Конвейерные или сигма-дельта АЦП для телекома

Возможно, кому-то мой обзор мытарств выбора настольного и не слишком дорого ЦАПа показался безысходным. Мол, ниже тыщи баксов и не мечтайте. На самом деле, это все — издержки слишком большого выбора. Невозможно устроить себе дома карусель из техники, лучше сначала немного систематизировать свои хотелки, а главное — антихотелки.

Что мне не понравилось во всех конвертерах прошлого обзора? Усилитель для наушников Texas Instruments TPA6120A2. По-моему, это какой-то отстой, куда его ни поставь. А какой мне усилитель нравится в своем Sony PCM-D100? Он называется MAX9722. Sony об этом не пишет, но добрые люди в интернете расковыряли и перечислили все имеющие значение детали этого рекордера. Вот по этой марке усилителя я искал на ebay свой следующий ЦАП. Поиск вывел всего 15 результатов. Сначала сам чипик, который, к слову, стоит не больше пары долларов. Потом какое-то старье с неактуальными параметрами. А потом, собственно, и конвертер, представленный в данном тесте.

Твик ультрабюджета

Название на коробке Leaf Audio воспринимается еще более призрачно, чем аналогичный бренд Douk в том же сегменте ультрабюджетного аудио. У них тоже имеются ЦАПыши схожей компоновки в формате сигаретной пачки на болтиках. Будем считать их нонеймами, потому что изделия более-менее раскрученного SMSL продаются уже дороже.

В нашем подопытном при цене 82$ заявлен вполне современный USB-преобразователь XMOS U208, плата с которым дешевле тридцати долларов не продается. На картинке большими буквами был написан ЦАП AK4497, хотя в самом заголовке объявления указан более скромный AK4490, но это меня вполне устроило. А больше всего утешил выход цифрового коаксиального выхода. Не понравится аналоговый выхлоп, скину сигнал на ресивер или другой ЦАП. Там же в объявлении за дополнительную десятку была обещана опция некого твика, повышающего качество звука, которую я, не раздумывая, выбрал при оформлении покупки.

Твик оказался красненькими кондерами, добавленными к базовой комплектации на плате, которую можно было оценить на стадии объявления. Часть надписей на чипах затерта, сам XMOS тоже какой-то странный, надпись еле читается и там что-то не очень похожее на U208. Кто их знает, наверное, берется какая-то левая партия, куда заливается фирменный софт. Само устройство определяется в звуковом микшере Windows 10 как XMOS S1-U8 DJ (ST), а в плеерах Foobar и JRiver как XMOS S1 U208. Чип AKM4490 вроде настоящий, и на том спасибо.

Сам корпус Leaf Audio, как я уже упоминал, весьма аскетичен, но при этом особо не огорчает. Просто рабочая коробочка, что-то типа компактного коммутатора для HDMI, если такая аналогия о чем-то напомнит читателям. На поверхности расположена цепочка, конечно же, синих диодов, указывающих на режим работы PCM до 44 и так далее до 384 кГц. Она же используется для обозначения битрейтов DSD, просто использует кратные 44 кГц величины. То есть SACD (DSD64) будет обозначен на 88 кГц, DSD128 как 176 кГц, а DSD256 как 352 кГц. Само устройство может работать автономно через USB, измеренное максимальное напряжение выходного сигнала на линейном выходе составило 1,6 Вольт. При этом предусмотрен разъем для внешнего питания ЦАПа и даже соответствующий кабелек. Последующие измерения не показали принципиальной разницы в цифрах, но психологически казалось, что с внешним питанием звук кажется чуть более плавным.

Эта опция окажется жизненно необходимой, если вы захотите подключить к Leaf свой телефон или планшет. Даже старинная модель айфона спокойно выводила любой хайрез на ЦАП через переходник Camera Kit. Чтобы самостоятельно запустить работу конвертера, конечно, питания смартфона не хватало, но здесь пригодился тот самый кабелек из комплекта и USB-разъем DALI Katch в качестве донора энергии. Полагаю, что с Android тоже не будет никаких проблем.

Что касается других систем, то Linux самостоятельно подхватывает Leaf, также как и Windows 10. Конвертер можно сразу использовать в плеерах Foobar и JRiver в режимах Kernel и WASAPI. ASIO драйвер к XMOS U208 доступен по ссылке от продавца. Сначала показалось, что воспроизведение при ASIO подключении не очень стабильно, но смена USB-кабеля от принтера на USB-кабель от сканера благополучно разрешило ситуацию. Включение/выключение устройства сопровождается внушительным хлопком в звуковом канале, этот момент следует иметь в виду.

Анализ

Дельта-сигма модуляция обладает всеми достоинствами дельта-модуляции и в то же время лишена многих её недостатков. Как известно, дельта-модулятор пригоден для работы только с хорошо коррелированными сигналами, поэтому для повышения коррелированности входного сигнала его можно пропустить через интегратор, а на приёмной стороне выходной преобразованный сигнал пропустить, соответственно, через дифференциатор.

Поскольку разность интегралов равна интегралу разности, то два интегратора на входах вычитателя можно заменить одним на его выходе. Что касается дифференциатора на приемной стороне, то он вместе с приемным интегратором может быть исключён. Таким образом, схема ДСМ отличается от дельта-модулятора положением интегратора на передающей стороне и его отсутствием на приёмной. Такое незначительное изменение в схеме значительно улучшило её характеристики и, в частности, позволило достичь отношения сигнал/шум –120 дБ.

Шумы

Одним из основополагающих принципов дельта-модуляции является превышение частоты Котельникова в K раз. При такой передискретизации эффективная разрядность, а соответственно, и отношение сигнал/шум, увеличивается согласно формуле K=2^N

, где K — коэффициент передискретизации, а N — количество дополнительных битов. Обычно применяется K = 64, и в этом случае эффективная разрядность будет 7 бит, а отношение сигнал/шум будет равно 42 дБ. Однако передискретизация сама по себе не является эффективным средством. Дальнейшее подавление шума производится благодаря самой структуре дельта-сигма модулятора. Чтобы понять, как именно происходит формирование спектра шума, используем линеаризованную дискретную модель системы, в которой входной сигнал представлен последовательностью x(n), выходной сигнал y(x) и шум квантования, вносимый компаратором и триггером,— e(n), что изображено на схеме линеаризованной дискретной модели системы.

Рассмотрим Z-преобразование этой системы дельта-сигма модулятора:

Y(z)= ((X(z)-Y(z)/z))/(1-1/z)+E(z)

Y(z)= (X(t)/z)+(1-(1/z)) E(z)

Видно, что полезный сигнал X(t) проходит эту цепь без изменений, с задержкой на 1 такт, в то время как для шума E(t) возникает препятствие в виде фильтра низких частот(ФНЧ). Таким образом, осуществляется формирование спектра шума в дельта-сигма модуляторе. Интегратор в данном случае выступает в роле ФНЧ для шумовой составляющей сигнала. Энергия шума сосредотачивается в области верхних частот, и бóльшая её часть может быть отфильтрована выходным ФНЧ. Таким образом, в выходном сигнале после демодулирования дельта-сигма последовательности наблюдается намного более низкий уровень шума, чем можно было бы предполагать. Следующим шагом по улучшению отношения «сигнал/шум» является повышение порядка модулятора. Следует особо отметить, что дельта-сигма АЦП с высочайшей (24 бита) эффективной разрядностью можно построить, всего лишь используя интегратор и стробируемый компаратор.

Информационные параметры

Ещё одним важным на сегодня параметром сигнала является его информационная ёмкость. Здесь следует отметить, что сигнал в формате дельта-сигма модуляции не требует кадровой синхронизации, а значит, считывать его можно в любой момент времени в записи или в канале передачи. В этом его сходство с аналоговым сигналом. Ещё одно важное его отличие — это факт одинаковой информационной ёмкости каждого бита в потоке, что повышает помехоустойчивость сигнала в формате дельта-сигма модуляции.

То, что нужно

Как показали первые такты, а за ними и вторые, третьи — ЦАП звучит именно так, как мне было нужно. То есть почти неотличимо от Sony PCM-D100, совсем неотличимо от AV-ресивера Marantz. И уж точно в лучшую сторону, чем все конвертеры, рассмотренные мною в прошлой статье. Достаточно мягко, чтобы сохранить музыкальность фонограммы без ваты, но в то же время без навязчивого суховатого окраса, который запросто можно встретить и в дорогих конвертерах. В прямом сравнении с линейным выходом Sony PCM-D100 звучание Leaf — как бы чуть в вуали и, вероятно, не столь породисто на ВЧ, но определенно невозможно было угадать источник, если просто зайти в комнату. На DSD-контенте эта тающая разница становится еще тоньше. Все-таки прямой дельта-сигма процесс сложнее испортить в отсутствие РСМ фильтров. И здесь начинается самое увлекательное.

Приложение JRiver позволяет конвертировать PCM в DSD поток, причем повышенной кратности. Почему бы его не скормить в Leaf?

DSD Native этот ЦАП не поддерживает, несмотря на обещания. Продавец в ответ на мои запросы рекомендовал «скачать Foobar». Он не видел разницы между режимами Native DSD и DoP (DSD over PCM), который Leaf, к счастью, поддерживает. Не буду переживать об этой разнице и я. ЦАП стал звучать лучше и объемней на DSD-контенте. Даже если в него на лету перегнали PCM исходник. Это, кстати, объясняет и приятный саунд SACD изданий, многие из которых делались отнюдь не с аналоговых мастеров. Просто в этом режиме конвертеру действительно легче работается.

В этом свете мне не совсем понятны ностальгия и новейшие поползновения в область мультибитного R-2R преобразования. Это как скучать по толстым компьютерам начала 80-х. Очевидно же, что тогда никому не снились вычислительные мощности DSD, который является более прогрессивным алгоритмом, и в то же время более минималистичным с точки зрения длины тракта. В подтверждение моего опыта предлагаю взглянуть на измерения, которые я всегда провожу после прослушивания.

Безо всяких скидок на бюджетность, этот Leaf демонстрирует вполне приличные показатели разделения каналов и динамического диапазона (111 дБ / 6 = более 18 бит). За исключением заведомо ущербного режима Direct Stream, как видим, ASIO, WASAPI и Kernel на потоке 24 бит/44 кГц дают в целом одинаковую картину. Чуть лучше по нижнему порогу шума выступил айфон в качестве цифрового транспорта. Неудивительно, вероятно, позитивную роль сыграла гальваническая автономность мобильника. Надо сказать, что в плане экранирования потроха Leaf совершенно не защищены, и звуковой тракт запросто может крякать от входящего звонка на телефон, лежащий просто рядом. Строго говоря, к «музыкальности» сигнала этот параметр большого отношения не имеет. Например, у вас в системе где-то тихонько фонят сетевые 50 Гц. Да, замеры покажут падение динамического диапазона, хотя при этом на слух с фонограммой все будет в порядке.

Сравнение мультибитных и дельта-сигма-цифроаналоговых преобразователей

Сфера применения ЦАП с каждым годом становится все шире, поскольку они находят использование в различных областях — усилители звука, системы автоматического управления, высокоточные установщики компонентов, устройства отображения, системы распознавания данных, калибровка датчиков и других измерительных устройств, цифровые потенциометры. В настоящее время широкое применения нашли два типа цифро-аналоговых преобразователей: мультибитные, построенные на базе R-2R матрице и ЦАП-ы с 1-битовым преобразованием, получившим название «дельта-сигма».

Ключевые слова: цифро-аналоговые преобразователи

The scope of the DAC is growing every year because they find use in various areas — sound amplifiers, video processing devices, audio codecs, display devices, data recognition systems, calibration of sensors and other measuring devices, motor control circuits, data distribution systems, Digital potentiometers. Currently, two types of digital-to-analog converters have been widely used: multibit, based on R-2R matrix and DACs with 1-bit conversion, called «delta-sigma».

Keywords: Digital-to-analog converters

1 Описание типов ЦАП

Широкое применение нашли два типа ЦАП: мультибитные и дельта-сигма цифро-аналоговые преобразователи. Говоря о мультибитных ЦАП, будет рассматриваться цифро-аналоговый преобразователь, построенный на матрице резисторов. Так же известный, как ЦАП с взвешиванием токов или ЦАП на базе матрицы R-2R. На рисунке 1 изображена матрица резисторов.

Рис. 1.Матрица резисторов R-2R

В цифро-аналоговом преобразователе, построенном на матрице резисторов R-2R формируется ряд напряжений, которые отличаются друг от друга в два раза. В конце резистивной цепочки находятся два резистора номиналом 2R, включенных параллельно. В результате их общее сопротивление равно R. При соединении резистора R и параллельного соединения двух резисторов 2R образуется делитель напряжения с коэффициентом деления 2. В результате напряжение на его выходе будет в два раза меньше напряжения на его входе. Общее сопротивление делителя составляет 2R, так как сопротивления R в нем соединены последовательно. В результате в следующем звене матрицы ситуация аналогичная., поскольку снова образуется параллельное соединение двух резисторов 2R и снова образуется делитель напряжения в два раза. Так как напряжения в узлах матрицы R-2R отличаются друг от друга ровно в два раза, то и ток через резисторы 2R будет отличаться ровно в два раза, то есть подчиняться двоичному закону. Если теперь эти токи подавать или не подавать на вход аналогового сумматора на ОУ в зависимости от входного двоичного числа, то мы получим цифроаналоговый преобразователь.

В основе работы дельта-сигма ЦАП лежит дельта-сигма модуляция. Сигма-дельта модуляция предназначена для аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразований звуковых сигналов. В отличие от импульсно-кодовой модуляции она позволяет использовать при этих операциях достаточно грубые преобразователи с числом разрядов вплоть до одного, обеспечивая при этом отношение сигнал шум до 120…140 дБ. Технология производства ЦАП на основе сигма-дельта модуляции значительно проще и дешевле, поэтому такие преобразователи широко используются в современных звуковых картах, оптической звукозаписи, цифровых магнитофонах, в измерительной и другой технике. На рисунке 2 изображена функциональная схема 1 бит ЦАП на основе дельта-сигма — модулятора 1 порядка.

Рис. 2. Функциональная схема 1 бит ЦАП на основе дельта-сигма — модулятора 1 порядка

2. Переходные процессы микросхем цифро-аналоговых преобразователей.

Хорошо спроектированная система должна не только быть устойчивой и поддерживать заданную точность в установившемся режиме, но и плавно переходить на новый режим при изменении заданного значения выхода (уставки). Качество переходных процессов обычно оценивается по переходной характеристике: один из простейших сигналов — так называемый «единичный скачок» («единичный ступенчатый сигнал»), то есть мгновенное изменение входного сигнала с 0 до 1 в момент. Формально этот сигнал определяется так:

График единичного ступенчатого сигнала и реакция системы на него показаны на рисунке 3.

Рис. 3. График единичного ступенчатого сигнала и реакция системы на него

Для тестирования была выбрана дельта-сигма ЦАП РСМ1794, на вход которой был подан прямоугольный импульс. На рисунке 4 представлена выходной сигнал микросхемы ЦАП, на котором отчетливо видно отличие формы сигнала, снятого с выхода микросхемы ЦАП, от прямоугольного импульса.

Рис. 4. Реакции дельта-сигмы ЦАП РСМ1794 на единичный ступенчатый сигнал

На рисунке 5 показан меандр частотой 1 кГц, который подается на входы дельта-сигма ЦАП РСМ1794 и мультибитной ЦАП РСМ1704. По причине цифровой фильтрации внутри РСМ1794 его переходной процесс носит колеба­тельный характер. Переходной процесс микросхемы ЦАП РСМ1704 так же слегка колебательный, но колебания есть только после завершения фронта, и обусловлены выходным аналоговым фильтром.

Рис. 5: 1) Реакции мультибитной ЦАП РСМ1704 на меандр частотой 1 кГц; 2) Реакции дельта-сигмы ЦАП РСМ1794 на меандр частотой 1 кГц

Выводы

Одной из самых важных характеристик цифро-аналогового преобразователя является переходная характеристика т. е. реакция на изменение входного сигнала от нуля до единицы за короткий промежуток времени. По характеру монотонности переходной характеристики можно судить о точности воспроизведения аналогового сигнала.

В силу особенностей принципа работы (соседние отсчеты после применения цифрового фильтра зависят друг от друга) все дельта-сигма ЦАП имеют колебательную переходную характеристику. В то время как мультибитные ЦАП, без применения дополнительного внешнего (по отношению к ЦАП) цифрового фильтра лишены этого недостатка.

Литература:

1. C. C. Cutler, «Transmission Systems Employing Quantization», U.S. patent 2,927,962 (1960 Mar. 8). Massachusetts Institute of Technology, Cambridge.
2. M. W. Hauser. Principles of Oversampling A/D conversion. J. Audio Eng. Soc. v. 39, 1990.
3. Pervez M.Aziz. Multi-band Oversampled Noise Shaping Analog to Digital Conversion. A dissertation in Electrical Engneering. University of Pennsylvania, 1996,-172 p.
4. Pervez M.Aziz, Henrik V. Sorensen, Jan van der Spiegel. An Overview of Sigma-Delta Converters. IEEE, 1996.
5. Григорьев П. В., Разработка устройства для преобразования форматов «Универсальный аудио-преобразователь» // Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы — 2020. 2020. № 1. С. 214–219.

Чудо DSD процесса

Слабая сторона Leaf Audio — это его уровень искажений, которые хорошо бы иметь раза в 2-3 меньше. В общем, надо, чтобы после запятой стояли еще два нуля. Минимум искажений наблюдается в режиме 2хDSD (то есть когда JRiver на лету переконвертирует PCM поток в DSD128). Возможно, эта разница в рамках замеров RMAA не выглядит впечатляющей, тогда изучим другие картинки.

Как видим, в штатном РСМ режиме на выходе AKM 4490 используется минимально фазовый фильтр, который убирает «звон» перед фронтом импульса. Сейчас этот способ довольно популярен. Минимально фазовый фильтр можно встретить и в продукции Apple, и в Audioquest Dragonfly, но попытки представить его как нечто уникальное и изысканное по звуку мне представляются надуманными. Тот же AV-ресивер Marantz использует классическую фазолинейную схему фильтрации и звучит точно так же. Лучше посмотрим, что происходит в высокочастотной области.

Тестирование синусоидальными сигналами с уровнем -3 дБ показало, что на некоторых высоких частотах (например, на частности 21,5 кГц) рядышком возникают паразитные пики, которых в оригинале не было. Это все — последствия работы цифрового фильтра, не способного чисто подавить помехи квантования. Понимаете, что означает такое «троение» на высоких частотах? Звук фонограммы мажется, теряет фокус и остроту.

И кроме того, белый шум с уровнем 0 dBFs вызывает уже знакомый нам перегруз в области ультразвуковых шумов по уровню -59 дБ на границе 24 кГц.

При восстановлении в аналоговую форму DSD никакого цифрового фильтра уже нет в помине. Он попросту не нужен в этом режиме. Равно как и нет паразитных пиков вокруг базового синуса, сравните-ка поведение Leaf на обычной PCM конвертации. В обоих режимах далеко-далеко в ультразвуке сохраняются пики-«дублеры» на кратных частотах основного сигнала, но это все ерунда.

Да и спектр на границе диапазона заканчивается именно так, как было в оригинале. Отвесно и ровно на 22,05 кГц. На незначительные пики далеко в ультразвуке можно не обращать внимания.

Разумеется, вся вышеописанная чехарда с цифровыми фильтрами касается только аудиопотоков с дискретностью до 44/48 кГц. Все эти ухищрения, начиная со следующей ступеньки 24 бит / 88 кГц и выше, не нужны. Хотя я предпочел оставить режим 2xDSD включенным постоянно.

Принцип действия

Сигма-дельта модулятор основан на периодическом неполном уравновешивании заряда конденсатора интегратора. Одноразрядный[2] сигма-дельта модулятор первого порядка работает следующим образом: на первом такте работы интегрируется входной сигнал до тех пор, пока выходной сигнал интегратора не достигнет порога переключения синхронного компаратора. Выходной сигнал компаратора изменяется только по внешнему сигналу тактирования. Данный цифровой сигнал является выходом модулятора, он же поступает в отрицательную обратную связь, где с помощью ЦАП формируется аналоговый сигнал, который вычитается из входного аналогового сигнала, и тем самым, уравновешивает интегратор, заставляя его выход меняться в обратном направлении. Таким образом, интегратор начинает интегрировать эту разность и его выходной сигнал изменяется в противоположную сторону до тех пор, пока компаратор не переключится в обратную сторону. Далее эти циклы повторяются, формируя на выходе синхронного компаратора цифровую последовательность.

Сигма-дельта АЦП

Сигма-дельта модулятор можно условно рассматривать как синхронный преобразователь напряжение-частота[3], и теоретически возможно подсчитать удельное количество единиц в этом цифровом потоке, что и будет цифровым кодом простейшего сигма-дельта АЦП. Однако на практике такой метод не применяется из-за большого требуемого количества выборок. На практике применяется цифровая фильтрация шума квантования, который благодаря структуре сигма-дельта модулятора имеет спад в области низких частот, причём спад имеет большую крутизну в модуляторах более высокого порядка. Таким образом соотношение сигнал/шум растёт не только за счёт избыточной дискретизации, но и благодаря ограничению шума

[4] (англ.
noise shaping
) в области частот, содержащей полезный сигнал.[5]

Хайрезы и наушники

Тестирование RMAA на 24/96 и 24/192 показало, что АЧХ таких сигналов на Leaf имеет неслабый завал. Разумеется, это происходит далеко в ультразвуке, в неслышимой области, но, тем не менее, вот выяснился такой нюанс.

Что еще сказать? Тестовые DXD также воспроизводились, но честно говоря, я уже не понимаю, зачем нужны альбомы в этом формате, где одна песня занимает как весь альбом в обычном Red Book. При подаче на ЦАП обычного SACD-аудио можно видеть в спектре классический выброс шума (нойзшейпинг) свыше 30 кГц. На DSD128 он смещается дальше. А вот когда JRiver конвертирует на лету РСМ поток в DSD128, никакого нойзшейпинга в выходном спектре уже нет. Жалко, что JRiver не умеет конвертировать DSD64 в DSD128.

А что с наушниками? Слушать DSD на наушниках в Leaf оказалось сомнительным удовольствием, так как в этом режиме в софтовом плеере совершенно справедливо отключается регулировка громкости. Напрямую сравнить MAX9722 с аналогичным модулем в Sony не получилось, потому что в рекордере стоит аналоговый регулятор громкости, да и на максимальной громкости он выдавал напряжение повыше, чем Leaf. Но кое-какие особенности дали о себе знать.

Если с Audio-Technica ATH-ESW10 все было в порядке (нормальный ясный звук без грязи), то на арматурах-кастомах Ultimate Ears в тихих местах вдруг вылезли какие-то шумы и фоны. Грешить на высокое выходное сопротивление в Leaf было бессмысленно, так как замер показал, что там оно настолько же низкое, как и у Sony. А кроме того, 16-омные нонейм затычки никаких таких артефактов не индуцировали. Видимо, опять сыграло свою роль слабое экранирование ЦАПа, которому не понравился литцендрат-кабель моих кастомов. Разумеется, таких проблем никогда не возникало ни с айфоном, ни с эталонным Sony PCM-D100, который, надо признать, с Audio-Technica отыграл более шелково и изысканно. Вот вам и одинаковые чипы MAX9722.

АЦП и ЦАП на основе сигма-дельта модуляции

Основные понятия

К содержанию

Особенности звучания цифровых фонограмм, обусловленные аналого-цифровым преобразованием

В последнее время все более широкое распространение получают методы А/Ц и Ц/А преобразования на основе использования сигма-дельта модуляции, когда квантование осуществляется всего одним разрядом, но с частотой в десятки и сотни раз превышающей частоту Найквиста (FH). В процессе такого преобразования анализируется не амплитуда сигнала, а направление её изменения. Если амплитуда возрастает, то результатом преобразования будет 1, а если уменьшается — то 0. Нулевой уровень кодируется чередующимися нулями и единицами.

Сигма-дельта (или дельта-сигма, кому как) модуляция известна достаточно давно — с 1962 года. Однако практическое применение её в системах высококачественного воспроизведения звука было затруднено тем, что не было достаточно быстродействующей элементной базы.

Основная идея такого метода состоит в том, что спектр шума квантования, возникающего в процессе дискретизации с низким разрешением, преобразуется так, что в полосе звуковых частот его уровень понижается, а в области высоких частот (за пределами основной полосы) повышается. Затем полученный цифровой поток обрабатывается прореживающим фильтром низких частот (фильтр-дециматор) с получением в результате последовательности отсчетов необходимой разрядности, следующих с выбранной частотой дискретизации.

Схема блока аналого-цифрового преобразования с использованием сигма-дельта модуляции приведена на рис. 1. В отличии от многоразрядных АЦП, здесь для выделения полосы частот звукового сигнала не требуется применения сложного антиэлайсинг-фильтра. Вполне достаточно простого ФНЧ 3-го порядка. Кроме того, не требуется и применения устройства выборки и хранения (УВХ), так как преобразование аналогового сигнала осуществляется непосредственно, без предварительной фиксации величины выборки.

Рис. 1 — Блок АЦП с использованием сигма-дельта модулятора

Схема простейшего сигма-дельта модулятора, выполняющего функции одноразрядного АЦП, представлена на рис. 2. Он включает в себя квантователь (непосредственно сам одноразрядный АЦП), интегратор (одноразрядный ЦАП) и фильтр-преобразователь шума (в зарубежной литературе — noise shaper). Одноразрядный АЦП является источником шума квантования высокого уровня, спектр которого для упрощения вычислений обычно считают равномерно распределенным вдоль оси частот — белым шумом (на самом деле он таковым не является — из-за нелинейности квантователя, охваченного петлей обратной связи).

Для того, чтобы минимизировать содержание шумов в полосе звуковых частот, в схему включен рекурсивный фильтр-преобразователь, который перемещает часть спектра шума квантования в высокочастотную область, где его можно легко отфильтровать на стадии децимации (рис. 3).

Рис. 2 — Простейший сигма-дельта модулятор

Рис. 3 — Эффект применения фильтра-преобразователя

Рекурсивным фильтром

называется такой фильтр, значение сигнала на выходе которого в любой момент времени зависит не только от конечного числа отсчетов входного сигнала, но и благодаря обратным связям, от некоторого числа отсчетов выходного сигнала в предшествующие моменты. Такие фильтры называют ещё
фильтрами с бесконечной импульсной характеристикой
или
БИХ-фильтрами
.

Фильтр, значение сигнала на выходе которого зависит только от конечного числа отсчетов на его входе, называется трансверсальным фильтром

или
фильтром с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтром)
.

Схема блока цифро-аналогового преобразования с использованием сигма-дельта модуляции приведена на рис. 4. Здесь процедура преобразования обратна вышеописанной. Вначале последовательность n-разрядных отсчетов, следующих с частотой Найквиста, поступает на трансверсальный фильтр-интерполятор. Здесь скорость следования отсчетов увеличивается в N раз и вычисляются промежуточные значения сигнала. Разрядность их при этом может увеличиваться, уменьшаться или оставаться прежней. Это зависит от алгоритма преобразования.

Рис. 4 — Блок ЦАП с использованием сигма-дельта модулятора

После этого последовательность отсчетов поступает на рекурсивный фильтр-преобразователь шума, задачи которого те же, что и при аналого-цифровом преобразовании — переместить часть спектра шума из основной полосы в область высших частот (рис. 3). При этом разрядность отсчетов уменьшается до одного. Полученный двоичный поток подается на простой одноразрядный ЦАП, построенный на основе переключаемых емкостей, который формирует из него аналоговый сигнал. Окончательная фильтрация осуществляется аналоговым ФНЧ 3-5-го порядков.

Основным достоинством одноразрядного преобразователя является простота исполнения кватователя и ЦАП, не требующих высокоточных взвешивающих элементов, которые очень сложно реализовать в интегральном исполнении.

Принцип сигма-дельта модуляции положен в основу разработанного фирмой PHILIPS метода цифро-аналогового преобразования «Bit Stream», который до сих пор широко используется ею в своих проигрывателях компакт-дисков. Алгоритм такого преобразования, реализованный в микросхеме SAA7320 и её многочисленных модификациях, показан на рис. 5.

Рис. 5 — Алгоритм работы системы «Bit Stream», реализованный в МС SAA7320

На первом этапе производится увеличение частоты дискретизации исходного сигнала в 256 раз (4х32х2), которая после этого становится равной 11,2396 МГц. Промежуточные значения отсчетов вычисляются вначале с помощью трансверсального фильтра с линейной фазовой характеристикой, затем с помощью линейной интерполяции и, наконец, путем удержания предыдущего значения. Здесь же к полезному сигналу подмешивается Маскирующий шумоподобный сигнал (дифер), из-за чего разрядность отсчетов повышается до 17. На этом этапе, кроме передискретизации, осуществляется ещё и цифровая регулировка громкости выходного сигнала проигрывателя, а также реализуется функция приглушения, которая включается при наличии длинных последовательностей искаженных отсчетов.

После передискретизации производится преобразование спектра шума квантования с помощью сигма-дельта модулятора второго порядка (рис. 6). При этом число разрядов в потоке данных уменьшается до одного. В результате такой операции большая часть шумов квантования из слышимой области перемещается далеко за её пределы.

Рис. 6 — Фильтр-преобразователь шума (сигма-дельта модулятор 2-го порядка) системы «Bit Stream»

И, наконец, на последнем этапе из двоичного потока формируется аналоговый сигнал. Такое формирование осуществляется с помощью простого одноразрядного преобразователя, представляющего собой устройство с переключаемыми емкостями. Выходной каскад ЦАП является к тому же первым звеном аналогового ФНЧ.

Окончательное устранение шумов квантования осуществляется аналоговым фильтром Баттерворта третьего порядка. Здесь же производится коррекция предыскажений (деимфазис), если в служебных данных присутствует сигнал о их наличии.

Параллельно с фирмой PHILIPS на возможности сигма-дельта модуляции обратили внимание и разработчики японского концерна MATSUSHITA. Однако они пошли несколько иным путем. Установлено, что степень подавления шумов квантования сигма-дельта модулятором возрастает с повышением его порядка, но стабильность контура сигма-дельта модулятора при этом уменьшается. Максимально возможным устойчивым контуром является контур второго порядка. Не случайно именно он был использован фирмой PHILIPS в своей системе «Bit Stream».

Японские специалисты нашли выход из положения, соединяя одноконтурные и двухконтурные сигма-дельта модуляторы в каскадную схему.

Основные понятия

К содержанию

Особенности звучания цифровых фонограмм, обусловленные аналого-цифровым преобразованием

Выводы

И все-таки надо признать эту покупку удачной. Да, по качеству звука на наушниках она не дотянула до профрекордера в десять раз дороже или Chord Mojo. Ну и что? Зато Leaf Audio (без шуток!) мне понравился больше, чем Mojo в качестве источника звука для усилителя, равно как и лучше всей компании, рассмотренной в том памятном обзоре.

Кроме того, я нашел организацию питания этого ЦАПа очень дружелюбной, ему не нужно городить всякие БП, достаточно мощности USB-шины. Ну захотите, подключите что-нибудь внешнее. А если не верите, что за 90 баксов можно получить вполне адекватный Hi-Fi звук, просто поверьте чипу XMOS U208, хотя он и кажется левым. Я ведь померил и этот интерфейс. RMAA показывает полный порядок и идентичность между цифровым RCA выходом Leaf и разъемом AES/EBU моего USB-преобразователя SOtM dX-USB HD. Просто подключайте свою остальную стереосистему к любому из двух выходов Leaf Audio и слушайте свою музычку.

Достоинства: цена, приличное качество звука, цифровой выход

Недостатки: слабое экранирование

Цена: 92 доллара США

Дельта-сигма vs Мультибит — вопросы о ЦАПах: чипы и фильтры, мультибит, музыкальность и апскейлинг

Stereo.ru организовали отличный онлайн с редактором @YG. Он ответил на большое количество вопросов про ЦАПы!

========== На прошедшей онлайн-встрече было задано множество интересных и полезных вопросов о ЦАПах и цифровом сигнале. По итогам я сделал конспект-расшифровку наиболее важных из них, и по некоторым моментам дал расширенное объяснение. Будем считать, что получился своего рода FAQ по актуальному состоянию цифровых технологий в аудиокультуре.

На какие технические характеристики нужно обращать внимание при выборе ЦАПов — в порядке важности (силе влияния на звук), если можно так структурировать?

Ответ зависит от того, в какой вы точке вы находитесь. У вас уже что-то есть и нужен апгрейд — или вообще ничего нет? По ЦАПам можно посмотреть иерархию производителя. Если в линейке он такой один и стоит при этом не три копейки, то очевидно, что у производителя вся надежда только на него и это его предел возможностей. Т.е. производитель вложился в эту единственную модель.

Если же таких ЦАПов в линейке несколько, очевидно, что в младших моделях кое-что будет слабеньким — возможно, даже умышленно. Хотя по железной себестоимости разброс у пяти аппаратов может быть не таким и значительным.

Бывает, что производитель полагает, что он крепко упахался по теме и хочет разложить свои яички по всем корзинам. Поэтому он выстраивает свою линейку таким образом, чтобы сначала зацепить покупателей младших моделей чувством причастности к хорошему авторитетному бренду. Затем после обсуждения на форумах, где все щеголяют более дорогими аппаратами, человек настраивается в будущем занять более высокую ступеньку в этой иерархии.

Мне больше импонирует первый подход с минимальным количеством вариантов. ЦАП — это не колонка, которая может быть большого или маленького литража. Или усилитель, который должен выдавать много тока как сварочный аппарат. Здесь идет тихая тонкая работа — все это может работать хоть от батареек. Вот и сделайте одну модель на совесть!

Изучите все возможности чипа-конвертера, все его ключи, которые регулируют его работу и фильтрацию, поставьте лучший клок с минимальным джиттером, нормальные операционные усилители, исключите грязь питания. Хотя, повторюсь, для аудиолюбителей и в том числе журналистов второй вариант кажется более увлекательным — больше фактуры, можно посмаковать и поболтать о разнице начинок.

Приводимые технические параметры битности и дискретности принципиального значения не имеют. Если речь не идет о каком-то старье, сейчас даже дешевые чипы обеспечивают полную поддержку Hi-Res-аудио. Если на нем написано 32 бит или 24 бит — все это неважно. Официальной 32-битной музыки не бывает. Важно, какой у вас дальше обвес и была ли конструкция спроектирована адекватным человеком.

В чем разница выбора ЦАПа для CD и для FLAC и т.п., или они универсальны, кроме очевидного, типа необходимости порта USB в случае с FLAC с компьютера?

В CD-проигрывателях передача сигнала на ЦАП осуществляется в рамках одной платы, поэтому там используется протокол i2s. В нем синхронизация подается по отдельной линии. Его поддерживают все аудиочипы. Многие аудиофилы верят, что это самый лучший цифровой протокол на планете, но убедительных технических доказательств этому феномену пока не представлено. Случаи i2s-входов на внешних ЦАПах весьма редки. Причина банальна — стандартом не предусмотрено кабельное соединение для i2s. Поэтому некоторые Hi-Fi производители в частном порядке пытаются городить какие-то свои схемы на базе BNC, DIN, HDMI и др. С понятными итогами совместимости для этих агрегатов.

Поэтому если вы захотите вытащить из CD-транспорта PCM-код на внешний конвертер — понадобится кабель и SPDIF-протокол. Кабели — оптика или коаксиал, либо (реже) AES на разъеме XLR или BNC. Протокол SPDIF не использует отдельную шину, он содержит в себе тактовый сигнал синхронизации и ограничен параметрами 24 бит/192 кГц. SPDIF-ресивер на ЦАПе будет настраиваться строго по тактовой частоте транспорта, каков бы он ни был — хорош или плох.

USB-передача аудио — как это ни странно, находится ближе к старинному i2s, потому что фактически транслируется сигнал на i2s-шину в чипе ЦАПа. Здесь также существует возможность передачи до 32 бит и выделенный канал синхронизации. Первые USB-приемники имели синхронизацию с началом первого фрейма, но современные USB-ЦАП теперь владеют собственным клоком, и поэтому передача аудио по USB называется асинхронной. Подробнее можно почитать здесь.

Всегда интересовало выражение «музыкальный» ЦАП. Можно ли так характеризовать ЦАПы — и если да, то какие есть критерии «музыкальности»?

Не могу поручиться за каждого, кто злоупотребляет подобными терминами. В одних случаях подразумевается, что устройство принадлежит к аудиобренду High End, чей имидж обусловлен такой выраженной эмоциональной составляющей ее идеолога. Например, Питер Квортруп из Audio Note.

В других случаях этот термин могут приписывать мультибитным чипам — особенно, если они еще и работают в NOS-режиме, сглаживая высокочастотный диапазон. Окраска, ламповая или высокочастотная — все это может давать повод назвать такой ЦАП меломанским.

Предлагаю заодно рассмотреть и обратный вариант — почему некоторые слушатели обвиняют чипы ESS Sabre в антимузыкальности, хотя измерения у них такие, что не снились никаким «филипсам».

Какой чип ЦАПа лучше: AKM или ESS? Какие у них достоинства и недостатки?

В дешевых реализациях я бы избегал ESS. Если мы решим что-то выяснить с настройками чипов ESS, то обнаружим, что сделать это весьма непросто. В отличие от других производителей — Texas Instruments, Analog Devices или Asahi Kasei, — чипы ESS не имеют открытых кодов спецификаций.

Поэтому сразу предупреждаю самодельщиков не связываться наобум с «сейбрами». Это прибор с потенциально хорошими показателями, но сложный — и не все производители понимают, с чем имеют дело. Иногда некоторые не догадываются ставить сумматор из-за балансных выходов на чипе.

А кроме того, например, в модели ES9038 по умолчанию включена опция компенсации гармонических искажений 2-го и 3-го порядка. Бог весть, как она работает и чем жертвует. Как показывают более глубокие измерения, при уровне сигнала около -40 до -20 дБ на аудиовыходе у «сейбров» растут интермодуляционные искажения, которые принимают форму так называемого «горба».

Внутренняя архитектура модулятора Sabre мультибитная и работает с блоками по 5 бит, усредняя значения. Математика Hyperstream на деле оказалась более чувствительной к смещению постоянного тока и вызывает рост интермодуляционных искажений в определенной области.

И это будет происходить, если вы используете цифровой аттенюатор перед ЦАПом. Интермодуляционные искажения более выражены для слуха, чем THD, но реже попадают в спецификации. А в западных пабликах это явление теперь так и зовут — ESS Hump.

Части производителей (таким, как Benchmark) удалось победить этот «горб», но у большинства проблема сохранилась. Так что сами видите — необходимо понимание работы ЦАПа в разных режимах.

Часто говорят о частоте дискретизации, но редко о битности. Насколько в реальности повышение глубины до 24 или 32 бит — это хорошо? Например, если частота остается 44,1 — улучшится ли звук, став 24-битным вместо 16 бит?

Чтобы понимать битовую глубину (или разрядность), сперва определимся, что они описывают и как работают. В бинарном коде бит будет либо 1, либо 0. Дальше с увеличением битности варианты кодирования растут по экспоненте. Напомню апокриф с изобретателем шахмат, которого правитель спросил о награде.

Шахматист смиренно попросил начать с одного зернышка на первой клетке и удваивать их количество на следующей. В общем, через несколько дней подсчетов правитель и казначеи поняли, что над ними издеваются. Потому что такого количества зерна не собрать, даже если осушить океаны и засеять всю землю. 64 клетки в шахматах — посмотрите на инженерном калькуляторе, сколько будет 2 в 64 степени. Это и есть 64 бит пшеницы.

При оцифровке (т.е. квантовании) истинные уровни всегда будут где-то между двумя соседними значениями кода. 16-битный звук описывается в пределах 65 536 значений. 24-битный звук, то есть 2 в 24 степени — уже описывается 17 миллионами вариантов уровня. Ну и как полагаете, какая сетка более точно опишет оттенки аналогового сигнала?

Еще один важный момент — редактирование цифрового сигнала. При изменении уровней, эквализации и другой обработке все процедуры для уменьшения ошибок квантования желательно вести в более высокой битности, чем оригинал. Поэтому на железном оборудовании в самом конце 80-х сначала появились шины 20 бит разрядности, затем и 24. В современных DAW-комплексах, да и просто компьютерных аудиоредакторах или даже регулировки громкости в плеерах типа Foobar внутренний пересчет потока ведется в 32 бит с плавающей точкой. DSP-процессоры могут использовать еще более высокие показатели — 64 бит, как на той шахматной доске.

Для тиража финальный микс опрокидывают обратно в 24 бит — либо по старинке в 16. В 32-битном формате музыку не издают. Нет смысла: огромный объем, ни SPDIF, ни FLAC 32 бит не поддерживает. Некоторые аудиофилы утверждают, что нет смысла и в 24-битной музыке. Мне так не кажется.

Дело в том, что для конвертации 32-битного проекта в 16-битную форму нужна инъекция сглаживающего шума. Так снимаются ошибки квантования при отбросе младших битов. Работает функция дизеринга (dither). И при переводе из 32 в 24 бит его величина настолько незначительна, что им даже можно пренебречь. Так что вмешательство в оригинальный сигнал при такой конвертации куда более щадящее, и имеет смысл предпочитать более близкие к оригиналу 24-битные миксы — даже если у них «обычная» частота дискретизации 44,1 кГц.

Что касается вопроса, насколько это адекватно реалиям реальной аудиосистемы, то тепловой шум компонентов составляет где-то 22 бит из расчета 6 децибел на один бит — т.е. где-то -130 дБ. Так что 24 бит получается с запасом. В статье «Бит против килогерца» я именно 22 бит предлагал установить вместо 24, а самую ходовую частоту дискретизации поднять с 44 до 60 кГц, т.е. перенести верхнюю границу диапазона 30 кГц, чтобы избавиться от проблем фильтрации на границе слуха.

Если при воспроизведении 16-битный контент попадает на 24- или 32-битный ЦАП — ничего страшного. Просто младшие разряды останутся с нулями. А вот когда наоборот приходят 24 бит на старый 16-битный ЦАП, младшие 8 бит будут отброшены. Из-за транкейта ошибок квантования искажений в итоге станет больше.

Мультибитные ЦАПы — зачем они вообще нужны?

Мультибитные аппараты появились не нарочно, чтобы порадовать аудиофилов. Такая уж получилась технология — другой тогда еще не было. Хотя некоторые любители винтажа сейчас задним числом говорят, что такой ее сделали нарочно, чтобы отвадить потребителей от пластинок. Они же утверждают про «аналоговость» звучания мультибитных ЦАПов, с чем я не вполне согласен и на незнакомой системе вряд ли угадаю — вот это точно играет ЦАП на лестничной R-2R матрице. Если же намеренно ввести себя в аудиофильский транс и долго и изнурительно сравнивать, то я бы назвал мультибитный почерк иначе — жанровой «выразительностью».

Такой конвертер при грамотной реализации демонстрирует пластичность НЧ-диапазона, подчеркнет контур вокала или инструмента на акустических записях. Можно допустить, что у дельта-сигм при более уверенной и насыщенной «высоте» сцены, акустический тембр выглядит более постным и диффузным. Но, повторюсь, эта разница не в стиле «небо и земля».

В 80-90-х было выпущено множество CD-плееров с мультибитными чипами и грязноватым, утомительным звуком. Обвязка ведь тоже играет роль. К тому же не забывайте, что, например, DSD — это чистейшая дельта-сигма, однобитная. И у этой концепции вполне себе мягкий аналоговый (или псевдоаналоговый, как вам будет угодно) почерк.

Какие есть разновидности FIR-фильтров?

Информация по ним общеизвестна. Самый старый называется фазолинейным. После такого фильтра в волне будут паразитные колебания до и после импульса. В основном, сейчас применяют минимально фазовые — у него все колебания отложены на потом, после импульса. И эти флуктуации более выражены, чем у фазолинейного.

Если вы, как инженер, желаете уменьшить колебания, то ослабляете фильтр, делаете крутизну его спада мягче. Подобные фильтры называют уже не Sharp, а Slow. Они имеют спад на ВЧ. Если ваша система достаточно звонкая и прозрачная, Slow-фильтры ничего не испортят — мне они нравятся больше, чем Sharp.

1,2 – фазлинейные фильтры Sharp и Slow; 3, 4 – минимально-фазовые Sharp и Slow фильтры; 5 – без фильтрации non-oversampling (NOS); 6 – относительно новый вариант минимально-фазового фильтра Low Dispersion

Периодически поднимается тема апскейлинга частоты и битности цифрового сигнала. Насколько он нужен?

Если мы говорим не о записи, а о предварительном ресемплировании на более высокую частоту, то его цель — конвертировать и отфильтровать сигнал вне пределов человеческого слуха, сместить эту спорную область повыше. Но при пересчете такого сигнала на более высокий порядок тоже нарушается фаза. Так что оценивать успех этой процедуры придется вам на слух на конкретном устройстве. Лично мне это кажется лишней нагрузкой на процессор.

Самые современные и крутые ЦАПы поддерживают DSD1024 и апскейлинг PCM до 32 бит/768 кГц. Не убивает ли звук апскейлинг входящего сигнала до максимальных значений? Есть ли смысл (реальный прирост в качестве звука) в хранении и прослушивании DSD выше, чем DSD256?

Эта поддержка абстрактна и просто показывает вычислительные возможности. В идеале эти характеристики более приближены к аналоговому звуку с бесконечно затухающим спектром и бесконечной битностью. Но на практике никто не собирается записывать звук в таких форматах.

Вся кино- и музыкальная техника, а также персонал, который ее обслуживает, вполне удовлетворены частотами дискретизации 44,1 и 48 кГц. На эти частоты настроены и плагины обработки. Редко, когда используется 96 кГц на финальной стадии микширования, но сам мультритрек зачастую опять в 44,1. Нам может не нравиться такое положение дел в звукозаписи, но это данность. Что выросло, то выросло.

Есть ли разница в том, как техника воспроизводит разные представления одного и того же цифрового сигнала. Например, контейнеры без сжатия или со сжатием (без потерь)? Меняется ли что-то в разных версиях аудиоформатов? Например, FLAC был впервые представлен в 2001 году и пересматривался с тех пор десятки раз.

Сравнивал — ничего принципиального не заметил. Я знаю, что некоторые аудиофилы предпочитают не паковать в lossless-форматы, так как якобы без сжатия техника играет более «непринужденно». Те измерения, которые я провожу, не указывают на разницу при скармливании оригинального PCM или сжатого без потерь (архивированного) файла.

И я еще не дошел до той стадии паранойи, чтобы сравнивать версии FLAC. Это просто архиватор — какая-то версия жмет эффективнее, какая-то хуже. Он не трогает целостность потока, и у аудио в принципе не такая уж плотность данных, чтобы как-то переживать о нагрузке на современные чипы. Если не ошибаюсь, с какой-то поры все изменения версий FLAC затрагивали в основном кодировку тэгов. Но, опять же, находятся отдельные слушатели, которые скажут, что без тэгов файл звучит лучше.

Какое место у формата DSD в современной индустрии и есть ли у него будущее?

Будущего в современной индустрии звукозаписи у такого формата нет, поскольку в нем невозможно редактировать материал. Остается нишевое потребление. И если кому-то нравится звук DSD, то в него можно архивировать мастер-ленты с финальным миксом, что иногда и делается. И не забывайте, что в основе многих SACD, звучание которых вам нравится, использовались обычные записи PCM-рекордеров 16 бит/44,1 кГц.

На какую характеристику стоит обратить внимание в ЦАПах при построении настольной системы?

На коммутацию между ЦАПом и вашими активными колонками. Балансное подключение приветствуется. Также приветствуется USB-драйвер от XMOS или Amanero. Он должен обеспечивать нормальное ASIO-подключение.

Оригинал — Вопросы о ЦАПах: чипы и фильтры, мультибит, музыкальность и апскейлинг / Stereo.ru