Все, что вам необходимо знать о ЦАП
Сохранить и прочитать потом —
Как ни досадно, нельзя не признать, что цифроаналоговые преобразователи – один из самых игнорируемых широкой публикой Hi-Fi-компонентов. Хороший и правильно подключенный ЦАП способен резко повысить качество звучания. Если хотите убедиться в этом, читайте наш материал.
Что такое ЦАП? Что он делает?
Звуки, которые мы постоянно слышим – дорожный шум, работающие инструменты, плачущий ребенок в транспорте – представляют собой акустические волны, которые распространяются в воздушной среде к нашим ушам в аналоговой ипостаси.
Аналоговые записи издавались на виниловых дисках и кассетах, однако нежелательный шум и ненадежность этих носителей стимулировали поиск новых форматов. Появление CD открыло дорогу для цифровой революции.
Цифровое аудио кардинально отличается от аналогового. Цифровые музыкальные файлы обычно создаются при помощи импульсно-кодовой модуляции (PCM) в процессе измерения амплитуды аналогового сигнала через равные интервалы времени.
Жизнь в цифре
Значение амплитуды представлено двоичным числом (1 или 0), а длина этого числа называется разрядностью, выраженной в битах. Величина, обратная временному интервалу измерений, является частотой дискретизации.
Например, при записи стандартного CD выборка делается 44 100 раз в секунду. Каждый из «срезов» измеряется с точностью до 16 бит, и результаты измерения сохраняются в 16-разрядном цифровом формате. С другой стороны, при записи трека в Hi-Res-аудио длина «среза» увеличивается до 24 бит, а выборка делается аж 192 000 раз в секунду.
У цифровых аудиоданных могут быть самые разные частота дискретизации, разрядность, форматы кодирования и сжатия – однако независимо от конкретных параметров именно ЦАП должен придать этим данным смысл, максимально точно переведя их из двоичного формата в исходную аналоговую форму.
Зачем нужен отдельный ЦАП?
Сегодня почти любой цифровой компонент оснащен собственным ЦАП, однако далеко не все ЦАП созданы равными. Начнем с того, что они могут поддерживать не все типы файлов.
Плохие модели могут привносить в звучание нежелательный шум из-за непродуманного проектирования печатных плат или вызывать искажения в связи с джиттером.
Джиттером называются ошибки синхронизации. Точная синхронизация цифрового музыкального потока, определяемая генератором тактовых импульсов, жизненно важна для качества воспроизведения, и если ее не удается обеспечить из-за конструктивных недостатков, качество страдает.
Проблема джиттера может возникнуть при любом перемещении цифрового сигнала по плате, но особенно серьезной становится при передаче сигнала между устройствами. В последние годы широкое распространение получили асинхронные ЦАП, именно по этой причине перехватившие у компьютеров обязанности по синхронизации.
Тактовые генераторы, применяющиеся в компонентных ЦАП класса High End, точнее и стабильнее, чем у обычных ПК, и звук в результате получается существенно лучше.
Все зависит от исходного материала
Разумеется, чтобы получить от ЦАП максимально возможный результат, необходимо позаботиться о качестве исходного материала. Не рассчитывайте на чудо, предлагая ему MP3-файлы с битрейтом 128 кбит/с. На самом деле, более качественное декодирование сжатого сигнала может еще сильнее подчеркнуть его недостатки. Для компонентных ЦАП оптимальные результаты обеспечивает контент CD-качества и выше. Обычно музыка с подобным разрешением записана в PCM-форматах без потерь – FLAC, WAV или ALAC (Mac), а также DSD.
DSD и PCM
DSD, или Direct Stream Digital – альтернатива PCM. Этот формат изначально был разработан для архивирования, а позднее применялся для записи Super Audio CD (SACD), продвигавшихся Sony и Philips в конце 90-х и начале 2000-х. Это намного более нишевый формат; в отличие от PCM, его разрядность составляет всего один бит, зато частота дискретизации намного выше – 2,8 МГц у DSD64 и 5,6 МГц у DSD128.
Споры о том, какая система кодирования лучше, продолжаются до сих пор. Мы лишь скажем, что убежденным сторонникам DSD следует внимательно проверять списки характеристик: не все ЦАП поддерживают этот формат.
ЦАП какого типа вам подойдут?
Спектр форм-факторов и габаритов этих устройств огромен, они различаются по функциональности и по числу входов, так что ваш выбор будет зависеть от конкретных потребностей и величины бюджета.
Компактные USB-ЦАП обеспечивают мобильность и удобство по разумной цене. Это могут быть устройства не больше стандартной USB-флэшки (например, AudioQuest DragonFly Black) или карманные аппараты, подключаемые отдельным USB-кабелем (такие как Oppo HA-2 SE).
Чаще всего они получают питание от компьютера, не требуя отдельного источника. Подключений у них обычно немного – выход для наушников и, возможно, линейный выход для активных АС или Hi-Fi-системы.
Стационарные ЦАП
Если вам нужно больше разъемов и не требуется носить ЦАП с места на место, настольное USB-устройство – такое как Audiolab M-DAC – может оказаться более подходящим. Подобные модели обычно более габаритны и требуют подключения к источнику питания, зато помимо USB-порта оснащены еще несколькими цифровыми или аналоговыми входами.
Если собираетесь использовать наушники, обратите внимание на наличие соответствующего выхода.
Наконец, некоторые ЦАП предназначены для работы в составе большой домашней аудиосистемы. У них обычно больше входов (в частности, таких редких, как AES/EBU) и функций. Они могут поддерживать весь спектр форматов Hi-Res-аудио или обеспечивать беспроводную трансляцию со смартфона или планшета посредством Bluetooth. Некоторые даже оснащены регулятором громкости и могут выступать в роли предусилителей.
Hi-Fi и High-End техника или энциклопедия звука и видео
ЗВУКОМАНИЯ
Hi-Fi и High-End техника или энциклопедия звука и видео
Зачем нужен ЦАП?
Зачем нужен ЦАП?
Клон Naim NAP 200 +внешний ЦАП 9038
Зачем нужен внешний цифро-аналоговый преобразователь? Когда человек достаточно скромен, чтобы отказывать себе в крупных покупках, но хочется хорошего звука, то он часто начинает анализировать и смотреть на другой аппарат, который менее известен и внешний ЦАП является таким популярным выбором.
Зачем нужен ЦАП?
Вы когда-нибудь задавались вопросом, почему звук из гнезда для наушников вашего ноутбука сильно отличается от звука, который выходит из хорошей стерео системы, вот короткий ответ, потому что у вашего ноутбука отсутствует один из ключевых устройств, чтобы сделать звук из чисел: цифроаналогового преобразователя, а проще ЦАП.
Цифровой аналоговый преобразователь, или ЦАП (DAC), принимает в
аш цифровой контент и преобразует его в аналоговый, затем система может усилить его и воспроизвести через динамики (усилитель + акустика или активная акустика). Если вы думаете, что вы уже имеете ЦАП в вашей системе, то вы будете правы. Все, что может принимать цифровой сигнал и выдаёт на выходе звук должен включать в себя ЦАП. Телефон, MP3-плеер, ресивер, аудио процессор, компьютер, ноутбук, CD / DVD / Blu-ray плеер с аналоговыми выходами, и многое другое.
ЦАП РСМ2706 + 4398
ЦАП представляет собой цифро-аналоговый конвертер. ЦАП имеет одну задачу — преобразовать цифровую звуковую информацию в аналоговый сигнал, который может подан на активную акустику или усилитель.
Вопросы качества звука — это сложный вопрос. Если вы слушаете большие файлы высокого качества (флак, апе, вав) в вашем компьютере и будете воспроизводить их, то вам требуется купить внешний ЦАП (только проверьте настройки, чтобы убедиться, что всё настроено правильно).
Что вам нужно, чтобы воспользоваться преимуществами внешнего ЦАП?
Вы можете просто подключить любое устройство в любой ЦАП и вкусить опыт акустического блаженства? Конечно нет.
ЦАП на 9038Pro Audiophile V2 и задняя панель ЦАП
ВАМ НУЖНО для ЦАП:
Зачем нужен ЦАП — Совет!
Если у вас все еще есть цифровой контент, который хранится в 128kbps в MP3-файлах, то советую просто удалить его и заменить альбомы в более лучших несжатых форматах.
ЦАП на 9038Pro Audiophile V2 зад.панель
MP3 и другие сжатые файлы
Если исходный файл уже был низкого качества (или уже сжатый), то процесс преобразования в MP3 может добавить все виды слышимых искажений в вашу музыку. Для того, чтобы воспользоваться преимуществами внешнего ЦАП, вам нужен звук по крайней мере, как качество CD. В настоящее время существует целый ряд кодеков без потерь сжатия, включая FLAC, WMA Lossless (Windows), а также Apple Lossless (Mac), которые будут несколько больше, но сохранять при этом всё содержимое звука, которое будет нетронуто.
внешний ЦАП Audio GD R2R 11
Если вы действительно хотите, высокое качество музыки, то вы можете использовать любое для этого место, к примеру, торренты или сайты, чтобы получить музыку, которая лучше, чем качество CD.
Помните, что качество CD 44,1 кГц, 16-бит. Самое высокое качество, которое вы можете купить в настоящее время (за пределами очень специализированных мест) является 192kHz, 24-бит. Эти файлы высокого качества являются эквивалентом мастер-студийных лент (DSD) и будут самыми лучшими по качеству звука. Конечно, их размеры файлов очень большие, так что вы должны быть осторожными в том, сколько места осталось на жестком диске, прежде чем начать загрузку большого количества альбомов.
Если плеер имеет только аналоговые выходы (RCA красный и белый или просто разъем для наушников), вы не можете добавить внешний ЦАП. Но, иногда можно, ведь внешний ЦАП просто принимает аналоговый сигнал от проигрывателя, повторно преобразовать его в цифровой, а затем обратно в аналоговый.
Те, кто любит слушать музыку на телефонах или портативных плеерах с USB выходами также должны быть осторожны, ведь купить внешний ЦАП очень просто, но не все они поддерживают такое подключение. Некоторые телефоны делают преобразование даже через соединение USB, так что вы не будете слышать разницу, добавив ЦАП. Главное убедиться, чтобы ЦАП поддерживал ОТГ при цифровом подключении к устройству и сам смартфон ОТГ поддерживал + соединение кабелем ЮСБ/ОТГ.
И, наконец, вам нужно какое-то усиление. Если ЦАП имеет выход для наушников (и вы будете использовать только наушники), то усиление встроено прямо в ЦАП. Но если вы хотите подключение к акустике, то вам необходимо купить усилитель для пассивных акустических систем или активные студийные мониторы, или компо-колонки.
Но если серьезно, зачем нужен внешний ЦАП?
ЦАПы являются достаточно зрелой технологией. Если у вас возникли проблемы с качественным звуком, то убедитесь, что у вас нет других возможных источников искажений (включая ваши колонки / наушники), прежде чем принять решение о том, что ЦАП виноват.
Добавление внешнего ЦАП может быть хорошим решением, но не всегда самым дешевым.
Furutech GT2 USB + ЦАП R2R11
Для наушников, в частности, громкость может быть проблемой. Если у вас есть дорогие наушники, то вы можете обнаружить, что выход вашего компьютера или ЦАП просто не достаточно громко выдаёт звук, и даже не в полном объеме. В таком случае, что вам нужно будет купить усилитель для наушников. Многие внешние ЦАП USB имеют встроенные усилители для наушников.
Зачем нужен ЦАП — Выводы
Есть много причин, почему люди покупают внешние ЦАП, но наиболее распространенным является потому, что они довольно дешевые стали + от многих даже дешевых можно получить лучшее качество звука, чем со встроенной звуковой карты компьютера. Но не все ЦАП хороши.
Не все устройства обладают способностью звучать великолепно.
Советую читать сайт Звукомания, и вы найдёте множество обзоров на различные по цене ЦАПы. Если вы хотите слушать ваши большие файлы высокого качества (флак, апе, вав), то внешний ЦАП является хорошим решением. Если вы до сих пор в затруднении, какой ЦАП купить, то пишите мне в ВК я вам помогу.
ЦАП 2706 + 4398
По всем вопросам Пишите мне на эл. почту: anl555@bk.ru или ВК https://vk.com/id104002989 или https://ok.ru/aleksandr.levchuk2
Не бойтесь меня и добавляйтесь в ВК, Ютуб, Одноклассники, FK
Не забывайте сохранять нас в закладках! (CTRL+SHiFT+D) Подписывайтесь, комментируйте, делитесь в соц.сетях. Желаю удачи в поиске именно своего звука!
На нашем сайте Звукомания есть полезная информация по звуку и видео, которая пригодится для каждого, причем на каждый день, мы обновляем сайт «Звукомания» постоянно и стараемся искать и писать только отличную, проверенную и нужную информацию.
Если вы хотите узнать больше об этой теме, и быть в курсе, пожалуйста, подпишитесь на наш сайт
Как выбрать ЦАП
Анонс
DJSTORE
Ежедневно мы используем хотя бы один цифровой преобразователь, даже не задумываясь об этом.
Устройства, которые способны преобразовать цифровой аудиосигнал в аналоговый и передать его в аудиосистему или на наушники, содержат в своей конструкции ЦАП или цифро-аналоговый преобразователь. Звуковые карты, цифровые проигрыватели, компьютеры, смартфоны, студийное оборудование — во всех случаях в схеме присутствует тот или иной ЦАП. Рассмотрим подробнее, что это.
Что такое ЦАП и как он работает
Цифро-аналоговый преобразователь — это устройство, конвертирует цифровой сигнал в виде двоичного кода в аналоговый, в виде тока, напряжения или заряда.
В смартфонах, компьютерах и плеерах преобразователь — это микросхема со стереовыходом на разъеме ⅛” или RCA.
Более сложные преобразователи — это уже автономные устройства с возможностью подключения к компьютерам или аудиосистемам, большим количеством каналов и разъемов. Преобразователи отличаются друг от друга качеством и точностью передачи сигнала.
Любой ЦАП работает с двоичным кодом. Устройство преобразует код в электрический сигнал: единица соответствует наличию напряжения, при нуле напряжения нет. После этого электрический сигнал поступает на акустическую систему, где и превращается в звуковые колебания.
Характеристики
ЦАП во многом определяет параметры всей аудиосистемы и непосредственно влияет на качество получаемого аудиосигнала.
Основные параметры уровня качества записи в цифровом формате: частота дискретизации (измеряется в Гц), разрядность (измеряется в бит) и битрейт (измеряется в кбит/с). Эти характеристики будут главными в выборе ЦАП.
Частота дискретизации
Частота дискретизации определяет, как цифровые данные будут конвертироваться в аналоговый сигнал. Чем выше частота дискретизации, тем результат преобразования будет ближе к исходному сигналу.
Для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была в два раза выше, чем максимальная частота в спектре сигнала.
Подкованные в технических науках могут найти обоснование явлению в теореме Котельникова.
Это означает, что для воспроизведения слышимого человеком звукового диапазона частот 20-20 000 Гц необходимая частота дискретизации будет составлять до 40 000 Гц.
Соответственно, частота дискретизации Audio CD составляет 44.1 кГц, а mp3-файлов — 48 кГц.
ЦАП, проигрывающий такие файлы, должен иметь частоту дискретизации не менее 48 кГц, иначе звук будет искажаться. При обработке некомпрессированных форматов частота дискретизации должна быть еще выше. Она может доходить до 96 кГц, 192 кГц, и более. Основные используемые значения: 44,1 кГц, 48 кГц, 88,2 кГц, 96 кГц, 192 кГц.
Разрядность
Указывает, какое количество бит или значений двоичного кода содержится в одном семпле. Для 16 бит это будет 216 = 65 536 значений. Чем выше разрядность, тем точнее будет воспроизведен аналоговый сигнал. Основные используемые значения: 16 бит, 24 бит и 32 бит.
Битрейт
Битрейт показывает, какое количество цифровой информации проходит за единицу времени. Чем он выше, тем качественнее будет сигнал. Максимальное значение для mp3 составляет 320 кбит/с. Для Audio CD (16-бит, 44.1 кГц) уже будет составлять 1411,2 кбит/с. Значение для некомпрессированного формата FLAC будет составлять около 36,864 кбит/с.
Количество каналов
Бытовые устройства обычно оснащены двумя каналами, что позволяет передавать стерео- и моносигналы. Для профессиональных систем может потребоваться большее количество каналов, например, четыре, шесть или восемь.
Соотношение сигнал/шум
Это соотношение чистого сигнала и собственного уровня шума преобразователя. Чем выше значение этого показателя, тем более чистый звук и больший динамический диапазон будет воспроизводить устройство. Для обычного прослушивания музыки желательно не менее 75 дБ, для высококачественных систем и звукозаписи — от 90 дБ.
Как выбрать преобразователь
Сначала нужно определиться с задачами и ценой. Если задача — слушать просто музыку, подойдут портативные или настольные модели. Для студии их уже не хватит, но с бытовыми задачами они справятся.
Компактные модели имеют возможность подключения и питания по USB напрямую или через кабель. Размер может быть сопоставим с USB-накопителем или небольшим внешним блоком. Интерфейс линейного аудиовыхода чаще всего — в виде разъема 1/8” (стерео) или RCA.
Настольные модели оснащены различными видами цифровых входов, USB для подключения к компьютеру и отдельным источником питания. Аналоговые выходы могут быть представлены в нескольких вариантах, балансных и небалансных. Может присутствовать отдельный усилитель для наушников.
Для профессиональной студийной работы используют модели с возможностью как цифро-аналогового преобразования, так и аналогово-цифрового. Такие модели больше размером, ставятся в рэковую стойку, оборудованы большим количеством разъемов и чипами очень высокого качества.
Бюджет
Он будет напрямую зависеть от качества компонентов, наличия определенных интерфейсов, входов, выходов и других дополнительных возможностей. Цена самых простых моделей с цифровым входом и линейным стереовыходом может начинаться от нескольких тысяч. Модели с возможностью подключения по USB будут стоить дороже, так как имеют схема в этом случае усложняется.
Качество звука
ЦАП нужен не только чтобы преобразовать цифровой сигнал в аналоговый, но и сделать максимально приближенным к цифровому оригиналу.
Компьютеры обычно оснащены преобразователями низкого качества. Внешний ЦАП в этом случае берет на себя эту задачу и делает выходной сигнал намного качественнее. Характер звучания преобразователей при этом должен оставаться максимально чистым и нейтральным.
Возможности для подключения
Цифро-аналоговый преобразователь должен иметь хотя бы один цифровой вход, например S/PDIF, или возможность подключения к компьютеру по USB/Thunderbolt/Firewire. S/PDIF может быть Coaxial (коаксиальным) или Optical (оптическим). Цифровых разъемов может быть несколько.
Аналоговые выходы компактных моделей, как правило, оснащены разъемами ⅛” и RCA. Настольные модели оборудуются балансным стереовыходом XLR или 1/4”, и дополнительными небалансными RCA. Студийные устройства могут быть оснащены большим количеством аналоговых выходов.
Учитывайте при выборе конвертера, что его характеристики должны соответствовать или быть выше параметров аудио, с которым девайс будет работать. Иначе могут возникнуть искажения или ЦАП в принципе свои функции выполнять не будет.
Но помните и о субъективном восприятии. Попробуйте отслушать несколько ЦАП, и обратите внимание на то, какой из них субъективно будет звучать привлекательнее. Подходящие технические параметры и субъективно приятное звучание — сочетание, которое укажет на нужную покупку.
С профессиональными устройствами несколько сложнее: помните, что главное в профессиональной технике — нейтральность и чистота в передаче аудио.
ЦАП — “Спокойно, Андрей, никакого секрета здесь нет!”
Закрыть Показать Категории
Команда Era in Ear
Эксперт по Hi-Fi и High-End направлению
ЦАП — “Спокойно, Андрей, никакого секрета здесь нет!”
ВСТУПЛЕНИЕ
Если с работой усилителя все понятно, ну или хотя бы это так на первый взгляд, то вот с тем, за счет какой магии работает ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь), еще предстоит разобраться.
Ну посудите сами. В эту загадочную коробочку подается бесконечный поток единиц и нулей, а на выходе мы получаем последний альбом Tool. Каким образом бинарный код превращается в звук? Какие варианты преобразования есть? В чем отличия, преимущества и недостатки? Попытаемся разобраться.
Из прошлого текста мы помним, что “электрический звук” это и есть ток — комбинация напряжения и силы тока. Различные походы к усилению сигнала не меняют единого подхода к преобразованию его цифровой личины в ток. Это превращение нулей и единиц, единиц и нулей в то самое напряжение на выходе. Которое подается на усилитель для дальнейшего усиления в достаточной мере для раскачки колонок и наушников.
Как же ЦАП понимает сигнал и читает его? Попробуем разобраться.
ЦИФРОВОЙ ЗВУК И ЕГО ФОРМАТЫ
Как вы помните, если упростить, звуковой сигнал имеет форму синусоиды. Цифровой формат аудио подразумевает перевод этой кривой в код из нулей и единиц, который зашифровывает основные характеристики синусоиды. Ее частоту и амплитуду. Можно сказать, что речь идет о выражении звука через математическую функцию.
Независимо от исходного формата, мы храним данные в формате кода. То, как эти данные “скармливаются” ЦАПу, определяет их формат. Они могут идти пакетом (MQA), методом импульсно-кодовой модуляции (наиболее распространенный формат — PCM) и однобитным потоком (великий и ужасный DSD). Современный ЦАП может обрабатывать все эти виды потоков данных. Только MQA остается отчасти экзотикой, но с каждым годом все больше и больше устройств получает сертификацию MQA.
Кроме того, данные могут быть как сжатые (MP3, OGG), так и без сжатия (lossless). Несжатый поток может быть как “сырым” (wav, DSD), так и архивированным (flac, ape, alac). С точки зрения содержания информации архивированный и не архивированный формат не отличается. Однако, есть мнение, что нагрузка на систему при “распаковке” архива может негативно сказываться на итоговом звучании. Но оставим эти предположения тем, кто слышит разницу между разными картами памяти.
Итак, мы имеем несколько видов цифровых форматов и их вариаций. Но за их масками скрыты все те же нули и единицы. Отличаются только “порции” (сэмплы), скармливаемые ЦАПу. В случае с однобитным DSD это 1 бит. То есть ЦАП получает однобитные семплы, но с очень высокой частотой. В случае с PCM идет подача пакетного семпла, который может содержать 16/24/32 бит. Обычный flac содержит 16 бит в семпле, hi-res — 24 или 32.
Зачем понадобилось при нормально работающем формате PCM выдумывать однобитный формат? Формат DSD разработали Sony и Philips для перевода архива записей звукозаписывающего подразделения Sony в “цифру”. Если обычный формат audio CD имеет разрядность 16 бит при частоте 44,1 кГц, то DSD при однобитной разрядности имеет частоту в 64/128/256/512 раз превышающую частоту сигнала обычного компакт-диска! Эти значения обычно пишутся сразу за обозначением формата — например, DSD128. Это значит, что частота дискретизации при однобитной разрядности достигает 5,6 МГц!
Зачем? Ведь по теореме Найтквиста частота дискретизации должна быть не менее, чем вдвое выше частоты исходного сигнала. Зачем такие значения? Избыточность дискретизации способствует уменьшению шума квантования. Проще говоря, шумы квантования распределяются на более широкую полосу частот, уходя при этом далеко за пределы нашей слышимости. То есть повышение частоты дискретизации улучшает соотношение сигнал шум, а также динамический диапазон.
Кроме всего прочего, DSD еще и проще для обработки. Снижаются затраты ресурсов ЦАПа на его “чтение” и влияние ошибок самого “чтения” на итоговое звучание. Грубо говоря, передискретизация не увеличивает количество звуковой информации. Она лишь создает “пространство”, где теряется шум квантования, ошибки чтения, оставляя в центре внимания предельно правильный сигнал.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ЦАП
Итак, с форматами все ясно. Форматы — они как картошка. Не важно, в каком виде (пюре, драники, зразы, фри) — они попадают в организм, и он воспринимает их как “картошку”.
Так и ЦАП. Что бы мы не подали в него (главное, чтобы он поддерживал формат, иначе не избежать несварения), он “переварит” это в поток 0 и 1. Но как, черт возьми, мы получаем ЗВУК?
ЦАП преобразует поток бинарного кода в напряжение или ток. Можно описать это как функцию напряжения, которое определяется кодом. Чем выше или ниже значение в коде, тем выше или ниже получаем на выходе напряжение. Зависимость уровня напряжения или тока от кода в литературе называется монотонностью.
Но все немного сложнее. Так как ЦАП широко распространенное в электронике устройство, оно обладает множеством характеристик. Основные, значимые для нас, это:
Так как однобитные дельта-сигма ЦАПы появились позже, то базовой технологией считалась многоразрядная. Тут как с усилителями — нужно сперва разобраться в работе класса А, чтобы понять остальные.
Каждому разряду присваивается порядковый номер, начиная с 0 (вы же помните из школы, что в бинарной системе числа записываются справа налево?). “Вес” разряда снижается слева направо. Чем ниже разряд, тем ниже его “вес” и влияние его значения на итоговый ток.
Принцип работы ЦАП — это суммирование долей производимых токов. То есть 20-битный ЦАП “понимает” 2^20=1 048 576 значений. Чтоб вы поняли, насколько 20-битный ЦАП превосходит 8-битный, просто посчитайте, сколько значений способен он “понять”. Это 11111111 — так как бит всего 8, самое больше 8-битное число будет восемь единиц. То есть 2^8=256. Не густо. Чем с большим диапазоном значений в единицу времени может работать ЦАП, тем больший поток информации может обработать ЦАП и сделать это с максимальной точностью.
РАЗНОВИДНОСТИ ЦАП И ПЕРЕДИСКРЕТИЗАЦИЯ
По типу входных данных ЦАПы делят на параллельные и последовательные. По разрядности — высокоточные (более 14 бит) и с высоким быстродействием (6-8 бит). Также может отличаться выходной сигнал. Это может быть ток, напряжение или разряд. Как я уже говорил, ЦАП применяется в многочисленных сферах, не ограничиваясь только аудио.
Последовательные ЦАПы преобразуют сигнал поразрядно (по 1 биту) по единой схеме. Среди разновидностей последовательных ЦАПов нас интересуют только цифро-аналоговые преобразователи передискретизации. Или дельта-сигма ЦАПы. Они обладают наивысшей кост-эффективностью, условно просты в разработке и обладают превосходными вычислительными характеристиками. То есть на бумаге могут дать фору более сложным и старым параллельным R-2R матрицам.
Дельта-сигма ЦАПы преобразовывают сигнал при помощи дельта-сигма модуляции. При этом квантования осуществляется только одним разрядом (битом). Но частота модуляции значительно более высокая и может превосходить частоту Найтквиста во много раз. То есть происходит передискретизация — в итоге к потоку 0 и 1 добавляются “лишние” нули, не влияющие на содержание сигнала, но увеличивающие частоту дискретизации и позволяющие избежать шумов квантования. Например, 8-кратная передискретизация увеличивает частоту дискретизации с 44,1 кГц до 44,1*8=352,8 кГц. Это не убирает цифровые шумы, но отодвигает далеко от диапазона частот, несущих звуковую информацию.
Принцип работы параллельного ЦАПа уже упоминался в предыдущем разделе. Он основан на суммировании токов, “вес” которых пропорционален разряду в мультибитной матрице. При этом суммирование производится с коэффициентами, равными нулю или единице, в зависимости от значения соответствующего разряда. Из многообразия параллельных преобразователей наш выбор — лестничный ЦАП. Также известный как R-2R-матрица, потому как он представляет собой внезапно матрицу (токов или напряжений), набранную из резисторов с сопротивлением R или 2R. То есть из резисторов с сопротивлениями равными или базовому значению, скажем, 5 Ом, или его удвоенному значению. То есть 10 Ом.
Такие схемы сложнее, дороже, оставляют больше шансов на ошибку из-за необходимости кропотливого подбора элементов и их точечной подгонки. Но все затраты окупаются сторицей, благодаря высочайшему уровню звучания. Тут следует добавить “потенциально”, так как результат целиком и полностью зависит от реализации проекта и общей схемотехники, а не от принципиального выбора технологии.
МУЛЬТИБИТНЫЕ ЦАП
Мы рассмотрим, как работает классическая R-2R схема. Схема состоит из набора резисторов и набора ключей. Число разрядов ЦАПа определяет число ключей и пар резисторов. У каждого резистора есть “пара” — резистор с вдвое превышающим его сопротивлением. Такой ЦАП может работать как в нормальном, так и в инверсном режиме — то есть в режиме напряжения или тока. Зачастую на выходе устанавливают преобразователь тока в напряжение — такая схема наиболее распространенная.
При включении источника опорного напряжения через каждый резистор потечет ток. Значения токов по резисторам будут неодинаковы из-за различного номинала разрядов. При подаче кода из нулей и единиц происходит замыкание ключей только в том случае, если значение разряда равно единице. То есть 0 — мимо, 1 — ключ замыкается. Так и происходит суммирование токов с учетом “веса” разряда в резисторной цепи. Сама величина тока будет пропорциональна входящему коду.
ВЗВЕШИВАНИЕ ТОКОВ В ЦАП
А каким же образом схема, работающая на резисторах, определяет “вес” разряда? Это достаточно просто, если помнить, как себя ведут резисторы при параллельном и последовательном подключении. Обратимся к рисунку ниже.
Как мы видим, резисторы R1 и R2 подключены параллельно друг другу, но последовательно с резистором R3. Напомню, что номиналы у них могут быть только R и 2R. Так как же ток делится по разрядам? Очень просто. Нужно рассчитать эквивалентное сопротивление лестничной цепи. Без паники:
Таким образом, номинал сопротивления Ra равен 2R. Эта группа сопротивлений Ra соотносится параллельно с R4 и последовательно с R5. По тому же принципу (пусть это будет сопротивление Rb) номинал группы будет тоже 2R. То есть вдвое больше предыдущей группы. Таким образом, имея в схеме только номиналы R и 2R, мы получаем “лесенку” из двойных номиналов, которые регулируют “вес” тока каждого разряда.
Помните, я говорил про монотонность? Идеальная монотонность — это отсутствие ошибок при взвешивании токов. Почему это важно? Прежде всего, это точность ЦАПа. Почему это сложно? Представьте себе 16-битную схему. В ней номинал наименьшего бита отличается от номинала старшего бита в 2^16 раз. Представьте себе головную боль, с какой сталкивались разработчики в 80-х. Когда нужно подобрать и откалибровать резисторы для предельной точности работы матрицы.
На рисунке ниже находится древний артефакт — 8-битная монофоническая звуковая карта Covox 4, при помощи которой наши предки преобразовывали цифровой звук в аналоговый. Так как никакого USB тогда не было, подключалась она по LPT-порту, в народе “принтерному”.
Мульти (есть “много”) бит значит, что данные поступают одновременно. И чем больше бит (разрядов), тем больше одновременных “источников” данных. Пусть источниками будут краны, наполняющие резервуар (тут начинает ныть старая школьная психотравма, полученная на уроках математики). Пусть наш ЦАП — 8-битный (да тот же Covox). 8 бит — 8 резисторов. Считаем мы, надеюсь, вы помните, справа налево. Допустим, подается код 01101101. А теперь запишем его с номером бита (в скобках), его разрядом: 0(7)1(6)1(5)0(4)1(3)1(2)0(1)1(0). Число в скобках — это степень двойки. Суммируем, как вы помните, только те разряды, которые имеют значение “1”. 2^0+2^2+2^3+2^5+2^6=109. Образно говоря, это «поток» из открытых и закрытых кранов. При этом сами краны — неодинаковы и имеют разную «мощность» потока.
Это значение — ток или напряжение. Не буквально, конечно, а абстрактно. При частоте дискретизации 44,1 кГц в секунду ЦАП делает 44100 обработок пакетов по 8 бит. То есть каждую 1/44100 долю секунды он переводит двоичный код посредством взвешенных токов в информацию — ток или напряжение. Так и получается итоговый массив физических “аналоговых” величин, которые далее воспринимаются нами после каскадов усиления в качестве звуковой информации.
Лестничным такой ЦАП еще называют потому что в бинарных расчетах принято использовать метод “лесенки”. Эта информация мне пригодилась впервые с 10 класса. Не зря учил же!
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ЦАП
Но это — схема, матрица. На ней построены самые суровые устройства старины (и некоторые современные портативные решения). А как же интегральные схемы? Чипы от Burr-Brown, Philips? Обратимся к истории легенд — TDA1540 и TDA1541.
Инженеры Philips нашли простое и изящное решение, как уйти от матриц и добиться высокой разрядности, которую на тот момент требовали CD-проигрыватели. А они, напомню, работали с 16-битной разрядностью. Они пришли к применению активного делителя тока. Кстати, делители тока применялись и в параллельных резисторных матрицах, однако, такие решения были куда менее востребованы, чем R-2R матрицы. В 1976 году Philips запатентовали систему Dynamic Element Matching, использовавшую динамическое усреднение тока для резисторов старших битов. В данном случае это было чем-то вроде самокалибровки. DEM объединяла 6 старших бит. 10 “младших” битов “взвешивались” пассивным делителем на транзисторах. 16 бит переключался одним транзистором, 15-й — двумя, 10-й бит уже обслуживался 2^9 степени, то есть 512, транзисторами.
Интегральную схему приводить не буду, лучше полюбуемся непосредственно чипами. Я, пожалуй, вас и так немного перегрузил цепочками резисторов и этой математикой номиналов.
ДЕЛЬТА-СИГМА ЦАП
Говоря о дельта-сигма ЦАПах, прежде всего современных, их не совсем правильно называть “однобитными”. Но у их истоков как раз-таки стояли однобитные решения. Недорогие, эффективные, простые в реализации. Поэтому начинать рассматривать вопрос нужно все-таки с них.
Дельта-сигма ЦАПы, ЦАПы с формированием шума или ЦАПы с передескритизацией, для преобразования двоичного кода в ток/напряжение вместо многобитной резисторной матрицы с различным значением “веса” битов использует только два значения (состояния) в одном бите — ноль и единицу. Однобитный поток — это последовательность импульсов одинаковой амплитуды, но различной продолжительности. Помните широтно-импульсную модуляцию в статье об усилителях? Тут работает похожий принцип. Ширина импульса определяет напряжение на выходе. Однобитное кодирование — частный случай ШИМ.
За счет высокой частоты семплирования становится возможным “выделение” полезного сигнала всего из двух логических состояний, нуля и единицы. Вместо амплитудного разрешения (помните про классы усилителей A, AB?) однобитное высокочастотное семплирование использует разрешение по времени (продолжительность импульса). Такие решения просты и имеют хорошую точность без необходимости сверхточной подгонки номиналов, так как подобный ЦАП не имеет такого понятия как соотношение весов MSB и LSB, то есть самого старшего и самого младшего бита.
Как уже было сказано, в дельта-сигма ЦАПах преобразование осуществляется посредством дельта-сигма модуляции. В этом случае квантование производится одним разрядом, но на частоте в сотни раз превышающей частоту Найтквиста. Модулятор “распаковывает” цифровой сигнал в поток нулей и единиц. Но предварительно сигнал проходит через интерполирующий цифровой фильтр. Этот фильтр не “фильтрует” данные, а напротив, как это понятно из названия, интерполирует их.
Пилообразный сигнал формируется на основе пиков (верхних и нижних) аналогового сигнала, а уже на основе полученного сигнала происходит широтно-импульсная модуляция.
Помните из курса математики или статистики, что такое интерполяция? Это способ нахождения значений функции, лежащих за пределами ее известных значений. Грубо говоря, интерполяция позволяет расширить диапазон известных значений функции (сигнала) за счет предполагаемых. В случае с передискретизацией в ЦАПах это достигается с предельной точностью. Потому что “расширение” значений функции (сигнала) происходит путем добавления нулей, не изменяющих в итоге значения битов. Чем выше значение кода, тем меньше добавляется нулей, чем ниже — тем больше нулей “дорисовывает” оверсемплер.
Выход “фильтруется” ФНЧ, синхронзизированным по одной опорной частоте с интерполирующим фильтром. В результате на выходе выделяется “полезный сигнал”, который поступает далее — на нагрузку или в каскады усилителя.
В работе ЦАПа важное значение имеют аналоговый и цифровой фильтры. Но бывают реализации ЦАПов, где не применяется один из них или даже оба. Но такие случаи нечастые и обладают рядом недостатков и сопутствующих требований и ограничений для разработчика.
Сама тема цифровых фильтров и работы ЦАПа в режиме NOS — без оверсемплинга и цифрового фильтра — интересная и довольно глубокая. Пожалуй, она заслуживает отдельной публикации. Когда-нибудь.
ПОЧЕМУ РАНЬШЕ РУГАЛИ ДЕЛЬТА-СИГМА ЦАП?…
А вот и нет. Я не хочу писать, что та или иная принципиальная схема сегодня лучше или хуже. Во-первых, сегодня разработчики научились готовить дельта-сигму так, что все детские болезни этих ЦАПов остались если не в прошлом, то вне поля нашего зрения. Во-вторых, сам факт ухода с рынка мультибитных решений говорит о том, что не стоит заниматься археологией и искать те самые AD’шки и TDA’шки на мировых барахолках. Разве что для того, чтобы унять свое любопытство.
Сегодня мультибит-ЦАПы и R-2R матрицы стали чем-то вроде экзотики. Встречаются нечасто. Вызывают неподдельный интерес. И мой опыт говорит, что не понапрасну. Но раньше, когда дельта-сигма была относительно молода, сложились определенные стереотипные паттерны о ее звуке супротив правоверного R-2R решения.
Основная претензия, закидываемая в лагерь дельта-сигмы, это то, как она работает с атакой. Звук имеет три фазы: атаку (установление), стационарную часть и затухание (спад). При искажении воспроизведение любой из фаз, в частности атаки, нарушается структура звука, что изменяет тембр и его восприятие. Грубо говоря, звучание одного инструмента, правильно записанного, но воспроизводимого с искажением, скажем, атаки, уже не ощущается как оригинальное звучание. При этом у каждого инструмента эти фазы имеют разные временные характеристики и ведут себя по-разному.
Отсюда вывод, что правильное “течение” фазы атаки (в один такт) — залог натуральности звучания и точной передачи тембра. И замеры, проводимые ранее с ЦАПами, построенными на разных архитектурах, говорили о проблемах дельта-сигмы с сохранением идентичности фаз. В частности — атаки. Если вы когда-нибудь общались с адептом секты свидетелей Святого Хлопка, то понимаете, о чем я. Пожалуй, тема звука и тембра — хороша для отдельного материала. Не так ли?
МЕАНДР: R-2R vs ДЕЛЬТА-СИГМА ЦАП
Итак, как проводились такие замеры? При помощи подачи на ЦАП импульсного сигнала — меандра — и замера получаемого графика. Меандр в данном случае это функция напряжения от времени. Проще говоря, это график, где на оси X время, а на оси Y — напряжение. Выглядит он следующим образом.
Штука эта широко используется в технике, в частности для проведения замеров в аудио. Меандр состоит из прямой линии нулевой отметки (фаза отсутствия сигнала), вертикальной линии фронта, или атаки, прямой линии положительного или отрицательного полупериода (стационарная фаза) и спада (затухания). Меандр показывает через напряжение, как ведет себя сигнал на разных стадиях своего существования.
На рисунке выше приведен исходный сигнал в идеальном виде. Это случай in vitro — эталон для дальнейшего сравнения. Не более.
Далее мы видим меандр, образованный посредством R-2R-преобразователя. Он отличается от исходного тестового меандра, но посмотрите на фронт атаки: он перпендикулярен к нулевой отметке. Фактически атака сформирована в один такт. Скругление меандра на краях атаки и затухания неизбежны из-за ограничения частотного диапазона. При этом кривая стационарной фазы линейна.
А теперь смотрим на меандр, полученный после дельта-сигма преобразования. Во-первых, атака. Атака явно не “умещается” в один такт и ее наклон далек от прямого угла. Во-вторых, стационарная фаза имеет волнообразные искажения на всей ее продолжительности. Также отмечаем всплеск напряжения на конце фронта. Это и есть тот самый подзвон, за который было принято ранее ругать дельта-сигму. Ну и за размазанность атаки (во всяком случае по замерам!). Помимо искажений, атака нарастала постепенно, не давая того самого “хлопка”. Как я уже писал выше, при нарушении течения фаз или искажения в них, нарушается передача и восприятие тембра.
…И ПОЧЕМУ СЕЙЧАС ЭТОГО ДЕЛАТЬ НЕ СТОИТ
Но что мы имеем сегодня? Современные дельта-сигма ЦАПы, во-первых, это уже не классические “однобитники”. По сути это уже гибридные преобразователи. Сохраняя однобитную архитектуру самого чипа, они могут похвастаться высоким разрядом. Как? Хотел бы сказать, что это просто, но не совсем. Интерполирующий цифровой фильтр принимает 16 или 24-битный поток, далее дельта-сигма модулятор “справляется” с ним в 3/6/X битной разрядности за счет… многоуровневого выхода. Да, той самой технологии DEM, лежавшей в основе интегральных мультибитных схем Philips.
Кроме того, современный дельта-сигма чипы могут похвастаться недостижимыми ТТХ для R-2R решений. Крайняя мультибитная интегральная схема PCM1704k обеспечивала THD+N 0,0008% и динамический диапазон на уровне 112 дБ. У актуального топа от ESS — ES9038PRO — эти показатели соответственно следующие: 0,0004% и 140 дБ.
Но не цифры звучат. Звучит готовое, завершенное изделие. И влияние множества прочих факторов на итоговый звук куда больше, чем то, по какому принципу работает ЦАП. До сих с теплом в сердце вспоминаю ЦАПы от Wolfson. Устаревшие по сегодняшним меркам они все еще могут впечатлить. Но не сами по себе, а лишь как часть грамотно спроектированного и добросовестно реализованного устройства.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Фуууух. Это было непросто. Надеюсь, вам, дорогие мои, было легче, чем мне. Главное, не забываем, что звучит не микросхема. И не технология. Звучит все в совокупности. И уж точно стоит отказаться от стереотипов о звучании схем в зависимости от марки и способа реализации преобразования.
