Современные проблемы ЦАПостроения. Способы их преодоления. Подходы к проектированию.

Всем привет!

Начну новую ветку с анонса нашей новой лаболаторной статьи "Таврический демарш зелёных"

http://www.sky.od.ua/~eugeny/Industrial.pdf

с подзаголовком

Применение микросхем цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) индустриального стандарта в быту и некоторые соображения по алгоритмам восстановления аналоговой формы сигнала и коррекции ошибок при приёме данных, основанные на принципе Гиппократа

Статья опубликована сегодня.

Опубликована Часть Первая, Вещественная. В ней описан очень удачный (по нашему мнению) проект "ЦАП д-ра Барменталя (Евгения Ключникова)". Эта часть, опять же по нашему мнению, больше ставит задачи, обнажает проблемы перед конструкторами ЦАП звукового применения, чем их решает. Во второй части мы предложим своё видение решений некоторых из таких проблем. Одна из них- "референсы". Т.е. большинство микросхем ЦАП расчитаны на применение ЭЛЕКТРОННЫХ СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ (обычно посредством применения ОУ с ОС) источников опорных величин. Но как быть, если нам (или кому-то ещё) необходимо провести "чистое сравнение" звучаний ЦАПов с ОС и без таковой? Ведь получается, что ОУ с ОС (т.е. референс) входит в "контур сигнала", при этом обеспечивая ФОРМАЛЬНЫЕ требования спецификаций ЦАП, а если применять "голый безосый референс", то эти формальные требования могут и не удовлетворяться, но "уши" остаются вполне довольными :)... Ну и т.д....

Здесь, в этой ветке хотелось бы услышать-почитать мнение почтенной публики о важности-неважности "проблем цапостроения", разделить её тревоги и сомнения, поделиться своими. В частности, узнать как кто относится к "фильтрациям" и "оверсемплингам" в ЦАП, как кто обосновывает свои предпочтения, насколько важно уделять внимание "обвязке" узлов ЦАП, их помехозащите, на сколько и в чём можно верить спецификациям производителя, как кто измеряет-проверяет (хотя бы ориентировочно) тот или иной параметр спецификации, кто какой МЕТОД ЦАП предпочитает (скорее всего это будет битва двух монстров молодого "сигма-дельта" и старого "мультибитника"), как кто видит их достоинства и недостатки. Наверное, не мешает здесь поднять и тему "битрейта" и тему "стороны записи", но в аспекте реализации ЦАП перспективных форматов, т.е. "на приёмном конце", например, в аспекте "Твёрдого Плеера" .... Кто продолжит список?

Повторю на всякий случай и кое-что добавлю. Наше видение решений некоторых из указанных и неуказанных проблем, некоторые наши предпочтения и их обоснования мы собрались описать в Части Второй "Таврического демарша зелёных" независимо от того, будет ли это описано раньше нами или ещё кем-то в этой ветке. Мы честно спросим у авторов заинтересовавших нас сообщений разрешение на упоминание их имени в продолжении нашей статьи.... Поэтому откладывать открытие данной темы до публикации второй части особого смысла не имеет. Наоборот, надеемся, что эта ветка существенно поможет и авторам продолжения, и его будущим читателям, и всем заинтересованным энтузиастам TOP-END-а в таком "точном искусстве", как ЦАПостроение :).

Лаболатория.
 

L0ki

Эксперт
Imho очень правильная статья
:)roll: как впрочем и все другие одесситов).
Лаболатории респект! :beer:
 
Отличная статья!
Одесситы молодцы! Респект!

Применение индустриальных ЦАПов считаю перспективным направлением в ЦАПостроении. Так что тут всё верно.

Однако, я бы всё же наставивал на передискретизации - 8-16-кратной. Поскольку, постфильтра аналогового у нас фактически нет, то нам надо сдвинуть ВЧ-спектр в сторону как можно более высоких частот - 352,8 кгц в случае с 8-кратной и 705,6 кгц в случае с 16-кратной передискретизацией. Это позволит вообще отказаться от постфильтра (как это сделал Юрий Макаров в своём МЛ), но тогда в полный рост встаёт проблема достаточной скорострельности применяемых ЦАПовых матриц. А таких приборов крайне мало.
В общем, имхо, есть над чем подумать.

Ну и второй вопрос: КАК реализовать грамотную передискретизацию? Это ещё бОльшая проблема. Оптимально это сделать на мой взгляд программно, в "твёрдом плеере", хотя ЦФ, способные более-менее адекватно работать пока ещё добываемы: SM5842, PMD100.
 

Vendor

Местный
Статья отличная – респект.
Совсем кратко по поводу мыслей о (новых) цифровых форматах – да, начинать надо именно с этого, а то так и будем вечно сравнивать цифру с винилом/шеллаком/магнитной лентой.
Позволю процитировать (с некоторыми сокращениями) свой спич на другом форуме, посвящённый обзору сетевого плеера Linn:
"Наиболее популярный в настоящее время для Hi-Fi стерео-систем носитель - CD (компакт диск), разработанный более 25 лет назад, с его 16 битами разрядности квантования по амплитуде и 44,1 кГц частоты сэмплирования (количества цифровых отсчётов в секунду) устарел и требует замены.
Попытки вывода на рынок носителей/форматов высокого разрешения, т. н. Hi-Res – Cупер-Аудио CD (SA-CD) и ДиВиДи-Аудио (DVD-A) сопровождались как техническими, так и, в большей мере, маркетинговыми просчётами, которые привели к тому, что, не продемонстрировав потребителю ощутимого прироста качества, ему предложили форматы, более интересные производителю своими системами защиты от копирования. Говоря другими словами, за б(о)льшие деньги предложен неудобный для потребителя продукт. Периодические попытки навязать CD «защиту от копирования» реального успеха не имели, поскольку они не только приводят к несовместимости со стандартом CD («Red Book»), ухудшению и так невыдающегося звука, неудобству для пользователей, а иногда и крупным скандалам, не улучшающим репутацию издателя, как, например, с печально знаменитым «RootKit» от SONY. Кроме того, даже объёмы продаж CD заметно падают год от года, в чём издатели винят «пиратов» и Интернет. Массовый потребитель предпочитает (часто «бесплатно») скачивать записи в MP-3 покупке более качественного, но гораздо более дорогого фирменного CD, поскольку собственно формат – это лишь потенциальная возможность получения качества, а при проигрывании на компьютере с убогим, по меркам качественного звуковоспроизведения аудио-трактом, или не намного более качественном портативном плеере, звучание CD и MP-3 практически неотличимо, так «зачем платить больше?» ©, как и призывает реклама. Дополнительно, серьёзно дискредитировало звук уже стационарных Hi-Fi проигрывателей CD-дисков повсеместное внедрение в последние несколько лет в качестве их основы – блока цифро-аналогового преобразования (ЦАП) на основе микросхем, работающих на принципах дельта-сигма преобразования. Такие ЦАП, являясь значительно более дешёвыми и технологичными в производстве, по мнению экспертов, серьёзно проигрывают в качестве звука ранее повсеместно применявшимся ЦАП на основе мультибитных (R-2R) микросхем. По совокупности, неудивительно, что анализ статистики, публикуемой RIAA (Recording Industry Association of America), свидетельствует о росте продаж музыки, «скачанной» через Интернет.
Возникает вопрос: «Каковы перспективы высококачественного звуковоспроизведения в эпоху Internet и возможно ли вообще подобное сочетание?».
Большинству любителей высококачественного (цифрового) звуковоспроизведения остаются всё те же CD, а особо продвинутым виниловые пластинки и современные форматы высокого разрешения (SA-CD и DVD-A) с очень ограниченной номенклатурой записей и достаточно дорогой аудио-техникой, при воспроизведении на которой преимущества записей в этих форматах ощутимы.
Замечу, что в настоящее время не существует никаких технических препятствий для создания потребительского формата цифровой записи значительно превосходящего по качеству существующие. Как пример такого формата – PCM (Pulse Code Modulation – импульсно-кодовая модуляция) с разрядностью в 20(24) бита и частотой дискретизации в 384 кГц. Однако внедрение и массовый выпуск носителей и аппаратуры, поддерживающий такой формат представляется маловероятным, в первую очередь из-за того, что эра физических носителей уходит в прошлое, а вкладывать гигантские средства в продвижение подобного стандарта носителей нерационально (см HD-DVD vs BluRay).
Но ведь ничто не мешает (при наличии инвестиций, разумеется!) выйти на рынок с системой создания/распространения через Internet/воспроизведения музыки с высоким качеством звука с использованием цифрового формата с частотой дискретизации в 384 кГц и разрядностью квантования по амплитуде в 20(24) бит, причём без использования т.н. дельта-сигма преобразователей аналог-цифра и цифра-аналог при записи и воспроизведении, соответственно.
Если говорить о том, где взять записи, созданные в подобном формате, то студии звукозаписи к подобному формату технически давно готовы, а некоторые даже используют при записи и внутристудийной обработке (мастеринге) и только на финальной стадии конвертируют (с потерей качества) в стандартный CD формат.
Для воспроизведения записей (файлов) в этом формате предлагается использование стационарного, независимого от компьютера проигрывателя (плеера), имеющего возможность подключения к компьютеру для получения контента и/или наличием разъёма универсальной карты флэш-памяти для большей гибкости использования. Создание и продвижение на рынок подобного плеера достаточно дорого, но снижение стоимости массовой флэш-памяти и отсутствие в подобном проигрывателе прецизионного и очень дорогого механизма считывания с дисков делает создание подобного устройства оправданным с экономической точки зрения, даже, несмотря на необходимость использования малораспространенных (в настоящее время) мультибитных микросхем ЦАП.
Ориентировочно стоимость подобного плеера может составить $1500-$2000, т.е. ориентация на «верхний» Hi-Fi и Hi-End. Принимая во внимание, что стоимость современных высококачественных CD/SA_CD плееров зачастую намного превосходит $5000, цена предлагаемого устройства не кажется запредельной.
Думаю, что предложенный путь, сочетающий заметное улучшение качества с удобством сетевого распространения музыки, может привести в лагерь любителей высококачественного звуковоспроизведения очень много новых сторонников, тем самым, возможно, обозначив новый вектор для всей музыкальной и звуковоспроизводящей индустрии."
(c)

Ну и возвращаясь к техническим аспектам - увы, использование частоты "честной" частоты дискретизации в 384 кГц при записи/воспроизведении, конечно очень здорово и правильно, но технически труднореализуемо из-за проблем с тем же джиттером, требования к величине которого для полной реализации разрешения по амплитуде при такой частоте - фемтосекунды (!) делает слабопредставимым широкое распространение. Как отметил в соседней ветке Д. Андронников: "Даже при использовании сверхмалошумящих генераторов с уровнем RMS джиттера менее 0.1 пс реализуемое разрешение на частоте сигнала 150 кГц по индуцированным искажениям составит порядка 19 разрядов. Кроме того, эти 0.1пс нужно еще суметь использовать, поскольку собственная апертурная неопределенность внутренних регистров ЦАП обычно не ниже 1...3пс."

Итого, суммируя, требования к (цифровому) формату/тракту вырисовываются следующие:

1. Отсутствие дельта-сигмы при записи-воспроизведении, т.е. АЦП-SAR, ЦАП-честный мультибит.
2. Максимально возможная частота дискретизации для работы без передискретизации при записи-воспроизведении с учётом требований к джиттеру ~ 150 кГц (на выбор - 144 кГц, 176.4 кГц, 192 кГц).
3. Разрядность при АЦП/ЦАП - 20 бит. Промежуточную разрядность при мастеринге, конечно, можно использовать хоть 64.
4. Аналоговые фильтры не очень высокого порядка (3-го, например) без всякой цифровой фильтрации/передискретизации как на входе АЦП, так и на выходе ЦАП.
Предложенный тракт вполне способен обеспечить максимальный динамический диапазон музыки - в 96 дБ и неискажённую передачу музыкального сигнала в полосе частот до ~ 24-32 кГц (полоса аналоговых фильтров АЦП/ЦАП), в зависимости от частоты дискретизации 144-192 кГц, соответственно.
 
Итого, суммируя, требования к (цифровому) формату/тракту вырисовываются следующие:

1. Отсутствие дельта-сигмы при записи-воспроизведении, т.е. АЦП-SAR, ЦАП-честный мультибит.
2. Максимально возможная частота дискретизации для работы без передискретизации при записи-воспроизведении с учётом требований к джиттеру ~ 150 кГц (на выбор - 144 кГц, 176.4 кГц, 192 кГц).
3. Разрядность при АЦП/ЦАП - 20 бит. Промежуточную разрядность при мастеринге, конечно, можно использовать хоть 64.
4. Аналоговые фильтры не очень высокого порядка (3-го, например) без всякой цифровой фильтрации/передискретизации как на входе АЦП, так и на выходе ЦАП.
Предложенный тракт вполне способен обеспечить максимальный динамический диапазон музыки - в 96 дБ и неискажённую передачу музыкального сигнала в полосе частот до ~ 24-32 кГц (полоса аналоговых фильтров АЦП/ЦАП), в зависимости от частоты дискретизации 144-192 кГц, соответственно.

Проблема в том, что ЦАПов с открытой матрицей, могущих работать на столь высоких частотах, очень мало.
Я нашёл лишь один вариант индустриального ЦАПа, честных 18 бит, который кое-как справится с 4-х кратной передискретизацией, т.е., с частотой 176,4 кгц.
 

L0ki

Эксперт
По поводу аудио-ЦАПов, мне сразу вспоминается меткая фраза Торреса:
- Если на детали написано фор аудио, то она больше ни на что не годится.
 
....Ну и возвращаясь к техническим аспектам - увы, использование частоты "честной" частоты дискретизации в 384 кГц при записи/воспроизведении, конечно очень здорово и правильно, но технически труднореализуемо из-за проблем с тем же джиттером, требования к величине которого для полной реализации разрешения по амплитуде при такой частоте - фемтосекунды (!) делает слабопредставимым широкое распространение. Как отметил в соседней ветке Д. Андронников: "Даже при использовании сверхмалошумящих генераторов с уровнем RMS джиттера менее 0.1 пс реализуемое разрешение на частоте сигнала 150 кГц по индуцированным искажениям составит порядка 19 разрядов. Кроме того, эти 0.1пс нужно еще суметь использовать, поскольку собственная апертурная неопределенность внутренних регистров ЦАП обычно не ниже 1...3пс."

.

Мне кажется, что следует различать при ацца преобразованиях искажения обусловленные искажениями масштаба времени из-за работы систем от синхросигналов с "фазовыми" погрешностями, и искажения, обусловленные инерционностью (немгновенность) в процессе АНАЛОГОВЫХ переключений. Во многих случаях такие искажения бывают связанными, зависимыми. Но "для борьбы" и для поиска средсв этой борьбы таки надо их разделить.

Прежде всего, "чистый джиттер" ОЧЕНЬ МНОГООБРАЗЕН. И многообразны его негативные звуковые-слуховыые проявления. Мне кажется, что страшен "периодический джиттер". "Шумоподобный" - в гораздо меньшей степени. Своё мнение ЗДЕСЬ может высказать д-р Барменталь, если захочет :). Он более продвинут в этом вопросе.
 

Dr. Bar-Mental

Местный
Прежде всего, "чистый джиттер" ОЧЕНЬ МНОГООБРАЗЕН. И многообразны его негативные звуковые-слуховыые проявления. Мне кажется, что страшен "периодический джиттер". "Шумоподобный" - в гораздо меньшей степени. Своё мнение ЗДЕСЬ может высказать д-р Барменталь, если захочет :). Он более продвинут в этом вопросе.


Думаю, что пока не будет на руках оцифровок "лаболаторного" формата, публиковать 2ю часть статьи преждевременно. Это всё равно, что опубликовать 1ю часть в 2003 году, когда даже прототипа ЦАПа не было.

Посмотрите, что творится - народ озабочен фемтосекундами и 20-24битами! А лучшего метода менять народное сознание, чем прямая демонстрация, я не вижу. Это ещё из древности известно... ;)
 

andrey_s

Местный
Посмотрите, что творится - народ озабочен фемтосекундами и 20-24битами! А лучшего метода менять народное сознание, чем прямая демонстрация, я не вижу. Это ещё из древности известно... ;)
Зря Вы обобщаете, ИМХО. Необходимо учитывать и тот факт, что те, кто НЕ "озабочен" вышеуказанным, не будут сообщать об этом при каждом удобном случае (в отличии от тех, кто озабочен :) )
Что же до народного сознания - все уже! Поздно! Уж поменяли. Лично ко мне уже едут dac8830icd ;)
А в целом - большое человеческое спасибо за статью! При прочтении больше всего понравилось ощущение внезапного открытия собственных глаз :) Короче, как не крути, а новый этап "отечественного" ЦАПостроения Вы, господа, уже ознаменовали. Очередь на покупку "оригинальных" NOS аудио-цапов слегка уменьшилась :)

P.S. выводы о необходимости наличия 20-24 разрешения можно было сделать достаточно давно, на основе "успеха" систем увеличения разрядности начиная с HDCD и заканчивая существовавшими почти у каждого производителя фирменными разработками. Если же закладываться на 16-18 бит, то очевидно, что и с фемптосекундами все не так уж печально ;) Да и нельзя забывать баталии вокруг 1Х бесфильтровых ЦАПов, у которых масса поклонников, несмотря на то, что на низких уровнях реальную разрядность там даже мерять страшно, ИМХО :) Короче, 5 раз ИМХО, но увеличение разрядности по временной оси гораздо важнее и заметнее, чем по амплитудной.

Кстати, кроме честных оцифровок на 384К, ИМХО, есть еще один интересный аспект: с закрытием вопроса вывода на больших Fs можно попытаться делать цифровую фильтрацию и оверсэмплинг (тех же 44.1К) в offline програмно (но долго и тщательно :) ), и выводить на цап уже
352.8К, к примеру.

Еще раз спасибо!

С уважением,
Андрей
 
Кстати, кроме честных оцифровок на 384К, ИМХО, есть еще один интересный аспект: с закрытием вопроса вывода на больших Fs можно попытаться делать цифровую фильтрацию и оверсэмплинг (тех же 44.1К) в offline програмно (но долго и тщательно :) ), и выводить на цап уже
352.8К, к примеру.

Еще раз спасибо!

С уважением,
Андрей

Вот! Именно и только так! :beer:
За таким решением, ИМХО, будущее! ;)
 

L0ki

Эксперт
И выдавать ее на DAC целиком из RAM/EEPROM.

P.S.
В этом направлении как раз сейчас и чешу репу...
т.е. DIMM модуль + альтерка,
все это дело завязано на комп.
 

Dr. Bar-Mental

Местный
И выдавать ее на DAC целиком из RAM/EEPROM.

P.S.
В этом направлении как раз сейчас и чешу репу...
т.е. DIMM модуль + альтерка,
все это дело завязано на комп.

Так ведь ДИММ динамическая память вроде... Смысл? Помех - не избежать, лучше тогда прямо с винта брать, благо кэш 16МБ уже не редкость, а будет больше... ;)

Если же чтением из памяти заморачиваться, то Static RAM или EEPROM, ИМХО...
 

Zef

Местный
Интересно, а чем объясняется "плохое качество" дельта-сигмы? Я лично прихожу к как раз обратному мнению, что Д-С неизмеримо лучше за счет уменьшения количества ключей и увеличения частоты дискретизации на порядки, т.е. резко снижаются требования к фильтру.
 

Михаил44

Местный
Значит по-Вашему важнее фильтрация,чем точность преобразования.Так следует понимать?
И насколько по Вашему,дс лучше,чем измеряете?Ушами?
 

Dr. Bar-Mental

Местный
Интересно, а чем объясняется "плохое качество" дельта-сигмы? .

За ликбезом - сюда http://www.jitter.de/pdfextern/DesignSem5.pdf, а именно стр.19

Я лично прихожу к как раз обратному мнению, что Д-С неизмеримо лучше за счет уменьшения количества ключей и увеличения частоты дискретизации на порядки, т.е. резко снижаются требования к фильтру.

Ага, и резко повышаются требования к джиттеру мастер-клока и т.д. и т.п.

Хотя... если на слух не заметно, то "зачем платить больше"? ;)
 
Интересно, а чем объясняется "плохое качество" дельта-сигмы? Я лично прихожу к как раз обратному мнению, что Д-С неизмеримо лучше за счет уменьшения количества ключей и увеличения частоты дискретизации на порядки, т.е. резко снижаются требования к фильтру.

У моего друга предельная реализация дельта-сигмы (AD1853) проигрывает всё же существенно моему LYNX30v1.
Особенно на МАЛЫХ уровнях.
 
Сверху

all-audio.problack-job.netkakbik.infomanagement-club.comsafe-crypto.mevse-multiki.comultrasoft.solutions