Бытовые представления о структуре и принципе работы ЦАП

[svas 607 6 Тракты]

Запись звука:

В PCM:

Происходит дискретно (ступенчато). Есть 2 главных параметра: частота и глубина дискретизации

 

Частота дискретизации - количество регистраций в секунду уровней громкости (количество отчетов в секунду)

Глубина дискретизации - количество возможных уровней громкости за 1 регистрацию, соседние уровни отличаютс в 2 раза (диапазон отчета)

 

От этих 2 параметров и чувтвительности микрофона зависит динамиеский диапазон - отношение самого низкого уровня громкости (младшего бита - МБ) к самому высокому (старшему биту - СБ). Каждый бит в отчете удваивает громкость, а нули в конце отчета отбрасываются.

 

В 1980г. был принят формат AudioCD или CDDA или Red Book: частота 44 100Гц, глубина 16бит(2¹⁶= 65 536 уровней громкости), рекомендуемый максимальный уровень громкости -6дб, максимальный динамический диапазон 96дб

В 1999г. был принят формат DVD-Audio или Hi-Resolution: частота для стерео 192 000Гц (для многоканальной музыки 96 000Гц), глубина 24бит (2²⁴= 16 777 216 уровней громкости), рекомендуемый максимальный уровень громкости 0дб, максимальный динамический диапазон 144дб

 

В DSD:

Частота дискретизации принимает огромные значения 2 822 400Гц и больше. Глубины дискретизации как и самих отчетов нет, вместо целого отчета передается только 1 бит, т.е. 1 или 0. Каждый бит означает изменение изменения уровня громкости

Если громкость резко росла, а далее идет 0, то ее рост замедляется если еще один 0 - то замедляется сильнее, если 1 - то рост ускоряется.

 

Плюсы в огромной частоте дискретизации - цифровая характеристика звука стремится к аналоговой, в отсутствии отчетов разного объема и соответственно нет необходимости в их синхронизации.

 

В 1999г. был принят формат Super Audio CD: частота 2 822 400Гц, рекомендуемый максимальный уровень громкости 0дб, динамический диапазон 120дб (16 777 216 уровней громкости)

 

Воспроизведение:

 

Мультибитные ЦАП ( Взвешенные R2R-матрицы).

Преобразование цифрового сигнала происходит при прохождении сигнала через цепочку резисторов и многократным переключением между резисторами сопротивлением R и 2R(общее кличество резисторов в таком ЦАП в 2 раза больше принимаемых значений громкости). Для обеспечения линейности каждый резистор должен соответствовать с точностью до бесконечности сопротивлению R или 2R, шум при переключении должен быть равен 0.

+отсутствие других проблем

-на практике нелинейные (особенно на небольших изменениях,тихих звуках) и шумные ЦАП (также на многих мультибитных ЦАПах наблюдается Glitch эффект)

 

Дельта-сигма

Преобразование цифрового сигнала в аналоговый происходит с помощью одного заряда, генереруемого мастер клок-генератором (1 битом), но с частотой в сотни и тысячи раз превышающую частоту дискретизации.

Схему преобразования для лучших ЦАП

1-этап в структуре дельта-сигма ЦАП: данные поступают на цифровой фильтр, частота его работы больше частоты дискретизации в несколько раз (8 раз - 8х и более). Цифровой фильтр интерполятор увеличивает частоту в несколько раз (32 раза - 5бит или 8х-256х у всех топ ЦАП в т.ч. и у WM8740). Рекурсивный цифровой фильтр - преобразователь шума уменьшает глубину дискретизации до 1 и перемещает шум возникающий в процессе квантования в область неслышимых высоких частот.

1 этап может заменить кодер DSD

2-этап:цифровой фильтр масштабирует цифровую информацию с помощью весовых коэффиценов: входные цифровые слова перемножаются на коэффиценты, которые расситываются при проектировании ЦАП (ЦАП должен показывать лучшие результат при дальнейшей обработке). Умножение 16-ти разрядного цифрового слова на 16-ти разрядный коэффицент дает 32 бита разрядности. Также происходит добавление новых отчетов и рассчет для них значений исходя из входных данных (интерполяция и аппроксимация): если форма сигнала 20кГц описывалась только 2 значениями то будет описываться 16-ю (в 8 раз- 8х или 3 бита) или 64-мя (в 32 раза - 32х или 5бит). Применение такой цифровой фильтрации снижает требования к работе ЦАП и выходному аналоговому фильтру).

Некоторые цифровые фильтры для ЦАП также имеют функцию дизеринга dither - подмешивание в первичный сигнал псевдослучайного шума со специально подобранным спектром во всей полосе частот. Также применяют noise shaping подмешивание только неслышимого высокочастотного шума

 

3-этап.

После этого последовательность из 0 и 1 поступает на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП): 1 соответствует увеличению амплитуды, 0 ее уменьшению, нулевой уровень кодируется 01. Происходит интеграция сигнала за определенный очень небольшой период времени. Для 1-битных дельтасигм 3 этап осущевствляется только с помощью одного ключа (например WM8740). При этом при значениях близких к 0дб, происходит клиппинг http://ru.wikipedia....иппинг_(аудио). При уровне громкости меньше 0дб может происходить межотчетный (межсемпловый) клиппинг и другие неприятные явления.

Пример:

 

На выход после аналогового фильтра ничего подобного наблюдаться не будет, но 1-битная дельтасигма не сможет нормально обработать такой сигнал. Если настроить цифровой фильтр так, чтобы не появлялся межсемпловый клиппинг, то звук станет очень плоским. В этом случае есть два выхода: обрезать цифровой сигнал (как это сделано в WM8740 - хардварно включена обрезка на 2дб) и использовать мощный дизеринг или дополнить ключ мультибитной ахитектурой для токового выхода и компенсировать недостаток битности, произойдет небольшое снижение линейности, но она все равно будет намного лучше мультибитных ЦАП, так сделано во всех мультибитных дельтасигмах. Для того чтобы компенсировать снижение на 12дб по току, т.е. в 16 раз, с учетом роста шума необходимо использовать 5битный токовый выход . Также у мультибитных дельтасигм чуть меньше интермодуляционные искажения.

Мультибитные дельта-сигма предпочтительнее так как они не делают звук плоским и не имеют проблем вроде межсемплового клиппинга.

Есть особенность в характеристиках мультибитных дельтасигм показатель DNR (отношение максимально возможного уровня громкости к уровню шума) должен быть больше SNR (отношения уровня громкости при котором не наблюдаются вышеописанные проблемы к уровню шума) на 10-15дб.

Есть производители которые указывают SNR=DNR, например TI. Добросовестными же производители такие как ESS, Analog Devices, Asahi Kasei правильно указывают значение SNR, оно должно быть хотя бы 110дб.

 

Также хотелось бы упамянуть о гибридных ЦАП. Например, Sabre ES9018. Он состоит из 4-битного мультибитного ЦАП, по 2 контакта которого направлены на каждую дельтасигму, конфигуратора каналов, и восьми 1-битных дельтасигм 16-битной разрядности (шум каждой вероятно меньше -126дб), каждая со своим цифровым фильтром.

Изменено 4 ноября, 2014 пользователем svas

[PA3BPAT 499 7 Тракты]

В 2001г. был принят формат Super Audio CD: частота 2 822 400Гц,

 

Это Вы или Википедия ощиблись?

[Azbest 39]

@PA3BPAT, в чём ошибка ? В википедии тоже самое написано.

[Plokhikh 668]

Что-то я не понял насчет ES9018. Вы могли бы пояснить его архитектуру?

[svas 607 6 Тракты]

Что-то я не понял насчет ES9018. Вы могли бы пояснить его архитектуру?

а что непонятного? производитель указал архитектуру 24бит (с технологией 32бит ) и наличие 8 преобразователей.Мультибитная архитектура 4битная + по 2 контакта R и R2 на каждую дельту сигму (1бит) + 8 дельта сигм (3бит) с разрядностью 16бит. Итого 4+1+3+16= 24 бит. Конфигуратор каналов позволяет удваивать каналов со снижением ДД в 2 раза или на (3дб-снижение шума) с каждым удвоением каналов.

Изменено 4 ноября, 2014 пользователем svas

[PA3BPAT 499 7 Тракты]

В википедии тоже самое написано.

 

В Википедии написано 1999. Даже у меня в скромной коллекции есть SACD диски 2000 года.

[Azbest 39]

В Википедии написано 1999

Изменено 4 ноября, 2014 пользователем Azbest

[svas 607 6 Тракты]

В Википедии написано 1999. Даже у меня в скромной коллекции есть SACD диски 2000 года

Да стандарт был разработан в 1999г. Массовый выпуск SACD дисков приурочен к 2001г. Интересно, ваши SACD диски 2000 года также защищены как и современные или без защиты?

[PA3BPAT 499 7 Тракты]

Интересно, ваши SACD диски 2000 года также защищены как и современные или без защиты?

 

Я не встречал SACD без защиты. Без защиты - это DSD диски...

 

Скажем http://www.sa-cd.net/showtitle/20 - ровно также защищён и на обычном DVD-драйве не читается.

[svas 607 6 Тракты]

Также стоит отметить различия в цифровых фильтрах ЦАП. Линейные высококачественные цифровые фильтры делают Pacific Microsonics, Crystal Semiconductor (не Cirrus Logic), NPC, Asahi Kasei, BurrBrown, Wolfson.

[Alex76 0]

У меня на Wolfson Кембриж Мэджик 6, подключен по балансу к Электрокомпаненту. Хорошо звучит. Но Olive 03 нравится больше. Есть также Stream Box , но у него аналоговый выход очень плохо играет. Использую как источник по коаксиалу. Интересно играет сетевой Denon, очень точно передает музыку.

[Shiter 887]

Также хотелось бы упамянуть о гибридных ЦАП. Например, Sabre ES9018. Он состоит из 4-битного мультибитного ЦАП, по 2 контакта которого направлены на каждую дельтасигму, конфигуратора каналов, и восьми 1-битных дельтасигм 16-битной разрядности (шум каждой вероятно меньше -126дб), каждая со своим цифровым фильтром.

Наконец кто-то что-то написал про эту архитектуру. Не могу сказать, что я прям пытался усердно искать информацию по ней, но в общении на форуме все только оперируют козырными терминами типа "гиперстрим" и т. п.

Я только вот не понял, как пара контактов после мультибитного ЦАП направляется в дельта-сигму? Имеется ввиду мультибитом регулируется ток работающего однобитника? Эта не та же суть, что у мультибитной дельта-сигмы, когда ключ дополняют мультибитной архитектурой?

[svas 607 6 Тракты]

И почему 2^16, а не на оборот? Правильно 15^2=225.(простой двоичный код))

Можно ведь использовать и 2 ЦАП. 2¹⁶= 65 536 значений получается на выходе после объединения всех малых и больших уровней. В виде двоичного кода можно записать и 16²=256 значений. Для лучших дельтасигм с частотой в 256 раз более высокой (но может быть и меньше), в итоге 256х256=65536 значений. Поэтому в принципе разрядность можно заменить более высокой частотой дискретизации, в этом виде сигнал 20/192 мало будет отличаться от 24/48, а вот обработать его можно чуть точнее, если конечно запись действительно 192кГц, а не апсемплинг. После интерполяции и аппроксимации для лучших дельтасигм сигнал примет 2¹⁸- 2²⁴ значений, разрядность возрастет до 32бит, при этом некоторые значения могут и отбрасываться.

В итоге имеем , что такой способ оцифровки сильно искажает слабый сигнал

Наоборот очень линеен - происходит объединение малых и больших значений

 

Hi-Resolution встречается только на японских сайтах и у нас, Resolution –разложение на составляющие, в случае цифрового фото - на пиксели , в англо говорящих Definition– ясность, точность (HD) применяется как к ТВ картинке, так и к звуку

Как японцы его назвали, когда зарегистрировали этот формат и сделали первые DVD-Audio проигрыватели с таким названием, так и написал.

Изменено 5 ноября, 2014 пользователем svas

[svas 607 6 Тракты]

Я только вот не понял, как пара контактов после мультибитного ЦАП направляется в дельта-сигму? Имеется ввиду мультибитом регулируется ток работающего однобитника? Эта не та же суть, что у мультибитной дельта-сигмы, когда ключ дополняют мультибитной архитектурой?

Скорее напряжение для каждой переключается . Если на 6дб, например -12дб -18дб, то 6дб*8 дельтасигм=48дб, 48дб/3дб(или в 2 раза)=16раз(или 4бит). Т.е. за счет перехода от мультибита к 8 дельтасигмам и их параллельному подключению получается 4бита.

Для мультибитной дельтасигмы используется токовый выход, где после ключа есть дополнительная схема состоящая из ключей, резиторов и конденсаторов малой емкости. Эта схема и регулирует ток - может оставить как есть, а может уменьшить в 32 раза в зависимости от исходного цифрового сигнала. Если найду (уже видел для 3битной) могу выложить сюда.

Изменено 5 ноября, 2014 пользователем svas

[svas 607 6 Тракты]

По поводу фильтра низких частот встроенного в ЦАП - он портит звук, лучше использовать ЦАП без него

[svas 607 6 Тракты]

Еще раз. Цитата "В 1980г. был принят формат AudioCD или CDDA или Red Book: частота 44 100Гц, глубина 16бит(216= 65 536 уровней громкости)" в данном случае не верно, по чему см выше.

Может повторите "см.выше". 16бит - это 65 536 уровней громкости

Изменено 5 ноября, 2014 пользователем svas

[Shiter 887]

Дык как так если часть (а конкретно 1 старший бит (ячейка) уже занят информацией о канале), остается 15 свободных ячеек.

Хм... Я вообще-то думал, что информация о канале передаётся как сопровождающая в суб-фрейме вместе с флагами эмфазис, компрессия и т. д.; а сама дата остаётся полноценной 16-тибитной.

[svas 607 6 Тракты]

Хм... Я вообще-то думал, что информация о канале передаётся как сопровождающая в суб-фрейме вместе с флагами эмфазис, компрессия и т. д.; а сама дата остаётся полноценной 16-тибитной.

так и есть. самый простой вариант субфрейма http://wav-pcm.narod.ru/

[Alecs102 28]

Насколько я помню, старший бит несет информацию о полярности сигнала, таким образом 16 битами отображаеться информация о обоих полупериудах сигнала, положительном и отрицательном. Формат потока PCM вполне может быть и 64 битный, в котором может быть 2х 24 бита и служебная информация. Если смотреть что приходит на м.с.мультибитных ЦАП после цифрового фильтра поканально, то там могут быть 24 или 32 битные слова, с нулями в старших битах в зависимости от разрядности самих м.с. ЦАП, старший значащий бит также отображает значение полярности сигнала.

[OlegSA 1 516]

Давайте по ESS 9018 пруфы выкладывать. Это будет очень интересно для всех.

 

http://www.esstech.com/PDF/ES9018%20ES9012%20Product%20Brief.pdf

 

Где тут "все эти люди" описанные выше ?

 

Цитата

 

Он состоит из 4-битного мультибитного ЦАП, по 2 контакта которого направлены на каждую дельтасигму, конфигуратора каналов, и восьми 1-битных дельтасигм 16-битной разрядности (шум каждой вероятно меньше -126дб), каждая со своим цифровым фильтром.

 

 

Конец цитаты.

[Shiter 887]

На вход ЦАПа поступает только поток PCM , в рассматриваемом случае 16 битный. Готовит его в компе программный плеер (соответствующий кодер).И в чем бы не хранился файл (WAV, FLAC, MP3 и тд) на компе, на вход цапа поступит PCM. Мат часть учите. Существует всего две кодировки PCM и DSD.Все....

Необязательно. Сигнал может быть и сжатым, DTS например.

П.С. Не стоит мне такие простые вещи объяснять.

 

Он состоит из 4-битного мультибитного ЦАП, по 2 контакта которого направлены на каждую дельтасигму,

Вот я Олег тоже что-то не въезжаю, что за контакты из мультибита направлены на дельтасигму. Как обеспечивается многоуровневость дельтасигмы - ясно. Собственно я Вам и делал замечания в теме про мультибиты.

Изменено 5 ноября, 2014 пользователем Shiter

[OlegSA 1 516]

Суть в том что изначально сабря делалась для многоканального звука. Отсюда и 8 одинаковых каналов .

 

По многоуровневости - совершенно другой вопрос. Равно как и его реализации. Пруф бы на то что там внутри сабри происходит. По блок-схеме там все просто как топор.

[svas 607 6 Тракты]

Пруф бы на то что там внутри сабри происходит. По блок-схеме там все просто как топор.

В application ES9018 написано, что он имеет 24битную структуру, 8 отдельных ЦАП, которые могут работать вместе в моно режиме.

 

Насколько знаю application запрещено выкладывать в интернет и он есть только у дистрибъютеров и производителей. Так что нужно обратиться к ним, например к LynX

Изменено 6 ноября, 2014 пользователем svas

[Shiter 887]

@svas,

В своём посте я вопрошал о разнице между мультибитной дельтасигмой и архитектурой сабры гиперстрим. Может кто пояснит?

Если контакты сабры выведены на отдельные однобитные дельтасигмы, то в чём тогда разница между саброй и обычной многоуровневой дельтасигмой? Суть получается та же: резисторной матрицей управляем током однобитного модулятора.

Ну а если в сабре однобитники идут ещё до суммирования тока на выходе 4-х битного параллельного преобразователя - то тогда мне вообще нифига не ясно.

[svas 607 6 Тракты]

svas, В своём посте я вопрошал о разнице между мультибитной дельтасигмой и архитектурой сабры гиперстрим. Может кто пояснит? Если контакты сабры выведены на отдельные однобитные дельтасигмы, то в чём тогда разница между саброй и обычной многоуровневой дельтасигмой? Суть получается та же: резисторной матрицей управляем током однобитного модулятора. Ну а если в сабре однобитники идут ещё до суммирования тока на выходе 4-х битного параллельного преобразователя - то тогда мне вообще нифига не ясно.

Ток контактов мультибита подается на все дельтасигмы одновременно, но контактов 16, а сельтасигм 8.

Попробую объяснить на цифрах - не судите строго:

выходное напряжение после конвертации преобразователями ток-напряжение 2,02В

Мультибит регулирует напряжение в размахе 4бит: от 0дб (или 2,02В) до -18дб (0,12625В), каждая дельтасигма работает со значениями -120дб (0.0000001В) - общий шум системы, так как имеет 16бит до 0,065536В (-24дб). За счет того, что дельтасигм 8 после преобразования ток-напряжение напряжение поднимается до 0,524288В или -5,6дб. Разница между максимальным знаением дельтасигм и мультибита 0,524288В/0,12625В=4,2раза или 12,5дб. Итого за счет мультибита получается 18дб, за счет всех 8 дельтасигм102дб SNR=18+102=120дб DNR=120+12,5дб=132,5дб. В режиме двойного моно DNR=135,5дб

DNR здесь максимальное математическое разрешение, не реализуемое так как шум равен -120дб

 

не хотелось бы больше отвлекаться от основной темы

Изменено 6 ноября, 2014 пользователем svas