ЦАП. Цифро-аналоговый преобразователь [PCM R2R DSD]

R2R ЦАП vs дельта сигма ЦАП (PCM) vs DSD DAC

Сравнение R2R ЦАП vs дельта сигма ЦАП (PCM) vs DSD DAC

Прочтите описание инфографики ниже

PCM ЦАП основанный на сигма дельта модуляторе имеет 2 ключевых достоинства:

• линейность амплитудной характеристики (выход/вход) цифрово аналоговой конверсии;
• простота разработки и производства.

R2R DAC (binary weighted resistor digital analog converter), основанный на резисторах, имеет проблемы нелинейности из-за разброса значений их сопротивлений. Потенциально, это также может привести к проблеме слышимых продуктов, порожденных ультразвуком (интермодуляционные искажения).

Разработки дельта сигма модулятора может доставить некоторые трудности. Но это полностью цифровой модуль, который, как правило, может устанавливаться без дополнительной или сложной настройки в процессе производства. Что приводит к его упрощению и снижению стоимости устройства (ЦАП).

С другой стороны, R2R PCM ЦАП не содержит сигма-дельта модулятор и не имеет проблем его устойчивости при воздействии перегрузки.

DSD ЦАП избавлен от обоих проблем: нелинейности резисторной матрицы R2R и устойчивости при воздействии перегрузки. Музыкальные DSD записи (оригинальные и предварительно конвертированные из PCM) могут быть различным образом подвергнуты нойз-шейпингу. Он может быть более или менее оптимизирован для аналогового фильтра, который, как правило, имеется на выходе любого ЦАП. Читайте подробности >

DSD-конвертация: фейк или благо?

Рекламные анонсы ЦАПов часто хвастают поддержкой DSD, хотя новых DSD-релизов в этом формате выходит даже меньше, чем кассет. Однако существует и другая почетная ипостась для этого режима — облагораживать дубовость PCM-формата.

Пожалуй, ни один цифровой аудиокодер не был окутан одеялом противоречивых слухов и домыслов. Одни говорят, что DSD — это наиболее близкий к аналогу формат, другие, что Sony нельзя верить, третьи — что редактировать его невозможно, а потому все SACD — это фейк. Четвертые уверены в том, что SACD скопировать невозможно, пятые — что возможно. Словом, в этот раз я решил испытать DSD на тестовом стенде лично.

Речь пойдет не о сравнении коммерческих фонограмм, изданных в PCM- и DSD- формате. Это уже все было. Куда больший практический интерес представляет идея конвертации вообще любой музыки в DSD с последующим воспроизведением. Ранее я уже сталкивался с тем, что даже китайский нонейм лучше обрабатывал PCM-поток, если он был предварительно закодирован и поступил на чип в DSD-виде. К этому времени ряд производителей позволил выполнять эту процедуру не внешней программой, а непосредственно на уровне железа аудиокомпонента, так что настал момент изучить это явление с линейкой.

В роли линейки, как всегда, выступит наша стандартная RMAA-процедура. Разработчики по понятным причинам не предусматривали в ней тесты в DSD-домене — его нельзя «посчитать». Но можно «посчитать» аналоговый выхлоп источника, воспроизводящего DSD. Разумеется, это должен быть ЦАП высокого класса с минимумом собственных искажений, чтобы тонко отследить все отличия.

Эта роль сегодня предназначается новенькому TEAC UD-505 с новейшими чипами Asahi Kasei AK4497. В числе различных вариантов апсемплинга UD-505 предлагает закинуть в DSD256 или DSD512 любой сигнал, хоть с Bluetooth-приемника. Вот и запустим в таком режиме тестовый RMAA-трек с дискретностью 24 бит / 44 кГц.

В первой колонке приведены результаты работы ЦАПа в PCM-режиме с цифровым фильтром SD (т.е. Short Delay) Sharp. Если судить только по цифрам, то TEAC в роли самостоятельного DSD-PCM конвертера выступил хуже всех. Хотя апсемплирование ориентировалось на рекордные частоты DSD256 (11,2 МГЦ) и DSD512(22,4 МГц); по сравнению с оригиналом уровень шумов вырос почти на 20 дБ. Динамический диапазон 24-битного сигнала сократился до 99 дБ, а это практически CD-разрешение. Изменилась и АЧХ, которая своим спадом теперь больше напоминает работу ЦАПа в NOS-режиме.

Теперь сравним еще пару вариантов DSD-воспроизведения. Вторым выступит еще раз TEAC, но теперь конвертация будет проведена аудиоредактором Tascam Hi-Res Editor. Программа позволяет получить на выходе DSD-файлы из РСМ-оригиналов. А третьим вариантом будет конвертация PCM-DSD «на лету», выполненная силами софта плеера Jriver. Забегая вперед спешу сообщить, что хотя сигнал снимался с одного и того же выхода ЦАПа, во всех случаях были получены совершенно разные результаты. Вот вам и «дельта-сигма, которая и в Африке дельта-сигма».

Здесь еще следует добавить, что количество замеров удвоилось из-за того, что UD-505, в свою очередь, имеет два фильтра для DSD-декодирования — wide и narrow. И если в случае аппаратного апсемплинга на UD-505 их работа не слишком отличалась друг от друга, то воспроизведение «чужих» DSD выявило заметную разницу.

Из эксперимента были исключены режимы DSD256 и DSD512, поскольку в сравнении с младшими они не продемонстрировали прибавки в качестве, а апсемплирование до DSD512 на Jriver еще и перегружало процессор компьютера, вплоть до выпадений звука.

Итого: рассматриваем работу двух режимов DSD64 (2,8 МГц), DSD128 (5,6 МГц), пропущенных через фильтры wide и narrow у TEAC UD-505. Вот, кстати, официальные параметры указанных фильтров из мануала к ЦАПу:

Начнем с базового DSD64 (2,8 МГц). Кривые АЧХ показывают, что у всех сигналов имеется некая общая точка в районе 4,4 кГц, где они все сходятся, а затем разбегаются в разные стороны. Оригинал PCM (серый график) имеет небольшой подъем в области ВЧ из-за Sharp-фильтра — это вот такая имеется особенность AK4497 в данном режиме. Подъем небольшой, менее 0,25 дБ, я специально увеличил шкалу для наглядности разницы.

Красным и черным выделены графики, полученные при воспроизведении файлов конвертации из Tascam Hi-Res Editor. Наиболее линейный результат демонстрирует конвертация в DSD на Jriver при выборе фильтра wide у TEAC UD-505 (синий). В случае narrow (зеленый), наоборот, спад будет самым сильным в группе, но при этом демонстрируются минимальные искажения в группе. На графике искажений можно видеть характерный подъем шумовой полки — это работает нойз-шейпинг алгоритм. В данном случае бояться его не стоит, смотрите на вертикальную шкалу графика. Даже в самом агрессивном варианте общий уровень шума не поднимается выше -113 дБ.

Различия работы wide- и narrow-фильтра уже не столь очевидны на частоте 5,6 МГц, но на картинках по-прежнему четко видна разница подходов Jriver и Tascam Hi-Res Editor. У Jriver АЧХ ближе к оригинальному PCM, при этом у всех вариантов графики шумов слились воедино. Нойз-шейпинга уже не видно — он вынесен за пределы слышимого диапазона 20 кГц.

Какие можно сделать выводы? Как видим, даже такой, казалось бы, устойчивый к трансформации формат демонстрирует на выходе совершенно разное поведение. Т.е. кодеры и декодеры DSD могут работать по нескольким протоколам. Имеет ли смысл пробовать DSD как промежуточный контейнер перед подачей РСМ-оригинала на ЦАП? Короткий ответ — да, имеет смысл пробовать. DSD128 (5,6 МГц) обеспечивает формально сопоставимые с РСМ показатели базовых измерений RMAA. Использование более высоких частот дискретизации в DSD не имеет смысла при хранении данных и не демонстрирует своих преимуществ с точки зрения аудиоопыта. И здесь (кроме приведенных цифр) следует поделиться личными впечатлениями как слушателя.

Возможно, это не столь очевидно из приведенных замеров RMAA, но у DSD, несомненно, есть свой почерк и подход к звуку. Дело в том, что микрофон и человеческое ухо «воспринимают» звучание по-разному. В PCM Hi-Res-разрешение фонограммы растет единым фронтом. Микрофон с одинаковым усердием потащит в запись и полезную музыкальную фактуру, и вредные артефакты и переотражения. А потому даже на очень детальных акустических записях нас не покидает ощущение присутствия при некоем «искусственном событии».

Ключевой момент DSD-процесса, что он как бы, наоборот, скрадывает «лишнюю» реверберацию, извлекая главный солирующий инструмент. Сложно прокомментировать эту особенность в рамках технического инструментария. Вероятно, речь идет об определенных временных характеристиках сигнала, что в комбинации с нойз-шейпингом дает ту специфику обращения с музыкальным тембром, которая так угодна человеческому уху.

Все, кто бывал в концертном зале, помнят, что там нет никакой «сцены» и других характеристик, которыми принято оперировать в аудиожурналистике. В жизни звук, как дух святой, живет где хочет. Вы можете сидеть не в самом удачном ряду, но прекрасно сфокусируетесь на первых тихих звуках виолончели. Этот момент «узнавания» весьма важен. А вот после микрофона РСМ-рекордера данное мгновение будет описано не столь драматично: к шорохам зала просто «прибавится» еще и музыкальный инструмент, который постепенно перекроет их по громкости. Понимаете разницу событий? В этом смысле избирательная тактика DSD стоит несколько ближе к реальному слуховому опыту, чем PCM.

И именно поэтому я бы рекомендовал DSD только для записей натуральных инструментов — симфонических, камерных и других ансамблей, где не было дополнительной обработки студийной машинерией. Не зря Кевин Грей говорил, что студийный микс в DSD не похож на то, что они слышали за консолью. Да, это правда. DSD снижает остроту студийного глянца. Многоканальным, эквализованным, отфильтрованным и компрессированным на различных уровнях фонограммам DSD не нужен. Ну, или нужен по крайней мере для маскировки слишком агрессивного мастеринга. Поэтому пользуйтесь DSD с удовольствием, но не забывайте периодически его отключать!

ЦАП схемы. Краткое сравнение

Сравнение типов ЦАП (схемы)

Схема минималистичного R2R ЦАП (часть A изображения выше) содержит резисторную матрицу (ladder). Каждый из резисторов матрицы имеет отклонение от требуемого значения. Это приводит к нелинейности.

Аналоговый фильтр предназначен для удаления алиазов цифро-аналоговой конверсии. Аналоговый фильтр имеет плавное изменение подавления с ростом частоты. Соответственно, не могут быть глубоко подавлены все алиазы. Эти алиазы могут привести к появлению слышимых продуктов, порожденных ультразвуком благодаря нелинейным искажениям (интермодуляционные искажения).

Аналоговый фильтр имеет минимальное подавление в области низких частот. Для подавления алиазов в низкочастотной области используются оверсемплер и цифровой фильтр, который имеет более крутой рост подавления с частотой, чем аналоговый (часть B изображения выше). Но появляется новая проблема: оверсемплинг добавляет свои алиазы с которыми борется цифровой фильтр.

Читайте подробности здесь >

Нелинейность резисторной матрицы может быть решена с помощью цифрового сигма-дельта модулятора (часть C изображения выше). Потому, что такой модулятор является линейным устройством. Но дельта сигма модулятор имеет проблемы с нарушением стабильности при перегрузке.

Когда входным цифровым потоком является DSD (1-битная сигма дельта модуляция) вместо PCM, минималистичный DSD DAC содержит пару резисторов и аналоговый фильтр (часть D изображения выше).

Конечно, реальные ЦАПы — это более сложные устройства, чем они показаны здесь на схемах. Встают вопросы качества питания, температурной стабильности, разброса логических уровней и т.п. Концепции ЦАП (части A, B, C, D на картинке) дают только потенциальные возможности разработчикам. И они не гарантируют лучшего качества определенному типу DAC.

Подробности о том, как работают эти схемы, читайте далее.

Сравнение параметров: резисторный R2R, сигма дельта PCM, DSD ЦАП

В аналоговой сигма-дельта модуляции 1 уровень может значить в действительности 2 (положительный и отрицательный).

Читайте подробности далее.

Как звучат различные типы ЦАП

Довольно часто автор читает дискуссии, в которых обсуждается предпочтение одного вида DAC перед другим. Участники дискуссии имеют практический опыт прослушивания ЦАП и оценки их качества звучания.

В этой статье автор не будет рассматривать качество записи/сведения/постпродакшн, которые также являются вопросом оценки качества звука DAC. Потому, что достигнуть полной идентичности копии одной записи в разных форматах может быть технически невозможно.

Производство аудио треков имеет несколько стадий:

• запись;
• сведение;
• постпродакшн/мастеринг;
• конверсия в разные форматы.

Как производятся тестовые аудио записи

На картинке выше изображены несколько путей производства тестовых музыкальных записей.

Для некоторых записей некоторые стадии могут быть исключены. Или для одна мастер-запись (финальный продукт музыкального производства) может быть конвертирована в несколько форматов.

Один акустический материал может быть записан сразу в 2 формата. В этом случае разница имеется в записывающем оборудовании (микрофоны и их предусилители, аналого-цифровые конвертеры и пр.) и его настройках.

Таким образом, сравнение типов ЦАП может включать, как минимум, сравнение конвертеров аудио файлов или записывающего оборудования.

Основная техническая проблема, возникающая при сравнении типов DAC — это различия в их схемах.

На картинке Сравнение типов ЦАП (схемы) показано влияние внутренних модулей цифро-аналоговых преобразователей на качество звука (уровень искажений).

Здесь может быть много переменных, которые необходимо рассматривать при сравнении DAC.

Например, в резисторных ЦАП, сопротивления могут иметь различные разбросы. Это может привести к различной нелинейности и разнице в звуке. Даже между различными экземплярами одной и той же модели устройства.

Другой пример: некий PCM DAC имеет проблемы алиасов оверсемплинга, но сравниваемый DSD DAC имеет худший аналоговый фильтр. Возможно ли предположить, который из них звучит лучше? Вероятно, нет.

Таким образом, невозможно сравнить звучание типов DAC, как абстрактных устройств. Но можно сравнить звучание конкретных экземпляров реальных цифро-аналоговых конвертеров, невзирая на их внутреннее устройство.

ЦАП DSD Signalyst DSC1 — DIY

Хочу начать тему про очень интересный ЦАП по открытому проекту — Signalyst DSC1. Особенность ЦАП – работа только с SDM(DSD) потоком, что позволяет сделать его очень простым с технической точки зрения.

Автор идеи – Jussi Laako (создатель HQPlayer). Проект датирован апрелем 2015 года. Активно обсуждался и обсуждается на computeraudiophile, diyaudio. В рунете есть ветка на ixbt и Вегалабе.

Идея ЦАП идеально проста:

1. В SDM (DSD) потоке плотность логических 1 определяет величину сигнала, поэтому достаточно считать плавающее среднее по потоку и таким образом восстановить сигнал. Правда в нем будет много ВЧ шума. Принцип SDM модуляции наглядно проиллюстрирован на сайте Analog Devices.
2. На втором этапе мы пропускаем восстановленный сигнал через фильтр НЧ (не обязательно сложный, достаточно аналогового) и далее его.

Классическая реализация не сложнее (описывается оригинальная схема Jussi Laako):

1. Для первого этапа используются 4 сдвиговых регистра по 8 резисторов в каждом (см. ниже часть схемы). Т.е. мы получаем сумму 32 отсчетов SDM потока (плавающее среднее – значения от 0 до 32).
2. Далее в оригинальной схеме идет IV конвертер, фильтр НЧ и выходной буфер.

Более подробное описание принципа работы Signalyst DSC1 от автора идеи можно посмотреть по ссылке.

Кстати, примерно такой же принцип и у современных дельта сигма чипов (только количество тапов в фильтре у них больше 32) и в ЦАП на матрицах резисторов, если заявлена «родная поддержка DSD».

История развития Первые реализации предложенной схемы давали неприятный эффект «журчания». По видимому, он представлял собой продукты корреляции несущей частоты SDM с сигналом или шумами. Хотя причина «журчания» до конца не понятна, самое разумное объяснение, с моей точки зрения, дал Герман (@pm325) в другой ветке этого форума.

Digital Room Correction — цифровая коррекция акустики помещений

Касательно “журчания”: в публикации Idle tone behavior in Sigma Delta Modulation указано, что фундаментальная частота idle tones пропорциональна частоте несущей. Есть подозрение, что собака порылась где-то близко, ибо наблюдаемый характер шума усиливается в ряду DSD64-DSD128-DSD256-DSD512.

The implications of idle tone aliasing are quite important because it means that an idle tone located

outside the audible range can become audible when having an appropriate amount of DC offset.

Ссылка на крайне интересную статью по этому поводу, предоставленную Германом (idle tone, limit sycles — специфические аномалии SDM).

Уже в прошлом году появилась балансная версия ЦАП, в которых «журчание» полностью отсутствовало. Появились версии с трансформаторным выходом (т.е. IV конвертер, LPF фильтр и выходной буфер были заменены одним конденсатором и трансформатором).

Оцените красоту решения! Это даже ЦАП-ом сложно назвать!

Собранные платы и киты балансного варианта с разными выходными каскадами можно легко найти и купить на ebay и taobao. Китай вездесущий а проект открытый. Стоимость ~ 200 USD.

Российский вариант Sygnalist DSC1 Наш соотечественник Павел Погодин одним из первых (по моей информации, не хочу задеть других участников открытого проекта) довел DSC1 до достойного уровня (подобраны резисторы для минимизации SNR и трансформаторы, улучшена схема mute для устранения щелчков при переключении треков, балансная схема).

Andrea Ciuffoli дал высокую оценку его доработкам. В статье подробно описываются возможности воспроизведения PCM файлов через DSC1, приведены фото двух ревизий плат Павла.

Т.к. DSC1 понимает только SDM (DSD) поток, то для воспроизведения PCM контента нужно либо в реальном режиме времени делать конвертацию (HQPlayer, например) или заранее конвертировать коллекцию в DSD (PCM-DSD Converter, SOX 1.4.2, AuI ConverteR 48×44, Weiss Saracon). С моей точки зрения это даже хорошо, т.к. HQPlayer даст фору почти всем ЦАП с точки зрения качества алгоритмов конвертации (“почти” добавил для приличия).

Насколько знаю, Jussi Laako, первоначально отрицательно относившийся идее трансформаторного выхлопа, изменил свое мнение после тестирования плат Погодина.

У меня версия 2.5 платы Погодина с трансформаторным выхлопом. Дополнительно на тестировании находится выхлоп по схеме Jussi Laako.

ВАЖНО: проект не коммерческий, продажей плат Павел Погодин не занимается. Схемы, описание и возможные места покупки доступны по приведенным выше ссылкам. Я готов предоставить свой экземпляр для ознакомления в пределах МСК/МО.

Планы В начале следующей недели выложу свои измерения и сравнительное тестирование Signalist DSC1 v2.5 на обоих выхлопах с Auralic Vega.

Описание методики измерений:

1. Тестовые сигналы генерируются в Matlab (24bit 44.1кГц).
2. HQPlayer воспроизводит тестовый сигнал (апсемплинг в DSD64/DSD256 – модулятор ADSM7, фильтр poly-sync-shrt-2s) через uRendu (NAA) на DSC1.
3. Аналоговые выходы DSC – на аналоговый вход Focusrite 6i6 в ASIO. Частота дискретизации – 192кГц.
4. Сигнал принимался Matlab (он позволяет управлять настройками ASIO) и дальнейший анализ проводится в нем. Могу изменить, если необходимо.

Хочу выразить благодарность Герману (@pm325) и Павлу Погодину за помощь, консультации и возможность познакомиться с интересной констукцией.