Hi-Fi和声学

　　Hi-Fi和家庭影音系统其实并不是指同一样事情，相反，他们是相对的，Hi-Fi全称是High-Fidelity，意思为“高保真”，根据百度百科的定义，Hi-Fi是指与原来的声音高度相似的重放声音。而家庭影音系统的组成，根据百度百科的定义，包括：影碟机、调谐机、电唱机、均衡器、效果器、卡拉OK机、调音台、功放前级和功放。从定义来看，Hi-Fi和家庭影音系统存在着明显的区别，前者讲求“高保真”，需要准确还原每一件乐器的声音和位置。而家庭影音系统则讲求震撼和排山倒海的视听效果，只要能够感受到炮火在不同方位爆炸，直升飞机在你头顶盘旋，仿佛身临其境即可，必要时还能够加入音效进行修饰。或者使用音效工具将声音的音调、频率、振幅等指标调得面目全非，和Hi-Fi追求的“准确”有很大区别。

　　搞清楚了两者区别，今天我们的定调也就清晰了，本文介绍的是Hi-Fi芯片和Hi-Fi系统，而不是家庭影院系统，所以在下文主要还是讲述Hi-Fi芯片如何让智能手机的Hi-Fi系统变得更加“高保真”。

　　每一块Hi-Fi芯片加入Hi-Fi系统中每一个环节，其实都有其自身的作用，不过要了解这些Hi-Fi芯片的作用，我们必须先了解一下声音的传播原理和Hi-Fi系统的各个组成部分。

　　先回顾一下物理课知识，模拟信号和数字信号的区别：根据百度百科的定义，模拟信号是指连续变化的物理量所表达的信息，如温度、湿度、压力、长度、电流、电压等，模拟信号在一定时间内有无限个不同的取值，表现在图表上一般就是连续而平滑的曲线。

　　相应地，数字信号是离散的、不连续的信号，举个最简单例子，由于数字信号只有两种状态，1和0，以电压为例，我们假设“1”是高电平，“0”是低电平，同时以5V为分界线，高于5V为高电平，低于或者等于5V为低电平，这个时候就可以用两种状态去描述不断变化的电压。聪明的伙伴应该意识到，数字信号并不是记录连续变化的物理量，而是在一定时间间隔，通过采样来记录相关物理量，所以最终在图表上显示的图案并不是一段曲线，而是棱角分明的类似柱形图的形状。注意，电压这种物理量既能够用模拟信号表示，也能够用数字信号表示。

　　声音的传播过程，简而言之就是将声波变成电信号，将电信号从模拟信号（经过采样、量化和编码）转变为数字信号，再放在信道（可以看作是声音的传播通道，类比汽车行驶的高速公路）进行传播，抵达接收端的时候，再将数字信号还原为模拟信号，最终将电信号还原为声波。为什么不直接用模拟信号进行传播呢？很简单，还是电压这个例子，3.5V和4V对于模拟信号来说区别很大，如果直接用模拟信号传播的话，在复杂多变的信道环境中很容易受到干扰，让3.5V电压值畸变成4V，数据无效，需要重传数据。

　　将模拟信号转换为数字信号再进行传播的话，即使遇到干扰和噪声，让3.5V电压值变成了4V，根据上文提及的数字信号的特征，我们假定了在5V以下，3.5V和4V都属于低电平，也就是“0”这种状态，所以数字信号在信道传输过程中，即使被干扰也只会出现“0”这种信号，最终抵达接收端的时候，通过解码程序就能够准确无误将“0”这种数字信号状态还原成“3.5V”这个模拟信号物理量。请看下图：

声音的传播过程

　　最左边的红色字体标示了四个关键设备：输入设备（麦克风/录音机）、前端（播放器/手机）、后端（耳放/运放/功放）、输出设备（耳机/音箱），这些也是声音能否真实还原的关键，也就是“高保真”的关键。

　　接着我们再看上图最右边的区域，首先我们先聊聊录音部分，一段声音首先必须通过输入设备的“高保真”记录之后，才能够在最终回放环节获得原汁原味的重现。这也是声音转变成电信号之后，再由模拟信号转变成数字信号的重要环节，在手机Hi-Fi体系中我们用ADC这种芯片进行把关，例如vivo Xshot中采用TI的TLV320ADC。而ADC芯片的作用，其实就是负责在模拟信号转变为数字信号的时候，尽量提高采样率，同时减少压缩率。

输入设备

　　采样率分为采样速度和量化位数，不懂？192kHz/24bit有印象吧？这年头不要说索尼、魅族和vivo，连小米、nubia、联想等不是音乐播放器起家的厂商也在追求这项参数。192kHz指的是采样速度，24bit指的是量化位数。由于采样速度和量化位数的内容牵扯到很多音频知识，但是它们不是今天的主题，所以请各位读者姑且记住，这对数值越大越好，也就是192kHz/24bit相比以前的44.1kHz/16bit（CD标准）采样率要好。

　　提高采样率的同时，我们需要减少压缩率，也就是和MP3格式之类的高压缩音频文件说再见。还记得以前没有出现192kHz/24bit的所谓“高保真”音频文件的时候，我们买CD听的时候也会觉得CD的音质很好。而上文提过，CD标准的采样率只是44.1kHz/16bit，为什么相比如今那么多所谓采用192kHz/24bit采样率的音源文件（MP3格式），音质上好上不少，这就是压缩率的原因。

　　MP3、OGG格式的音频文件经过压缩之后，把很多细节阉割掉，音质差了不少。采用这种有损压缩格式进行存储音乐文件的原因，主要还是因为采用了高采样率采样的音频文件体积庞大，不便于后期存储和移植到其它地方分享、传播。而CD标准的压缩率普遍不高，所以即使采用率不高，但是依然能够拥有很好的音质。

　　像MP3、OGG这类依靠丢失细节和损害音质，从而大幅度压缩文件大小的音频格式，我们称为有损压缩。另一种相对的压缩方式就是无损压缩。常见的无损压缩格式有FLAC、WAV、DSD、APE，这几种格式压缩率不高，很好地还原了音频文件的细节，缺点就是生成的文件体积比较大。

　　解释了ADC职能，接下来我们看看前端。前端的作用就是把刚刚录制好的声音片段（已经变成了数字信号），通过软件和硬件结合调用的方式进行解压缩和解码。既然有了将模拟信号编码成数字信号，之后进行了压缩的步骤（录音），根据对称性，肯定有解压缩，并且将数字信号还原成模拟信号的步骤（回放声音）。

前端

　　关于解压和解码，以本文的重点——智能手机为例，回放音乐时候，我们首先打开音乐播放器，这时候音乐播放器就会有两种选择，要么调用专门的DSP芯片（例如Cirrus Logic的CS4398）对音频文件进行解压缩和解码（俗称硬解），要么就推给万能的CPU进行处理（俗称软解）。CPU日常工作本身就很多，再扔给它处理音频解压和解码无疑增加了CPU的运算压力，不要以为如今的CPU已经拥有8核心，上了64位架构运算能力就很了不起，音频文件需要处理的信息量也与日俱增，更别提有时候CPU还要兼顾处理4K视频等庞大的信息量。所以为了减轻处理器的工作压力，手机厂商在硬件层面上引入一些芯片分担处理器运算压力，除了本文提及的DSP（DAC、ADC等），最常见的例子还有苹果和华为如今大肆宣传的协处理器。

　　言归正传，专职负责音频解压和解码工作的DSP芯片，常见的有CS4398和ES9018K2M。当然，在解压音频文件的过程中，手机厂商特别喜欢加入“音效混响”来优化音质的表现。加入不同的音效进行优化，都会让最终的音频文件在回放时候走向两种不同的结果。结合百度百科的资料和小编的理解，业界喜欢将能够提高“Hi-Fi”音质的音效称为“还原性音效”，而将能够让音质变得更加符合用户个人喜好的音效称为“修饰性音效”。前者的调音结果很好理解，就是将解压后的音频文件尽量弥补、修复、还原，调整到和录音时候无异，后者的调音结果则是千差万别，极端情况下，还能够让一首充满喜感的曲目变成哀乐，街边商铺经常播放的那些disco版本的伤感歌曲其实可以通过修饰性音效获得。

　　“还原性音效”的代表就是Dirac、Beats、BBE，“修饰性音效”的代表就是SRS。小编发现了一个规律，在手机上的SRS、调调、MaxxAudio中的MAXXEQ工具都提供了很多对音频文件进行调整的选项，人声强化、弱化背景、摇滚音效、电子风、爵士味等多种选项的组合就能够将一首曲目改得面目全非。相反，所谓的BBE和Beats音效，在vivo和HTC的手机上只有区区一个简单的开关，让用户选择是否开启。大概这就是“还原性音效”和“修饰性音效”的区别吧，一个一切从简，另一个包罗万象。

　　解压完毕，接下来就进入解码阶段，依然是CS4398等DAC芯片的职能，将离散型的脉冲电流（数字信号）变成喇叭能够识别的交流电信号（模拟信号）。

　　注意，以下这部分内容比较偏向学术性，所以不是太感兴趣的读者可以适当跳过这部分的内容。（对应下图的蓝色字部分）

后端和输出设备

　　DAC解码之后，由数字信号（脉冲电流）还原得到的模拟信号（交流电），信号一般都比较弱，手机厂商为了让这种交流电能够更好地推动耳机和喇叭工作，通常都会加入耳放/功放/运放芯片，放大模拟信号，增加交流电的电流强度，推动阻抗更高的耳机/喇叭，或者驱动灵敏度更低的耳机/喇叭。这部分的职能由OPA2604等运放/功放芯片和MAX97220等耳放芯片负责。

　　模拟信号经过耳放/功放/运放的放大后可以输出到输出设备（喇叭）上了。耳机和音箱的主要元件就是喇叭，所以接下来我们看看喇叭的工作原理，请看下图：

喇叭构造结构

　　从上图很好地看到整个音箱喇叭的构造结构，电信号主要就是通过直接或者间接驱动磁体、盆架、纸盘三个部分，最终让电信号转化为声音，还原到人耳，这部分内容由于和Hi-Fi芯片关系不大，所以请各位读者有选择性地看看就好。当放大后的交流电通过喇叭上一圈一圈的线圈，根据“安培定则”的原理，通电线圈附近就会产生磁场，同时，根据“安培力”的定义：通电导体处于磁场中的时候会受到安培力的作用。“安培力”的方向我们可以通过“左手定则”进行判断。在喇叭这个例子中，“安培力”方向会不断变化，主要是因为通电线圈所产生的磁场方向，会随着交流电方向不断变化，从而时刻改变“安培力”的方向。

　　另外，喇叭上固定的磁铁也会产生磁场，磁场方向是恒定的，这就会和上述磁场相互作用，从而削弱和增强这种“安培力”的效果。具体的两种情况请看下图：

两个磁场方向相同

两个磁场方向相反

　　两个磁场相互作用下的“安培力”最终就会推动线圈在两个相反的方向来回移动，从而带动连接在线圈的纸盘震动，纸盘震动从而让附近的空气不断经历压缩和膨胀两个过程，最终形成声波，简简单单的喇叭原理，牵扯到电学、力学和声学三门物理学知识。

　　了解了声音的传播原理和Hi-Fi芯片分别作用于声音传播的哪些环节，接下来我们总结一下：

　　1、输入阶段：ADC，例如TI TLV320ADC

　　2、解码阶段：DAC，例如Cirrus Logic CS4398

　　3、输出前放大信号阶段：运放/功放/耳放，例如OPA2604