是CODEC業者決定授權與否的重要參考。目前Realtek多採行Dolby、dts、BBE、Maxx等業者/機構所研發出的音效技術。
Multi-Room、Multi-Streaming的應用
雖然HDA有多種新功效，但最受人矚目的莫過於多房間播放、多組音訊串流的應用，但是許多人可能都不知道，Multi-Streaming功效其實在AC’97、Windows XP時代就已經存在。王柏智解釋：在AC'97時代PC就同時具備有類比音源與數位音源，一般日常普遍使用的是類比音源，然S/PDIF介面的部分就是數位音源，類比音源與數位音源能各別獨立運作，如此即是一種Multi-Streaming。
因此Multi-Streaming在實現上已不成問題，真正的技術重點已轉至「如何讓使用者更方便設定、運用Multi-Streaming？」這包括預設的聲道配置是否最合乎最普遍性的運用情境，如果真的要再行調設如何讓使用者以最直簡、快速的方式完成新配置。如果不考慮更直覺、方便的作法，則最正規、制式的方式就是到作業系統的控制台進行設定，但這也是最不便利的方式。
有關這些便利性的細節PC硬體業界也與Microsoft有過多次討論，原本的理想是認為：聲道的配置可以全然由應用程式與作業系統間的自動協議來達成，但最終的結論還是讓PC使用者自行調設決定。
陣列式麥克風、數位麥克風
HDA不僅提升音效的播放應用，同時也強化了音效的錄製應用，HDA提倡使用陣列式麥克風（Array MIC），過往PC所用的麥克風多僅以單聲道（全向）或雙聲道（左右向）來錄音，陣列式麥克風則具備更多的聲音方位感測性，並針對真正的發聲位置進行強化感測，同時將其他方位的聲音感測降低或濾除。
王柏智舉例：現在許多筆記型電腦都在顯示器上端設置視訊攝影機，且為了更切合視訊電話、視訊會議等應用，所以會在攝影機旁設置麥克風，這時HDA的陣列式麥克風可以將中央方位的聲音感測性進行增益，然後將中央方位的左右各30度∼60度的偏測方位感測進行感測性衰減（約衰減10dB∼20dB），以此來強化真正發聲處的錄音品質，此作用稱之為波束成形（Beam Forming；BF），更簡單說也稱為「指向性錄音」。
除了指向性錄音外，HDA還可以去除不必要的循環迴音（Acoustic Echo Cancellation；AEC），以及去除固定頻率的環境噪音，例如風扇、冷氣等空調聲，此稱為雜音濾除（Noise Suppression；NS），且這些濾除功效都可讓使用者自行決定啟用或關閉。
雖然提及HDA大家都會想到陣列式麥克風，但有另一項也屬於麥克風的技術變革值得注意。王柏智說：為了在筆記型電腦的顯示器上端設置麥克風（因為該位置最接近使用者的嘴巴位置），麥克風將離CODEC晶片的位置相當遠，與過去麥克風就設置在CODEC晶片位置附近大有不同。
離CODEC晶片位置過遠，則麥克風感測後的信號要經過較遠的傳輸路徑才能到達CODEC晶片，路徑上很容易造成信號衰減或受雜訊干擾，為了避免衰減與干擾，將嘗試把傳統類比麥克風換替成數位麥克風，即是麥克風感將聲波感測成類比信號後就立即轉換成數位信號，再以數位信號傳遞到CODEC晶片上，如此就能抵抗信號衰減、干擾。
2聲道、6聲道的HDA CODEC
最後許多人都認為HDA CODEC都必然是8聲道（7.1組態），然似乎也有所謂的2聲道、6聲道的HDA CODEC，這是何種考量下的設計？
關於此王柏智表示：6聲道（5.1組態）的HDA CODEC主要是針對新興國家市場而設計，強調成本的精省，至於2聲道則是針對商用桌上型電腦、商用筆記型電腦而設計，此類型的應用較無多聲道性的需求。
不過這是目前的設計，緊接著將推出10聲道（7.1＋2組態）的HDA CODEC，其中7.1聲道將設置在PC的背板位置，而2聲道則設在前板位置，2聲道適合在網路電話、視訊會議、線上遊戲的聯絡、語音辨識等應用。此外也將推出4聲道版的HDA CODEC，此是呼應Microsoft的策略，Microsoft期望（附註1）未來無論桌上型、筆記型PC都至少能支援4聲道（2＋2），如此有2聲道能用於基本的雙聲道音效播放，而另2聲道能用於語音通話，以此作為最初階的HDA運用。
附註1：Microsoft對PC硬體業者的設定，今（2007）年6月1日開始所有桌上型PC都至少必須具備2＋2的聲道組態，而筆記型PC從明（2008）年6月1日開始也要達相同要求。

圖說：高清晰度音效（HD Audio）的軟硬體架構圖，其中作業系統的更上端是應用程式，而高清晰度編解碼器的更下方則為喇叭、耳機、麥克風、擴大機等。（製圖／郭長祐）

圖說：高清晰度音效的多串流（Multi-Streaming）音效應用之一：將5.1的DVD六聲道音效輸出到客廳，同時將雙聲道（Stereo）的CD音效輸出到臥房。（www.I）

圖說：高清晰度音效的多串流（Multi-Streaming）音效應用之一：在臥房內用播放雙聲道音效的同時用另外2個聲道來進行語音應用，其中1個聲道用來接聽語音，另1個通道用來輸出語音。（www.I）

圖說：瑞昱半導體（Realtek）的10聲道（7.1＋2）高清晰度音效編解碼晶片：ALC888T，採行64接腳、LQFP封裝。（.tw）