Идея самодостаточного аудио - устройства всегда витала в воздухе. Но сейчас, когда даже музыка стала неотделима от интернета, стала совершенно очевидной его необходимость.
Появились различные устройства:
медиапроигрыватели, этакие недо-компьютеры, не имеющие ни экрана, ни возможности полноценного воспроизведения Hi-Rez
HTPC компьютеры, отлично решающие проблемы хранения и воспроизведения любого медиа-контента, но требующие отдельного монитора и не имеющие ни высококлассного ЦАПа, ни тем более усилителя.
устройства, совмещающие функции ЦАПа и УМ, но лишённые транспорта
аудио/медиасерверы, типа Burmester Musiccenter 111 с винчестером и неплохим ЦАПом, но без усилителя мощности и без полноценной операционной системы.
С последним некоторые люди в интернете некорректно сравнивают SOLO, мол, типа, слямзили...
Что же, предлагаю читателю самому сравнить структуру двух этих устройств.
характерные особенности дизайна:
- Предустановленная полноценная ОС (Windows 7 Home Basic) и неограниченные возможности полноценного компьютера.
- Абсолютная адекватность цифрового тракта
- Возможность работы на оригинальной частоте дискретизации
- Отключаемый 4х/8х цифровой фильтр.
- Мультибитный ЦАП (ответ, почему именно мультибитный, здесь)
- Регулятор громкости - классический моторизованный ALPS, без входных и выходных буферных каскадов
- Отсутствие в тракте конденсаторов, межблочных проводов и каких - либо дополнительных "улучшайзеров".
- Прецизионный УМ, способный работать в паре с ЦАПом (отдельно от РС).
характерные особенности дизайна:
- RAID массив HDD
- Отсутствие взрослой ОС, невозможность устанавливать нужное ПО и управлять системными параметрами
- Любой цифровой источник подвергается асинхронному ресэмплингу
- Сигма-дельта ЦАП (о недостатках этой архитектуры см. картинки ниже)
- До (в случае линейного входа) и после регулятора громкости включены буферные усилители.
- Невозможно подключить АС, поскольку отсутствует усилитель мощности
- Невозможно оцифровывать аналоговые сигналы, поскольку отсутствует АЦП.
- Невозможно проигрывать DVD, смотреть кино, и даже попросту подключить большой экран.
Итак, нетрудно видеть, что сходство лишь внешнее.
Да, есть встроенный экран, пульт ДУ, какие-то "мозги", твердотельная память, HDD и ЦАП.
Однако в первом случае перед вами полноценный компьютер, интернет, торренты и максимально честные ЦАП и УМ.
Присутствует так же весьма неплохой АЦП, входные каскады которого доработаны не только для получения заявленных циферок, но и хорошего звучания. (По спецзаказу можно также установить АЦП референсного уровня) ЦАП и УМ идеально согласованы друг с другом без лишних буферных усилителей и могут работать независимо от РС, под управлением единого пульта ДУ.
Тракт SOLO - короче не бывает: ЦАП или линейный вход >> Регулятор громкости >> усилитель мощности. Всё, чего не хватает в SOLO - это акустических систем.
Во втором случае перед вами устройство, функционал которого навсегда предопределён изготовителем и DRM, нет возможности рипнуть DVD (не говоря уже о виниле) и даже посмотреть кино! По сути это обыкновенный CD - аудиоплеер, с намёком, однако, на эксклюзивное качество.
Под эксклюзивным качеством в мире хай-енда привыкли понимать минимум "преобразований / улучшений", максимально простую структуру при минимуме усилительных каскадов.
Предлагаю взглянуть на Musiccenter 111 именно с этих позиций. Но что мы видим?! 1. Прямо после селектора цифровых входов установлен ASRC (асинхронный конвертер частоты дискретизации) Во имя каких интересно идей,
ЗАЧЕМ ?! им понадобилось чего-то пересчитывать?! Формально, можно было бы говорить о подавлении джиттера, но ОТКУДА ему взяться, например, во встроенной звуковой карте?! Замечу, что для синхронного 8х, например, ресэмплинга хотя бы каждый 8-й отсчет является настоящим и мы имеем почти точное преобразование.
Для асинхронного ресэмплинга (для CD стандарта сетка 96/192 является несинхронной) математика пытается вычислить значение сигнала в другие моменты времени. При этом она опирается на предположение, что знает форму фильтра, которым фильтровался аналоговый сигнал при записи.
Совершенно безосновательное предположение, этих фильтров множество! На самом деле, форма сложной непериодической волны при асинхронном ресэмплинге безнадёжно искажается по определению (см осциллограммы для дельта-импульсов ниже). В итоге все записи CD качества будут воспроизведены весьма далёкими от оригинала. Вот такой высокий the End. 2. Буферные усилители. Первый установлен на выходе селектора аналоговых входов. Разработчики, видите ли, не уверены, что наш источник хорош настолько, что сможет работать на их, возможно низкоомный, регулятор громкости. Мой ЦАП, например, может даже на наушники, ан нет - в тракте Первый лишний! Второй установлен на выходе регулятора громкости. Увы, необходимое зло, если мы собираемся подключать внешний неизвестный нам усилитель мощности. Но даже если мы уверены, что можно напрямую, всё равно - Второй лишний!
Да простит меня уважаемая публика, но из интересных идей, достойных заимствования у Burmester Musiccenter 111- только RAID массив, гарантирующий сохранность данных (легко организуется на любом РС) и встроенный UPS (стоит под столом у каждого, кто уже терял ценные данные). Впрочем, эти идеи отнюдь не собственность создателей Burmester Musiccenter 111.
Из анти-идей - я совершенно шокирован ценой (39000 Евро) и индустриальным цинизмом производителя (асинхронный ресэмплер, неотключаемые буферные усилители).
Однако вернёмся к началу нашей истории. Для меня, как разработчика, отсутствие (даже на международном на рынке!) самодостаточного аудио - устройства было нонсенсом, и я наконец собрался с духом восполнить этот пробел. К тому же надвигалась очередная, 12-я выставка Российского хайенда, и хотелось преподнести публике экстра - девайс.
Отбросив все остальные дела, я с удовольствием погрузился в работу, рассчитывая управиться за 6-7 недель. Однако же, только поиск корпуса, тихой и холодной материнской платы, стыковка её со звуковой картой заняли более 6 недель! За это время было опробовано и забраковано 4 материнских платы и 3 звуковых карты. Вопрос, почему таких аппаратов нет, не звучал теперь для меня столь уж наивно))).
Однако, самое труднопредсказуемое было позади, очередь была за компоновкой. Несмотря на то, что корпус LM200 Touch оказался очень удачным, от задуманной производителем компоновки, конечно, не могло остаться и следа.
Материнскую плату пришлось поставить прямо на левую стенку, в итоге компьютерная часть вместе с её блоком питания, звуковой картой и кулером заняли всего около 20% объёма корпуса.
Кулер, увы, пришлось поставить, поскольку процессор, чипсет и память выделяют до 30Вт тепла, и ещё около 70Вт на холостом ходу выделяет УМ.
100 Вт в таком корпусе - не проблема даже при пассивном охлаждении, однако температура воздуха внутри корпуса будет достигать 70 градусов, что привело бы к существенному снижению ресурса.
Кулер был взят NF-S12A FLX от австрийской компании Noctua, обладающий помимо минимального шума (18 дБ на максимальной мощности) ещё и фантастическим ресурсом (150000 часов, по нашим понятиям надёжности это где-то около 50000ч). Кулер используется только на 60% мощности, имеет специальный вибропоглощающий подвес и установлен на внутренней перегородке, поэтому производимый им шум дополнительно ослабляется в "лабиринтах" массивного корпуса.
При длительном прослушивании на большой громкости этот кулер уже не будет справляться с отведением 200-250 Вт, выделяемых на радиаторе УМ, и тогда его обороты возрастут до максимальных, на помощь придёт ещё один (NF-S12 ULN, ультромалошумящий), установленный в "классическом" месте, на задней панели корпуса.
Однако вернёмся к планировке внутреннего объёма.
Ещё примерно 30% заняли DVD привод, блок питания УМ и внутренние перегородки, экранирующие от электромагнитных помех.
В моём распоряжении оставалась целая половина объёма, близкая по форме к кубу.
Форма, к которой я давно стремился!
Наконец-то я смог разместить моторизованный регулятор громкости непосредственно на плате ЦАПа в нескольких сантиметрах от него, а "межблочные" кабели от регулятора сделать 10см длины! Провода от блока питания до плат УМ и от УМ до выходных клемм так же не превышали 10-15см. Расстояние от УМ до источников электромагнитных помех (трансформаторов и материнской платы) сотавило более 20 см, столько же, сколько в обычной стойке для аппаратуры, в которой один над другим располагаются отдельные компоненты.
Измерения наглядно подтвердили удачность моей концепции - уровень наводок питающей сети находится на уровне шума, менее -115 дБ при выходной мощности 100Вт, а наводки от компьютера в полосе частот до 50кГц обнаружить и вовсе не удалось, спектр шума находится на уровне -132дБ (по FFT) и не имеет пиков, характерых для помех.
С помехами и наводками, благодаря экранировке, всё получилось, однако эти же самые перегородки преподнесли неожиданный сюрприз. Выяснилось, что усилитель, будучи поставленным в корпус, имеет в шесть раз худший уровень THD! Уровень второй гармоники возрос до - 92 дБ, 4-й до -100дБ, и даже на третьей заметно увеличение искажений до -110дБ против обычных -114.
Меня охватила паника, поскольку по роду профессиональной деятельности (разработка геофизической электроразведочной аппаратуры) я хорошо понимал, что имею дело с вторичным электромагнитным полем (оно наводится токами на печатной плате и переизлучается экранирующими перегородками). Бороться с этим полем почти невозможно, поскольку оно сдвинуто относительно первичного и по направлению, и, самое страшное, по фазе. Однако, как и любую другую помеху, эту тоже можно было задушить в месте её возникновения. В теории.
На практике это означало, что нужно в пространстве подобрать расположение проводников, идущих к силовым транзисторам. Но эти проводники, понятно, были на печатной плате! Для меня самого странно, но понадобилось переложить всего один провод. Зато его положение пришлось подбирать с точностью до полумиллиметра, и как-то его в этом положении зафиксировать. Искажения пришли в норму, до - 107 по 2-й и не хуже -110 по остальным гармоникам. Утовень IMD SMPTE для 8 и 4-х Ом составил -108дБ и -104дБ соответственно.
Итак, идея прикрутить к ES6.2 компьютер полностью себя оправдала.
В массивном (9кг) алюминиевом корпусе LM200 Touch прекрасно поместились:
НО! Впереди была выставка, на которой посетителям плевать на параметры, их будет интересовать только Звук, с которым у меня, как и у всех других, были, увы, некоторые несуразности.
Меня всегда беспокоил и удручал тот факт, что после преобразования в цифру и обратно звук становился каким-то резким, с неестественными сибилянтами и потерей ясности на ВЧ. Так обстояло дело со всеми ЦАПами, безотносительно их стоимости, и было бы логично приписать эти превращения самому принципу преобразования, когда вследствии дискретности отсчётов мы имеем сёрьезные потери точности временнОй структуры аудиосигнала. Однако, настораживало то обстоятельство, что ранние версии мультибитников всё-таки обладали более ясным и "аналоговым" звучанием. Я верю в магические явления в звуке, но для подкрепления этой веры мне нужны непреодолимые логические тупики. И я искал этот тупик.... Принцип преобразования тот же (R-2R матрица), схожая архитектура и точность (у всех выше 17 бит), все без глитча, но, несмотря на это, серьёзные отличия в звучании! Магия, однако!
Магия расстаяла после изучения технологии производства кристаллов ИС. Выяснилось, что разница заключается в скорости переключения ключей, коммутирующих R-2R матрицу
. Остальное, как говорится, было делом техники.
Преобразователь ток/напряжение и аналоговый фильтр на выходе ЦАПа были концептуально изменены, были добавлены цепи, реагирующие на изменения тока в субнаносекундном диапазоне. И ... ЦАП как будто подменили! Ясность звучания и деликатность ВЧ просто завораживает...
И только с таким ЦАПом я без напряжения могу часами слушать Музыку, в любом качестве.
Интересно, что понятие "хорошести" записей для меня с тех пор качественно изменилось.
Общеизвестно, что обычный тракт избирательно относится к записям, в той или иной степени преображая звучание. И обычной является ситуация, когда изначально прозрачная запись с природным минимумом некомпрессированных ВЧ становится крикливо-глухой, с нечитаемым верхом и совершенно неразборчивой. В общем, превращается в то, что мы называем "плохая запись".
TIM и IMD искажения ("драйвовые вкусности", свойственные абсолютному большинству ЦАПов) сливаются с исходным звучанием в единое целое, которое слух уже не способен разрешить на составляющие, и не оставляют аутентичности звука никакого шанса.
Но изначально, не будем забывать, запись совсем не плоха, это наш тракт не справился, и сделал её таковой!
Напротив, студийный мусор в записях, отыгранный ясно - обычно совершенно не мешает восприятию, слух без труда "фильтрует" его, как привычный треск на грампластинках. И почти в любом мусоре пожно прочитать тонкие эмоции в голосе и нюансы исполнения на том или ином инструменте.
Однако вернёмся к конструированию SOLO.
Цифровой аудиосигнал (I2S) выводится через профессиональную звуковую карту по высокоскоростной симметричной линии LVDS.
ЦАП выполнен в качестве отдельной платы, которую вернее было бы называть "предвар с ЦАПом", поскольку на ней имеются все необходимые органы управления и индикации, селектор входов и регулятор громкости. Кстати, информация для DIY-йеров:
Плата предвара доступна для заказа в качестве кита. Пульт ДУ и Win - совместимый софт для управления и индикации в комплекте.
УМ используется тот же, что и в ES6.2 - бескомпромиссно точный и очень быстрый силовой агрегат, способный отдать в нагрузку 2 Ома ток до 40А на частоте 700 кГц.
В итоге
SOLO обладает беспрецедентно малым уровнем всех видов искажений и помех,
не более 0.0008% в звуковой полосе частот
Столь исчезающе малый уровень искажений гарантирует исключительно высокую точность звукопередачи и аккуратное, абсолютно достоверное аналоговое звучание.
Параметры ЦАПа
Приёмник SPDIF WM8804
Тип ЦАПа PCM1704
Уровень побочных сигналов в режиме "CD pause" 0.0002 %
Уровень гармонических искажений на частоте 1кГц, 0 dBFS 0.0008 %
Уровень гармонических искажений на частоте 20кГц, 0 dBFS 0.0012 %
Динамический диапазон, взвешенное значение 112 дБ
Цифровые входы
Coax, Toslink, I2S
Параметры даны для частоты дискретизации 44.1 - 192 кГц Усилитель мощности
Полностью дискретный, 27 транзисторов в схеме усиления, 17 транзисторов в схеме защиты
Продвинутая псевдодифференциальная архитектура
Сверхлинейная каскодная схема усиления по напряжению на ПТ, граничная частота 25 МГц
Выходной каскад на двух парах MOSFET от IR (IRFP240/IRFP9240) с полосой пропускания 10 МГц
Скорость нарастания выходного напряжения 260 В/мкс
Глубина обратной связи на частоте 20кГц 3000 раз (69 дБ)
Глубина обратной связи на частоте 7кГц 30000 раз (89 дБ)
Глубина обратной связи на частоте 1кГц 100000 раз (100 дБ)
Коэффициент гармоник (на частоте 7кГц, 100Вт), не более * 0.0003 % (-110 дБ)
Коэффициент гармоник (на частоте 20кГц, 100Вт), не более * 0.0008 % (-102 дБ)
SMPTE 600Гц/15kГц, 100Вт, 8 Ом 0.0004 % (-109dB)
Уровень интермодуляционных искажений CCIF (разностная частота
19.43 и 20 кГц, 35+35% максимальной амплитуды), не более** 0.0003 % (-112дБ)
Уровень гармоник сети 50Гц (100Вт) 0.0002 % (-115 дБ)
Ток покоя 250 мА
Выходное сопротивление выходного каскада (без ООС) 0.2 Ом
Отношение сигнал/шум (взвешенное) 116 дБ
Коэффициент демпфирования(10Гц-5кГц, 8 Ом, на клеммах усилителя) 1600
Коэффициент демпфирования(10Гц-5кГц, 8 Ом, на клеммах АС,
провод 1мм длиной 4м, система компенсации провода выключена) 50
Коэффициент демпфирования(10Гц-5кГц, 8 Ом, на клеммах АС, провод
1мм длиной 4м, система компенсации провода включена) 500
*
Описание методики измерения и анализ результатов здесь
** Использовался метод разностного тона CCIF (классический «советский»).
Все параметры приведены для сопротивления нагрузки 8 Ом.
График зависимости искажений от частоты и выходной мощности
Параметры сквозного тракта вход SPDIF – выход на Акустические системы, режим 24/96
Коэффициент гармоник (в звуковом диапазоне частот, 100Вт), не более 0.0012 % (-98 дБ)
Уровень интермодуляционных искажений CCIF (разностная частота
19.43 и 20 кГц, 35+35% максимальной амплитуды
0.0008 % (-102дБ)
Уровень гармоник сети 50Гц (100Вт) 0.0003 % (-110 дБ)
Уровень нелинейных искажений по отношению к порогу чувствительности
слуха, по данным разных авторов 0...-9 дБ (запас 1 - 3 раза)
Мультибитник против сигма - дельта, или почему всё-таки PCM1704
В этом разделе проводится сравнение двух топовых ЦАПов от Burr-Brown, PCM1704 vs PCM1794.
Параметры современных сигма-дельта ЦАПов и по шумам, и по искажениям давно превзошли параметры самых лучших мультибитников, поэтому сравнивать их "формально" просто нет смысла. И те и другие (теоретически) обладают нелинейными искажениями ниже порога чувствительности слуха. Однако различия в звучании замечает даже нетренированный слушатель.
Желание разобраться в этом казусе и является целью этой статьи.
В качестве отправной точки приведу выдержку из книги Ирины Алдошиной "
Основы психоакустики". ...Необычайна чувствительность слуха к временным
различиям (форме волны) и длительности звука.
Чувствительность слуха к частоте, интенсивности
и длительности связаны друг с другом. Слуховой
аппарат имеет удивительную дифференциальную способность обнаруживать небольшие различия между сходными звуками по всем параметрам: интенсивности, частоте, временной структуре и длительности...
Итак, первое, на что следует обратить внимание, это точность передачи ФОРМЫ.
Здесь и далее желтым отрисован мультибитник PCM1704, синим - сигма-дельта PCM1794.
PCM1704 включен БЕЗ цифрового фильтра.
Меандр 1кГц
Нетрудно видеть, что по причине
цифровой фильтрации внутри PCM1794 его
переходной процесс носит колебательный характер.
Переходной процесс PCM1704 так же слегка колебательный,
но колебания есть только после завершения фронта,
и обусловлены выходным аналоговым фильтром.
Дельта - импульс длительностью один отсчёт.
Импульс от сигма-дельты как будто
несколько шире, с теми же колебунами.
Дельта - импульс длительностью два отсчёта
В принципе ничего нового, если не считать,
что выбросы уменьшились по амплитуде.
Два разнополярных дельта - импульса длительностью
один отсчёт, с паузой один отсчёт.
Уже интереснее, в сигнале с-д между импульсами появился
колебун нехарактерной для ЦФ частоты,
примерно 40кГц.
Что это такое, выяснить не удалось.
Два разнополярных дельта - импульса длительностью
один отсчёт, с паузой два отсчёта.
Много интереснее!
Импульсы, чётко раздельные на мультибитнике,
в с-д сливаются в сплошной звон!
Неудивительно, что есть различие в звучании, если
разницу видно даже невооружённым глазом!
Те же импульсы, с-д, шаг по горизонтали
в два раза
подробнее.
Те же импульсы, мультибитник, в цепь включен
цифровой фильтр
(4х оверсэмплер) DF1706.
С помощью оверсэмплинга мультибит стал очень похож
на с-д, только колебуны стали длиннее чем у с-д! Оверсэмплинг, как видим, свёл на нет основное
преимущество мультибитника!
Те же импульсы, мультибитник, асинхронный ресэмплинг
44 кГц в 48 кГц Тихий ужас... форма дельта-импульсов изменилась
до неузнаваемости, и появилась явная ассиметрия.
Надо полагать, что любой асинхронный ресэмплинг
до более высокой
частоты (как это сделано, например,
в том же
Burmester Musiccenter 111, или в Sabre - DAC
ES9012, ES9018)
будет обладать
схожими "особенностями". Ухищрения типа
"давайте сначала синхронно
повысим, а уж затем будем
асинхронно
ресэмплить"
действительно снимают часть проблем,
однако не устраняют их полностью.
Те же импульсы, мультибитник, без апсэмплинга.
Осциллограммы выше наглядно демонстрируют преимущества мультибитника относительно передачи формы волны. Но, напомню, только мультибитника без цифрового фильтра. Однако, это ещё не все интересности. Ниже приведены осциллограммы выходного тока PCM1794 (14.7 кГц, полный размах)
жёлтый канал - ток
синий канал - выходной сигнал ЦАПа
цена деления по вертикали - 0.8 мА / клетку
Видно, насколько выходной ток зашумлён ВЧ-мусором.
Интересно, что вопреки ожиданиям, преобразование
идёт на частоте всего 8Fx.
На частоте 64Fx работает
сигма дельта модулятор, который вносит небольшой
"уточняющий довесок", а так же всю "волосатость".
Тот же мусор и глитчи, 100 нсек / клетку.
Темп переключения 2.8 МГц (на хайрезе будет 6 МГц),
плюс мгновенные скачки тока.
И Это нужно проинтегрировать с точностью 1 / 300000 !!!
Мало кому это удаётся, и неудивительно, что все ЦАПы
звучат настолько
по-разному.
Тот же мусор и глитчи, 10 нсек / клетку.
Скачок тока около 1 мА (!!!)
Переходной процесс длится менее 2 нСек!!!
Сколько на самом деле - понять сложно, полоса моего
осциллографа "всего" 200 МГц.
Конечно, выходной сигнал PCM1704 имеет схожие особенности, однако выходной ток его составляет 2 мА против 8 мА у PCM1794, а переключения этого тока, порождающие дополнительные неточности, происходят с гораздо низшей частотой. "Скачки" выходного тока PCM1704, тем не менее, составляют те же 1-2 мА и требуют очень аккуратного интегратора.
Поиск правильного "рецепта" интегрирования занял у меня около двух лет, зато теперь звучание PCM1794, наконец-то приблизилось к лучшему мультибитнику. Отличия, повторюсь, касаются в основном ясности средне-высокой середины и разрешения высоких частот.
Кому-то, однако, звук PCM1794 более симпатичен своей энергетической плотностью и даже где-то слитностью. Тонкие моменты и "колкости" как будто подретушированы, а общее впечатление несколько "сладкое". Можно смело рекомендовать для всех систем за исключением Ultra Hi-End.
Выводы: 1. Мультибитный ЦАП без цифровой фильтрации (Oversamling, Upsampling) более всего подходит для неискажённой во времени передачи аудиосигнала ("по горизонтали"). Учитывая вполне достаточную с точки зрения слуха точность "по вертикали" наш выбор совершенно очевиден. Не будем, однако, забывать, что без применения оверсэмплера спектр обладает зеркальными относительно частоты дискретизации полосами. Поэтому усилитель должен обладать ультрамалыми интермодуляционными искажениями в области частот до 60-80 кГц.
2. PCM1704 (японского, к слову сказать, изобретателя Toshio Murota, см. перечень его патентов) является ныне единственным серийно выпускаемым "честным" ЦАПом (см соотв. патент), а его поведение совершенно предсказуемо.
